專利名稱：量子點(diǎn)與量子阱耦合的半導(dǎo)體器件及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體器件及其制造方法的領(lǐng)域，更具體地說，涉及一種具有量子阱和與量子阱隔開的量子點(diǎn)層的半導(dǎo)體器件及其制造方法。
背景技術(shù)：
1977年已有量子阱(QW)激光器的介紹，該激光器的有源區(qū)利用一或多層薄的量子阱層(Lz小于400)夾在較厚的波導(dǎo)區(qū)之間，該波段區(qū)進(jìn)一步由更高間隙的p型和n型限制層包圍(參見E.A.Rezek，N.Holonyak，Jr.，B.A.Vojak，G.E.Stillman，J.A.Rossi，D.L.Keune，和J.D.Fairing的“LPE In1-xGaxP1-zAsz(x～0.12，z～0.26)DH Laser With MultipleThin-Laye(＜500)Active Region”，Appl.Phys.Lett.，vol31，pp288-290，Aug.15，1997；E.A.Rezek，H.Shichijo，B.A.Vojak，和N.Holonyak，Jr.，的“Confined-Carrier Luminescence of a Thin In1-xGaxP1-zAszWell(x～0.13，z～0.29；～400)in an InP p-n Junction”Appl.Phys.Lett.，vol 31，pp534-536，Oct.15，1997)。十年來，許多小組正試圖將實(shí)際的和廣泛制造的量子阱激光器轉(zhuǎn)換成所謂的量子點(diǎn)激光器。其目標(biāo)是構(gòu)造最終的激光器。理論上，QW激光器的薄量子阱層(或多層)被(理想地)“切成”(“cut-up”)密度均勻的片狀的同樣小的量子單元(即量子點(diǎn))。這樣的結(jié)構(gòu)，在易于生長的薄(Lz小于400)均勻QW片層(因此具有一維的厚度限制和量化；和2-D結(jié)構(gòu))中代替(通過電流、光等)注入和聚集的電子和空穴，電子和空穴在小量子點(diǎn)(即量子單元；因此，3維限制和量化；0-D結(jié)構(gòu))中聚集并復(fù)合。該小單元或點(diǎn)就像“胖胖”的小分子，(理想的)所有都相同，并且密集地、均勻地分布。[例如，可參考美國專利US 6,369,403和J.H.Ryou，R.Dupuis，G.Walter，D.Kellog，N.Holonyak，Jr.，D.Mathes，R.Hull，C.Reddy，和v.Narayanamuri，Appl.Phys.Lett.78，4091(2001)]，實(shí)際上，量子點(diǎn)是隨機(jī)的和概率性的、小的但是任意的。它們在幾何結(jié)構(gòu)、尺寸和分布上是隨機(jī)的——并且不稠密，即不足以接近量子耦合(通過隧穿)。電子和空穴(e-h)對吸附在每一單元中(假設(shè)它們被完全聚集)并且不能在相鄰單元中傳輸。在量子點(diǎn)的平面中e-h對不能象它們在薄QW片層(Lz小于400；Lx，Ly在平面中擴(kuò)展；因此是一個(gè)2-D結(jié)構(gòu))中一樣容易地來回移動(dòng)和再分布。簡而言之，量子點(diǎn)的片層(或多個(gè)片層)很少的或者沒有導(dǎo)電性。
本發(fā)明的目的是提供器件和其制造方法，它是對現(xiàn)有技術(shù)的上述限制作出的響應(yīng)，本發(fā)明還提供顯示出改進(jìn)操作的器件，如發(fā)光器和如其它的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
