一种基于铋元素的GaAs基室温红外发光材料及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于半导体光电材料制备领域，特别涉及一种基于铋元素的GaAs基室温红外发光材料及其制备方法。
【背景技术】
[0002]随着互联网的飞速发展，信息呈现爆炸式的增长，作为主要传输网络的光纤通信系统必须向着更大的传输容量和更远的传输距离发展。信号的色散、衰减和非线性效应是影响光纤传输系统性能的主要因素。光纤通信系统中1.3 μπι的光在信息传输过程中色散最小，国际电信联盟所规定的G.652光纤称为标准单模光纤，是指零色散波长在1.3 μπι窗口的单模光纤。因此，发展1.3 μπι工作的激光器具有重要的实际应用意义和商用价值。
[0003]目前，光纤通信系统中所使用的半导体激光器产品主要以InGaAsP/InP体系最为成熟，InGaAsP与InP虽然晶格完全匹配，可实现1.3和1.55 μπι的发光波长，但是InP和InGaAsP导带带阶较小，载流子束缚能力差，使得阈值电流较高，温度稳定性较差，必须采用制冷装置恒温，能耗和成本很高。而采用GaAs基的半导体激光器则有望解决上述问题。GaAs基材料体系普遍具有较大的带隙失配，对载流子限制能力更强，有望获得非制冷半导体激光器。同时，InP衬底价格昂贵、易碎，不利于降低激光器成本，GaAs衬底则在材料质量、成本上都有更大的优势。在GaAs基近红外激光器材料中，InGaAs/GaAs材料体系的激射波长在0.9-1.25 μπι，通过调节In的组分可以拓展发光波长，但In组分过大会在材料中引入较大的晶格失配，降低晶体质量。目前GaAs基上实现长波长的方法主要有:(I) InAs量子点激光器，用这种方法可以实现1.3 μπι工作的激光器；⑵InGaNAs量子阱激光器可以实现1.3和1.55 μπι激光器，但N的引入会导致材料光学质量的急剧下降，器件工作电流相对较高；(3)GaAsSb/GaAs体系虽可以实现1.3和1.55 μπι的发光，但是GaAsSb和GaAs的导带带阶较小，电子限制能力较差。同时II型发光使得激射波长和效率对于注入电流非常敏感。为了进一步拓展发光波长至通信窗口，有必要发展一种新的半导体材料。
[0004]近年来，稀铋半导体材料由于其独特的材料性能而引起了国际上广泛的关注。人们发现，在II1-V族材料中掺入少量的Bi元素后，Bi原子能级与母体材料的价带发生相互作用，产生价带反交叉效应，减小材料的禁带宽度，例如GaAs中每掺入1%的Bi元素，材料禁带宽度可降低84-88meV ；InAs中每掺入1%的Bi元素，材料禁带宽度可降低42_55meV ；InSb中每掺入I %的Bi元素，材料禁带宽度可降低36meV ;同时Bi元素的掺入可增大材料的自旋轨道分裂，从而抑制俄歇复合效应，减小热损耗，提高器件的工作温度元素在II1-V族材料的生长中还具有表面活化剂的作用，有利于形成更平整的界面，改善材料的光学性能；此外，人们还发现GaAsBi材料的禁带宽度对温度依赖度远小于GaAs以及InGaAsP材料，例如铋组分在1.9-5%范围内的GaAsBi材料，禁带宽度温度系数约为0.1-0.4meV/K,低于GaAs的0.56meV/K0因此，稀铋材料可以有效的扩展II1-V族材料的发光波长，减小俄歇复合，提高器件的工作温度，是制备通信激光器的理想材料。
【发明内容】
[0005]本发明提出了一种基于铋元素的GaAs基室温红外发光材料及其制备方法，用于解决现有技术中的半导体材料的发光波长难以拓展至通信窗口的问题。
[0006]为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种基于铋元素的GaAs基室温红外发光材料，所述基于祕元素的GaAs基室温红外发光材料包括InxGa1 xAs材料层及GaAs1 yBiyM料层，其中，0〈x 彡 0.3，0〈y 彡 0.15。
[0007]作为本发明的基于铋元素的GaAs基室温红外发光材料的一种优选方案，所述基于祕元素的GaAs基室温红外发光材料包括至少一个由InxGa1 xAs材料层及GaAs1 #;^材料层形成的InxGa1 xAs/GaASl ,BiyAnxGa1 xAs等宽对称双量子阱材料结构；其中，0〈x彡0.3，0<y 彡 0.15。
[0008]作为本发明的基于铋元素的GaAs基室温红外发光材料的一种优选方案，所述基于祕元素的GaAs基室温红外发光材料包括至少一个由InxGa1 xAs材料层及GaAs1 #;^材料层形成的InxGa1 xAs/GaASl yBiy#对称量子阱材料结构；其中，0〈x彡0.4，0〈y彡0.15。