量子點(diǎn)異質(zhì)結(jié)(QDH)的主要問題是QD結(jié)構(gòu)的隨機(jī)特性、缺乏均勻性、密度不足、和不良的QD到QD耦合。根據(jù)其一方面，要解決的問題是通過薄阻擋層，從QD片層(多個(gè)片層)到QW層，例如到QW激光器的QW層的耦合問題。高能態(tài)的QD通過隧穿與低受限粒子態(tài)的薄均勻QW層的諧振并耦合。在QW層中傳輸?shù)碾娮印昭軌蛟谄矫嬷兄匦路植糴-h對，并提供點(diǎn)到點(diǎn)耦合。也就是說，電子從QD隧穿到QW層，在QW層中以平面?zhèn)鬏?，并且再隧穿回到另一QD中。因此，電子隧穿不是在其平面內(nèi)，而是在其平面外的QW層中能夠耦合QD，然后從QW層平面中的其它一些點(diǎn)處穿回到另一個(gè)QD上。在本方式中，本發(fā)明使電荷從QD獲得松脫成為可能并在波導(dǎo)區(qū)域逐點(diǎn)移動(dòng)，來幫助最優(yōu)化地發(fā)射光束。
另外，QD不能有效聚集注入的電子—空穴對(各別情況是可能的)，薄輔助QW層(或者，如果需要或者理想的可以是多個(gè)QW層)將聚集注入的載流子并將它們通過諧振隧穿供給到量子點(diǎn)中，然后將該載流子向下分散到低能態(tài)點(diǎn)處用于復(fù)合(用于發(fā)光和激光器工作)。顯然可以使用多個(gè)QD層和多個(gè)QW輔助層或者連接(互通)層，并且可以是激光器或者其它器件設(shè)計(jì)的一部分。
根據(jù)其另一方面，因?yàn)榱孔狱c(diǎn)是較低間隙組分的III-V QD異質(zhì)結(jié)，所以它們能夠被摻雜或者剩下不摻雜。換言之，能夠改變QD使其成為量子“摻雜球”。利用n-型或者p-型QD“摻雜球”是有利的，正如器件設(shè)計(jì)的原因保留QW的輔助連接或者互通層不摻雜、或者n-型或者p-型摻雜。QW輔助連接層能夠與QD(通過小的分開的阻擋層厚度)緊密耦合，或者能夠(通過大阻擋層厚度)弱耦合。另外，QW輔助層可以是較厚的且將其較低的受限粒子的能態(tài)降低到最低的QD能態(tài)以下，或者可以制成較薄的QW輔助層且將其最低的受限粒子的能態(tài)升高到最低的QD能態(tài)以上。上述類型的技術(shù)和結(jié)構(gòu)能夠與場效應(yīng)晶體管器件結(jié)合。例如，摻雜的QD，即“摻雜球”，能夠用于改變所謂的偽同晶晶體管使其成為新形式的場效應(yīng)晶體管。摻雜的QD能夠與輔助QW層(多層)一起使用或者無需QW輔助層。
GaAs(Eg＝1.42eV)變成幾乎不可能制成較高間隙，即GaP(Eg＝2.26eV)、隧道二極管后。高間隙(高能量)需要較窄的隧穿距離，其中p-n隧道二極管需要較高摻雜，而不是普通的摻雜，低雜質(zhì)可解決上述問題，使其具有高間隙。
可以將隧道二極管設(shè)計(jì)成不大的均勻結(jié)，而相反是一個(gè)微隧道結(jié)的陣列，例如在p-n結(jié)的n側(cè)上摻雜的量子點(diǎn)陣列。如，1993年制成的GaAs(p+)-InGaAs(n+)-GaAs(n+)p-n隧道二極管(Richard，et al.，Appl.Phys，Lett.63，3616(1993年12月27日)，即窄間隙InGaAs中心區(qū)域、減小的阻擋層能夠“切成”量子點(diǎn)。對于在VCSEL激光器上隧道接觸的這種結(jié)構(gòu)的重要性可結(jié)合美國專利US6,369,403一起理解。
在隧道接觸或隧道二極管中使用類型相同的摻雜QD是摻雜QD或者摻雜球(DB)的相同種類，它們能夠作為在異質(zhì)結(jié)任何層中的摻雜源，包括所有類型的量子點(diǎn)(QD)發(fā)光器件(例如激光器)，這些器件描述在許多雜志文獻(xiàn)的文章中。摻雜點(diǎn)(DD)、或者摻雜球(DB)可以通過高間隙材料(以多層)束緊，來充當(dāng)載流子源。足夠小的小QD摻雜球即使晶格不匹配也能夠引入高間隙材料中，且不產(chǎn)生缺陷(位錯(cuò))。QD具體為摻雜球和其“擠壓”的高能態(tài)、在QD材料的溶解度極限處的載流子雜質(zhì)，例如，在高間隙In0.5Ga0.5P或In0.5Al0.3Ga0.2P中的InP QD、和不在高間隙層(矩陣)的溶解度極限處的載流子雜質(zhì)。
摻雜QD(DD或DB)的層和區(qū)域是引入異質(zhì)結(jié)器件中的多用層(n-型、p-型或者未摻雜)，如量子阱、阻擋層、耦合阻擋層、波導(dǎo)區(qū)域限制層等被引入器件中一樣?？捎幸嬗诎l(fā)光器(LED和激光器)、探測器、晶體管等各種器件。QD無需被看作僅僅是用于載流子復(fù)合的小“單元”(如現(xiàn)今的QD激光器)，即一個(gè)用于改進(jìn)載流子復(fù)合的“中心”，而是，更廣泛地，能夠?qū)D看作一個(gè)特殊的小“單元”，該小“單元”能夠?qū)㈦s質(zhì)承載到區(qū)域中，否則摻雜是困難的，或者提供增強(qiáng)摻雜的機(jī)會。所有III-V材料是QD層和摻雜點(diǎn)技術(shù)和器件的候選材料。氮化物材料具有相對高的間隙且相對難摻雜，因此特別有益于摻雜點(diǎn)的利用。
根據(jù)本發(fā)明的一種形式，將說明形成半導(dǎo)體器件的方法，包括步驟如下提供多個(gè)半導(dǎo)體層；提供用于將信號耦合到器件的多層和/或從器件的多層耦合信號的裝置；提供設(shè)置在器件的相鄰層之間的量子阱；提供設(shè)置在一個(gè)該相鄰層中的量子點(diǎn)層，且該量子點(diǎn)層與量子阱隔開，因此載流子能夠以任意方向在量子阱和量子點(diǎn)之間隧穿。在形成本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，量子點(diǎn)層通過阻擋層與所述量子阱隔開，該阻擋層的厚度在約5埃到100埃的范圍內(nèi)。在本實(shí)施例中，提供量子點(diǎn)層的步驟包括提供摻雜的量子點(diǎn)。還在本實(shí)施例中，提供摻雜點(diǎn)的步驟包括對于n型摻雜提供點(diǎn)摻雜的濃度至少為N＝1015/cm3，對于p型摻雜提供點(diǎn)摻雜的濃度至少為N＝1016/cm3。另外在本實(shí)施例中，提供點(diǎn)的步驟包括提供點(diǎn)的平均尺寸為高度在10到100埃和直徑在10到200埃的范圍，且平均密度在1010到1012每平方厘米的范圍內(nèi)。
根據(jù)本發(fā)明的另一形式，提供一種半導(dǎo)體器件，包括多個(gè)半導(dǎo)體層；用于將信號耦合到器件的多層和/或從器件的多層耦合信號的裝置；設(shè)置在器件的相鄰層之間的量子阱；和設(shè)置在一個(gè)該相鄰層中的量子點(diǎn)層，且該量子點(diǎn)層與量子阱隔開，因此載流子能夠以任意方向在量子阱和量子點(diǎn)之間隧穿。
根據(jù)本發(fā)明的另一形式，提供一種半導(dǎo)體器件，包括多個(gè)III-V半導(dǎo)體層；用于將信號耦合到器件的多層和/或從器件的多層耦合信號的裝置；設(shè)置在多層的至少一層中的摻雜的量子點(diǎn)層，作為能夠以任一方向在點(diǎn)和另一層之間互通的載流子源。
本發(fā)明的其它方面和優(yōu)點(diǎn)將結(jié)合附圖、通過以下的詳細(xì)描述，變得顯而易見。


圖1是在器件中具有緊靠著量子阱層設(shè)置的量子點(diǎn)層時(shí)，載流子在QW內(nèi)部的傳輸和通過載流子的隧穿在QD-QW相互之間的傳輸(在兩個(gè)方向)的示意圖。
圖2和3分別是兩個(gè)具有緊靠著量子阱并與量子阱耦合的量子點(diǎn)的發(fā)光器件III-V量子阱異質(zhì)結(jié)的能量圖。
圖4是利用摻雜點(diǎn)的III-V偽同晶場效應(yīng)晶體管器件的能量圖。
圖5表示制造的具有量子點(diǎn)層(無耦合的量子阱)的III-V異質(zhì)結(jié)的實(shí)驗(yàn)器件的試樣。
圖6和7表示制造的具有耦合的量子阱和量子點(diǎn)層的III-V異質(zhì)結(jié)的實(shí)驗(yàn)器件的試樣。
圖8是III-V耦合的QD-QW異質(zhì)結(jié)激光器的示意圖。
圖9是本發(fā)明另一實(shí)施例的能量圖。
圖10表示本發(fā)明另一實(shí)施例的脈沖激勵(lì)光譜。
圖11表示本發(fā)明另一實(shí)施例的復(fù)合輻射光譜。
圖12表示本發(fā)明另一實(shí)施例L-I特征。
圖13表示本發(fā)明另一實(shí)施例的能量圖。
具體實(shí)施例方式