[0009]作为本发明的基于铋元素的GaAs基室温红外发光材料的一种优选方案，所述基于祕元素的GaAs基室温红外发光材料包括至少一个由InxGa1 xAs材料层及GaAs1 yBiyM料层形成的GaAs1 ,BiyinxGa1 xAs/GaASl yBiy不等宽双量子阱材料结构；其中，0〈x彡0.3，0<y 彡 0.15。
[0010]作为本发明的基于铋元素的GaAs基室温红外发光材料的一种优选方案，所述基于铋元素的GaAs基室温红外发光材料还包括衬底、缓冲层及GaAs帽层；
[0011]所述缓冲层位于所述衬底的表面上，且位于所述量子阱材料结构的底部；
[0012]所述GaAs帽层位于所述量子阱材料结构的顶部。
[0013]本发明还提供一种基于铋元素的GaAs基室温红外发光材料的制备方法，所述基于铋元素的GaAs基室温红外发光材料的制备方法包括以下步骤:
[0014]I)设置Ga炉温度为900°C?1100°C，In炉温度为700°C?1000°C，Bi炉温度为400°C ?600°C，AsH3压强为 500Torr ?100Torr ；
[0015]2)打开Ga炉挡板和AsH3阀门，在GaAs衬底上生长一层所需厚度的GaAs缓冲层，衬底温度为500 °C?700 °C ；
[0016]3)关闭Ga炉挡板；
[0017]4)在AH3_门打开的前提下，将衬底温度设为300°C?500°C ;
[0018]5)同时打开In和Ga的挡板，生长所需厚度的InxGa1 xAs材料层；
[0019]6)关闭In和Ga的挡板，将AsH3的压强设为10Torr?500Torr ；
[0020]7)同时打开Ga和Bi的挡板，生长所需厚度的GaAs1 yBiy材料层；
[0021]8)关闭Ga和Bi的挡板，将AsH3的压强设为500Torr?100Torr ；
[0022]9)同时打开In和Ga的挡板，生长所需厚度的InxGa1 xAs材料层；
[0023]10)关闭In和Ga的挡板，在AsH3_门打开的前提下将衬底温度设为500°C?700 0C ；
[0024]11)打开Ga的挡板，生长一层所需厚度的GaAs帽层；
[0025]12)关闭所有源料的快门，将温度降至室温，生长结束。
[0026]作为本发明的基于铋元素的GaAs基室温红外发光材料的制备方法的一种优选方案，步骤9)与步骤10)之间还包括周期性重复步骤6)?步骤9)n次的步骤，其中η为大于等于I的整数。
[0027]作为本发明的基于铋元素的GaAs基室温红外发光材料的制备方法的一种优选方案，所述制备方法制得的InxGa1 xAs/GaASl ,BiyAnxGa1 xAs等宽对称双量子阱材料结构中，0〈x 彡 0.3，0〈y 彡 0.15。
[0028]本发明还提供一种基于铋元素的GaAs基室温红外发光材料的制备方法，所述基于铋元素的GaAs基室温红外发光材料的制备方法包括以下步骤:
[0029]I)设置Ga炉温度为900°C?1100°C，In炉温度为700°C?1000°C，Bi炉温度为400°C ?600°C，AsH3压强为 500Torr ?100Torr ；
[0030]2)打开Ga炉挡板和AsH3阀门，在GaAs衬底上生长一层所需厚度的GaAs缓冲层，衬底温度为500 °C?700 °C ；
[0031]3)关闭Ga炉挡板；
[0032]4)在AH3_门打开的前提下，将衬底温度设为300°C?500°C ;
[0033]5)同时打开In和Ga的挡板，生长所需厚度的InxGa1 xAs材料层；
[0034]6)关闭In和Ga的挡板，将AsH3的压强设为10Torr?500Torr ；
[0035]7)同时打开Ga和Bi的挡板，生长所需厚度的GaAs1 yBiy材料层；
[0036]8)关闭Ga和Bi的挡板，将AsH3的压强设为500Torr?lOOOTorr，将衬底温度设为 500 cC ?700。。；
[0037]9)打开Ga的挡板，生长一层所需厚度的GaAs帽层；
[0038]10)关闭所有源料的快门，将温度降至室温，生长结束。
[0039]作为本发明的基于铋元素的GaAs基室温红外发光材料的制备方法的一种优选方案，步骤8)与步骤9)之间还包括周期性重复步骤4)?步骤8)n次的步骤，其中η为大于等于I的整数。
[0040]作为本发明的基于铋元素的GaAs基室温红外发光材料的制备方法的一种优选方案，所述制备方法制得的InxGa1 xAs/GaASl yBiy非对称量子阱材料结构中，0〈x ^ 0.3，0<y 彡 0.15。
[0041]本发明还提供一种基于铋元素的GaAs基室温红外发光材料的制