圖1是在器件中具有緊靠著量子阱層設(shè)置的量子點(diǎn)層時(shí)，載流子在QW內(nèi)部的傳輸和通過載流子的隧穿在QD-QW相互之間的傳輸(在兩個(gè)方向)的示意圖。在圖1中，垂直方向表示能級，x方向是器件層平面的法線。110表示量子阱的互通層，120表示量子點(diǎn)，量子阱能態(tài)標(biāo)記為E1QW和E2QW，量子點(diǎn)的能態(tài)標(biāo)記為E1QD。雙箭頭111表示QW的內(nèi)部傳輸，箭頭121表示在QW-QD之間兩個(gè)方向的傳輸。從圖中看到，例如，電子能夠從量子點(diǎn)隧穿到量子阱層，在量子阱層中傳輸，并且再隧穿回另一量子點(diǎn)中。在這種方式下，例如，電荷可以從量子點(diǎn)得到松脫，并在點(diǎn)的波導(dǎo)區(qū)域中從點(diǎn)到點(diǎn)移動(dòng)，來增加復(fù)合輻射發(fā)射。
圖2和3分別是兩個(gè)具有緊靠著量子阱并與量子阱耦合的量子點(diǎn)的發(fā)光器件III-V量子阱異質(zhì)結(jié)的能量圖。
圖2的器件具有分別為p和n型的InAlP限制層(210，280)、定義了波導(dǎo)區(qū)的In(AlGa)P引導(dǎo)層(220，270)、InGaP量子阱(250)、表示了量子阱的狀態(tài)、和InP量子點(diǎn)層(255)、也表示了量子點(diǎn)的狀態(tài)。
圖3的器件具有分別為p和n型的AlyGa1-yAs和AlxGa1-xAs包層(310，315和380，375)、定義了波導(dǎo)區(qū)的GaAs引導(dǎo)層(320，370)、InGaP量子阱(350)、表示了量子阱的狀態(tài)、和InGaP量子點(diǎn)層(355)、也表示了量子點(diǎn)的狀態(tài)。
圖4是利用摻雜點(diǎn)的III-V偽同晶場效應(yīng)晶體管器件的能量圖。圖4的器件具有例如InGaP或AlGaAs的晶體表面410，其上沉積有金屬柵電極。在InGaP或AlGaAs薄阻擋層中的InAs摻雜點(diǎn)420緊密地與GaAs上的InGaAs量子阱(包括通道一起)隔開。
圖5表示制造的具有量子點(diǎn)層(無耦合的量子阱)的III-V異質(zhì)結(jié)的實(shí)驗(yàn)器件的樣品。圖5A、5B、5C和5D表示實(shí)驗(yàn)使用的3個(gè)樣品的層狀結(jié)構(gòu)，表示了傳統(tǒng)量子點(diǎn)器件的基線。圖5A和5B的樣品具有一個(gè)量子點(diǎn)層，圖5C的樣品具有多個(gè)量子點(diǎn)層。在這些和隨后的樣品中，In(AlGa)P層是In0.5(AlxGa1-x)l0.5P。
圖6和7表示制造的具有量子阱和量子點(diǎn)層耦合的III-V異質(zhì)結(jié)的實(shí)驗(yàn)器件的樣品。在圖6A中，樣品具有一個(gè)量子點(diǎn)層和一個(gè)量子阱互通層。圖6B樣品具有多個(gè)量子點(diǎn)和量子阱之間的互通層。圖7樣品具有多個(gè)與量子阱層之間互通的量子點(diǎn)層。
圖8是III-V耦合的QD-QW異質(zhì)結(jié)激光器的示意圖。該結(jié)構(gòu)與圖6B的樣品類似，在InP量子點(diǎn)層之間具有一個(gè)InGaP互通量子阱層。在圖8中，層810和890分別是n型和p型In0.5Al0.5P下和上包層。層820和880分別是In0.5(AlxGa1-x)0.5P下和上波導(dǎo)層。InP量子點(diǎn)分別表示為825和875，并且通過In0.5(AlxGa1-x)0.5P薄阻擋層835和865由In0.5Ga0.5P量子阱互通層分開。GaAs襯底和緩沖層表示為807和808，GaAs管帽層可沉積在890層上。也可應(yīng)用適合的涂敷金屬。本實(shí)施例中，量子阱的厚度在20到100埃范圍內(nèi)，阻擋層在5到15單分子層范圍內(nèi)。波導(dǎo)的厚度是約1000埃。
在G.Walter，N.Holonyak，Jr.，J.Ryou和R.Dupuis，的Appl.Phys.Lett.79，1956(2001.9)中，我們提出數(shù)據(jù)證明連續(xù)300K光泵浦的InP量子點(diǎn)的InP-In(AlGa)P-InAlP異質(zhì)結(jié)激光器的工作(656-679nm)，根據(jù)其原理，通過金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積生長。
在G.Walter，N.Holonyak，Jr.，J.Ryou和R.Dupuis，的Appl.Phys.Lett.79，3215(2001.11)中，我們提出數(shù)據(jù)表示p-n InP-In0.5Ga0.5P-In0.5(Al0.3Ga0.2)P-In0.5Al0.5P量子點(diǎn)(QD)異質(zhì)結(jié)二極管，具有通過一個(gè)In(AlGa)P阻擋層(～20)與一個(gè)QD層耦合的-20InGaP量子阱輔助，以達(dá)到載流子聚集，根據(jù)其理論，除沒有QW輔助的相同二極管的情況外，該二極管具有陡峭的電流—電壓特性。
在G.Walter，T.Chung，和N.Holonyak，Jr.的Appl.Phys.Lett.80，1126(2002.2)中，所給出的數(shù)據(jù)表示在AlGaAs-GaAs-InGaAs-InAs異質(zhì)結(jié)系統(tǒng)中改進(jìn)增益和連續(xù)波(cw)的一個(gè)單層InAs量子點(diǎn)(QD)激光器，該激光器通過隧穿，InGaAs量子阱應(yīng)變層的輔助，由于與單InAs QD層耦合，在室溫下工作，根據(jù)其原理，促使載流子的聚集和熱化。證明一個(gè)QW協(xié)助的單層InAs QD+QW激光器產(chǎn)生cw(300K)，和一個(gè)在脈沖工作下二極管長度為150μm，顯示增益為～100cm-1。
對于量子點(diǎn)層的形成，可參考T.Chung，G.Walter，和N.Holonyak，Jr.的Appl.Phys.Lett.，97，4500(2001.12)制造，其中提出的數(shù)據(jù)表示，除改進(jìn)了載流子的聚集外，對在AlGaAs-GaAs-InGaAs-InAs異質(zhì)結(jié)激光器的單量子點(diǎn)(QD)層的隧穿距離內(nèi)有利于定位應(yīng)變—匹配輔助InGaAs層(量子阱)，以實(shí)現(xiàn)具有較高密度和均勻性的同時(shí)較小尺寸的QD。
根據(jù)其原理，在S.Chuang，和N.Holonyak，Jr.的Appl.Phys.Lett.，80，1270(2002.2)中描述了QD加QW器件的理論分析。器件中隧穿的附加需求表示的計(jì)算不妨礙點(diǎn)狀態(tài)的分布。
在另一實(shí)施例中，通過諧振隧穿，由未變形的70InGaP QW(～654nm峰值)的基態(tài)與7.5ML(單分子層)InP QD(～654nm)的聚集的(隨機(jī)的)第一激態(tài)耦合，來改進(jìn)器件的增益和性能。用InP QD+InGaP QW耦合的p-n InP-InGa P-In(AlGa)P-InAlP異質(zhì)結(jié)實(shí)現(xiàn)在～654nm工作的高效300K cw激光器。
InP QD+InGaP QW耦合的異質(zhì)結(jié)由金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)生長。AlGaAs/InAlP包層/InAlGaP引導(dǎo)層和阻擋層/InGaP量子阱/InP量子點(diǎn)異質(zhì)結(jié)在Si摻雜GaAs(100)同軸襯底上通過低壓MOCVD，在改良的EMCORE GS3200-UTM反應(yīng)器中，在60Torr的壓力和生長溫度為650℃下完成，使用凈化的三甲基銦、三乙基鎵和三鎵基鋁鎵合物為III柱狀源，且高凈化100％砷化氫和磷化氫為V群源，用凈化的H2作為運(yùn)載氣體。摻雜劑源是乙硅烷(n型)和雙(環(huán)戊二烯基)鎂(p型)。外延層的生長首先包括n型(Si)高摻雜GaAs緩沖層，接著是n型(Si)In0.5Al0.5P下包層(600nm)，跟著是未摻雜波導(dǎo)和有源區(qū)，所述有源區(qū)包括通過薄In0.5Al0.3Ga0.2P阻擋層(2nm)與InP QD(7.5ML)耦合的In0.5Ga0.5P QW(7nm)的每一側(cè)上的兩個(gè)In0.5Al0.3Ga0.2P引導(dǎo)層(120nm)。然后，在該結(jié)構(gòu)的頂部有一個(gè)p型(Mg摻雜)In0.5Al0.5P包層(600nm)、用于條形幾何形狀氧化的p型(Mg)Al0.85Ga0.15As層(200nm)和p型(Mg)GaAs接觸層(100nm)。
對于QD+QW激光二極管，首先在晶體上通過構(gòu)筑12μm SiN4保護(hù)條紋圖案進(jìn)行其制造。然后通過淺濕法蝕刻曝光p型Al0.85Ga0.15As氧化層，且在供應(yīng)有N2+H2O的爐中在430℃下氧化20分鐘(參見J.M.Dallesasse，N.Holonyak，Jr.，A.R.Sugg，T.A.Richard，和N.EL-Zein，Appl.Phys.Lett.，57，2844(1990))，結(jié)果形成-10μm無氧化條狀限制電流孔和波導(dǎo)寬度。除去頂部的10μm保護(hù)條紋(SiN4)并且樣品然后用Au-Ge使n型側(cè)金屬化疊加～100μm，用Ti-Au使p型側(cè)金屬化疊加～100μm。切割二極管樣品，p型側(cè)向下夾在In涂覆的Cu熱沉上，測試二極管探頭。對于QD參考樣品(無QW)的制造(上述)描述在G.Walter，N.Holonyak，Jr.，J.H.Ryou和R.D.Dupuis，的Appl.Phys.Lett.79，3215(2001)中。
就載流子俘獲時(shí)間(τ’QW＜＜τ’QD)和載流子到基態(tài)的馳豫時(shí)間(τQW＜＜τQD)來說，橫向連續(xù)的(x，y連接)QW優(yōu)于QD。另外，與QD是空間地分離不同，橫向連續(xù)的QW(僅具有z限制)允許載流子橫向有效地重新分布(例如，提供載流子“空穴”燃燒)。通過QW與QD層如圖9所示的耦合，能夠達(dá)到快速地將載流子“供給”到QD中。由于縮短俘獲時(shí)間，由QW顯著地俘獲載流子，且隨后快速地衰減到QW的基態(tài)，隧穿(參見S.L.Chuang和N.Holonyak，Jr.，的Appl.Phys.Lett.80，1270(2002))到QD中并在QD中復(fù)合。QD狀態(tài)的不連續(xù)，因?yàn)樗泶詈?，提高QW+QD系統(tǒng)的復(fù)合性能。由于QD的空間分離，沿QW平面復(fù)合的增加形成“優(yōu)選的”復(fù)合中心(“最有效的復(fù)合點(diǎn)”)和某些模度的選擇。阻擋層和其性質(zhì)成為QW到QD或者QD到QW增加復(fù)合的設(shè)計(jì)參數(shù)(當(dāng)然，同樣QD和QW的尺寸也是設(shè)計(jì)參數(shù))。
為了比較的目的，圖10表示100μm寬單層7.5ML QD二極管(無)的400μm長脈沖激勵(lì)(3％工作循環(huán))復(fù)合光譜。曲線(a)、(b)和(c)表示在電流增加時(shí)，QD二極管的帶填充。帶填充的峰值出現(xiàn)在～655nm。類似QD+QW異質(zhì)結(jié)的二極管和光泵浦特性也證實(shí)聚集的QD狀態(tài)出現(xiàn)在～655nm頻帶處(參見G.Walter，N.Holonyak，Jr.，J.H.Ryou和R.D.Dupuis，的Appl.Phys.Lett.79，3215(2001)；J.H.Ryou，R.D.Dupuis，G.Walter，D.A.Kellogg，N.Holonyak，Jr.，D.T.Mathes，R. Hull，C.V.Reddy，和V.Narayanamurti，Appl.Phys.Lett.78，4091(2001)；J.H.Ryou，R.D.Dupuis，G.Walter，D.A.Kellogg，N.Holonyak，Jr.，D.T.Mathes，R.Hull，C.V.Reddy，和V.Narayanamurti)。曲線(d)取自QD+QW二極管已經(jīng)增加時(shí)作為參考，來表示在兩種情況下如何增加帶填充，即只有QD對照改變形狀的QW+QD的情況。
圖11表示10μm寬QD+QW激光器的530μm長復(fù)合輻射光譜。7.5ML InP QD層通過20In0.5Al0.3Ga0.2P隧穿阻擋層與70InGaPQW耦合。設(shè)計(jì)QW使其具有光譜峰值，且在～654nm處QW-QD諧振增加。通過QW與QD的高狀態(tài)而不是低狀態(tài)耦合，QW-QD的復(fù)合增加是顯而易見的。如曲線(a)和(b)所示，在低電流長波長時(shí)，QD的復(fù)合輻射是明顯的，與有效的QW載流子俘獲和隧道傳輸?shù)降湍軓?fù)合支持的QD一致?？墒?，與圖10的QD二極管不同，帶填充過程趨于飽和(峰值在682nm)并形成變化。在該能量下，窄波長峰值出現(xiàn)在654nm的諧振區(qū)域。在654nm窄光譜峰值在電流增加上連續(xù)增加，激光器的閾值出現(xiàn)在82mA處。曲線(e)表示QD+QW激光二極管在99mA時(shí)開始單模工作。
圖12表示圖11的InP QD+InGaP QW激光器的L-I特征。由于相對弱的熱沉限制了11mW/晶面的峰值功率。從88mA到94mA觀測到穩(wěn)定的單模工作。電流超過94mA或者～2.9mW/晶面，我們看到在較長波長處出現(xiàn)另一激光模式，熱的影響。超過100mA該激光器在兩種模式下工作。對于工作在20到60℃溫度范圍的圖12的器件，在137K特征溫度測量時(shí)，外部量子效率ηext是42％。可以觀測到400μm和1050μm波長器件的單模性能。
圖13是利用多個(gè)量子阱的本發(fā)明另一實(shí)施例的能量圖，它能夠用于提高量子阱的能態(tài)。在這種方式下，量子點(diǎn)層的高能態(tài)能夠與多量子阱耦合。有利于輸出光輻射的允許的光譜選擇。
權(quán)利要求
1.一種形成半導(dǎo)體器件的方法，包括步驟如下提供多個(gè)半導(dǎo)體層；提供用于將信號耦合到所述器件的多層和/或從所述器件的多層耦合信號的裝置；提供設(shè)置在所述器件的相鄰層之間的量子阱；提供設(shè)置在一個(gè)所述相鄰層中的量子點(diǎn)層，且該量子點(diǎn)層與所述量子阱隔開，因此載流子能夠以任意方向在所述量子阱和所述量子點(diǎn)之間隧穿。
2.由權(quán)利要求1限定的方法，其中所述提供多個(gè)半導(dǎo)體層的步驟包括通過III-V半導(dǎo)體層。
3.由權(quán)利要求2限定的方法，其中提供量子阱層和量子點(diǎn)層的步驟包括提供所述III-V半導(dǎo)體層。
4.由權(quán)利要求3限定的方法，其中所述量子點(diǎn)層通過III-V半導(dǎo)體層的阻擋層與所述量子阱隔開，其中所述阻擋層的厚度在約5埃到100埃的范圍內(nèi)。
5.由權(quán)利要求2或3限定的方法，其中提供量子點(diǎn)層的所述步驟包括提供未摻雜的量子點(diǎn)。
6.由權(quán)利要求2或3限定的方法，其中提供量子點(diǎn)層的所述步驟包括提供摻雜n型的量子點(diǎn)。
7.由權(quán)利要求2或3限定的方法，其中提供量子點(diǎn)層的所述步驟包括提供摻雜p型的量子點(diǎn)。
8.由權(quán)利要求6限定的方法，其中提供摻雜n型點(diǎn)的所述步驟包括提供摻雜的點(diǎn)濃度至少為N＝1015/cm3。
9.由權(quán)利要求7限定的方法，其中提供摻雜p型點(diǎn)的所述步驟包括提供摻雜的點(diǎn)濃度至少為N＝1016/cm3。
10.由權(quán)利要求1到9任意一個(gè)限定的方法，其中提供點(diǎn)的所述步驟包括提供點(diǎn)的平均尺寸為高度在10到100埃和直徑在10到200埃的范圍。
11.由權(quán)利要求1到10任意一個(gè)限定的方法，其中提供點(diǎn)的所述步驟包括提供具有平均密度在1010到1012每平方厘米范圍的點(diǎn)。
12.由權(quán)利要求1到11任意一個(gè)限定的方法，其中形成半導(dǎo)體器件的方法包括形成半導(dǎo)體發(fā)光器的方法。
13.由權(quán)利要求1到11任意一個(gè)限定的方法，其中形成半導(dǎo)體器件的方法包括形成半導(dǎo)體激光器的方法。
14.由權(quán)利要求1到11任意一個(gè)限定的方法，其中形成半導(dǎo)體器件的方法包括形成晶體管的方法。
15.由權(quán)利要求1到11任意一個(gè)限定的方法，其中形成半導(dǎo)體器件的方法包括形成場效應(yīng)晶體管的方法。
16.由權(quán)利要求1到11任意一個(gè)限定的方法，其中形成半導(dǎo)體器件的方法包括形成半導(dǎo)體探測器的方法。
17.由權(quán)利要求1或4限定的方法，其中提供量子阱的所述步驟進(jìn)一步包括提供多個(gè)量子阱。
18.由權(quán)利要求1、4或17限定的方法，其中提供量子點(diǎn)層的所述步驟進(jìn)一步包括提供多個(gè)量子點(diǎn)層的步驟。
19.一種形成半導(dǎo)體器件的方法，包括步驟如下提供多個(gè)III-V半導(dǎo)體層；提供用于將信號耦合到所述器件的多層和/或從所述器件的多層耦合信號的裝置；提供設(shè)置在作為載流子源的所述多層的至少一層中的摻雜的量子點(diǎn)層，該量子點(diǎn)層能夠以任一方向在所述點(diǎn)和另一層之間互通。
20.由權(quán)利要求19限定的方法，其中提供摻雜的量子點(diǎn)層的所述步驟包括提供III-V半導(dǎo)體量子點(diǎn)層。
21.由權(quán)利要求19限定的方法，其中提供摻雜的量子點(diǎn)層的所述步驟包括提供量子點(diǎn)，所述量子點(diǎn)在設(shè)置量子點(diǎn)的至少一個(gè)半導(dǎo)體層中是晶格匹配的。
22.由權(quán)利要求20限定的方法，其中提供摻雜的量子點(diǎn)層的所述步驟包括提供量子點(diǎn)，所述量子點(diǎn)在設(shè)置量子點(diǎn)的至少一個(gè)半導(dǎo)體層中不是晶格匹配的。
23.由權(quán)利要求19到22限定的方法，其中提供量子點(diǎn)層的所述步驟包括提供摻雜n型的量子點(diǎn)。
24.由權(quán)利要求19到22限定的方法，其中提供量子點(diǎn)層的所述步驟包括提供摻雜p型的量子點(diǎn)。
25.由權(quán)利要求19到23限定的方法，其中提供摻雜n型點(diǎn)的所述步驟包括提供摻雜的點(diǎn)濃度至少為N＝1015/cm3。
26.由權(quán)利要求24限定的方法，其中提供摻雜p型點(diǎn)的所述步驟包括提供摻雜的點(diǎn)濃度至少為N＝1016/cm3。
27.由權(quán)利要求19到24任意一個(gè)限定的方法，其中提供點(diǎn)的所述步驟包括提供點(diǎn)的平均尺寸為高度在10到100埃和直徑在10到200埃的范圍。
28.由權(quán)利要求19到24任意一個(gè)限定的方法，其中提供點(diǎn)的所述步驟包括提供具有平均密度在1010到1012每平方厘米范圍的點(diǎn)。
29.一種半導(dǎo)體器件，包括多個(gè)半導(dǎo)體層；用于將信號耦合到所述器件的多層和/或從所述器件的多層耦合信號的裝置；設(shè)置在所述器件的相鄰層之間的量子阱；和設(shè)置在一個(gè)所述相鄰層中的量子點(diǎn)層，且該量子點(diǎn)與所述量子阱隔開，因此載流子能夠以任意方向在量子阱和量子點(diǎn)之間隧穿。
30.一種半導(dǎo)體器件，包括多個(gè)III-V半導(dǎo)體層；用于將信號耦合到所述器件的多層和/或從所述器件的多層耦合信號的裝置；和設(shè)置在多層的至少一層中的摻雜的量子點(diǎn)層，該量子點(diǎn)層作為能夠以任一方向在點(diǎn)和另一層之間互通的載流子源。
全文摘要
一種形成半導(dǎo)體器件的方法包括如下步驟提供多個(gè)半導(dǎo)體層；提供用于將信號耦合到所述器件的多層和/或從所述器件的多層耦合信號的裝置；提供設(shè)置在所述器件的相鄰層之間的量子阱；和提供設(shè)置在一個(gè)所述相鄰層中的量子點(diǎn)(825，875)層，且該量子點(diǎn)層與所述量子阱隔開，因此載流子能夠以任意方向在所述量子阱和所述量子點(diǎn)之間隧穿。
文檔編號H01S5/34GK1555570SQ02818270
公開日2004年12月15日 申請日期2002年7月31日 優(yōu)先權(quán)日2001年7月31日
發(fā)明者N·小霍隆亞克, R·杜普依斯, N 小霍隆亞克, 找浪 申請人:伊利諾斯州大學(xué)管理委員會, 德克薩斯州系統(tǒng)大學(xué)管理委員會