一種調控半導體量子阱材料平面光學各向異性的方法
【專利摘要】本發明涉及一種調控半導體量子阱材料平面光學各向異性的方法。該方法通過改變插入在半導體量子阱上界面的超薄InAs層的厚度，有效調控半導體量子阱的平面光學各向異性。該方法簡單易行，成本低廉，且調控效果明顯，調控范圍較大。
【專利說明】一種調控半導體量子阱材料平面光學各向異性的方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于半導體材料光學調控【技術領域】，特別是一種調控半導體量子阱材料平面光學各向異性的方法。
【背景技術】
[0002]人們很早就發現沿[001]方向生長的II1-V族量子阱材料在生長方向和垂直于生長方向上的光學性質有很大的差異，即存在TE和TM兩種偏振模式。但通常認為它在生長面(SP (001)面)內的光學性質是各向同性的。然而，最近十幾年的研究表明，在(001)面生長的閃鋅礦半導體量子阱在生長平面內具有光學各向異性。我們將這種出現在生長平面內的光學各向異性稱為平面光學各向異性。這種平面光學各向異性主要是由內建電場、非對稱的異質界面、原子偏析、組分漸變、殘余應力等因素引起。這些因素破壞了體系的對稱性，弓丨起輕重空穴的混合，從而導致平面光學各向異性。平面光學各向異性可以用這個式子來描述:Lr Ir:l (r [H0]-T [no]) / (r [IlO]+^r [HO])。其中，了 [110] 表示當入射光的偏振方向沿著[110]晶向時樣品的反射系數。若量子阱的阱層和壘層沒有共同的陰離子或陽離子，比如GaAs/InP量子阱，則此類量子阱具有較強的平面光學各向異性，通常在10_3量級，可以用光熒光或者光吸收來測量。對于阱層和壘層有共同陰離子或陽離子的量子阱，比如GaAs/AlGaAs量子阱，它們的平面光學各向異性較小，一般在10_5的量級。用通常的光熒光技術以及光吸收光譜技術很難探測得到。這時候通常需要采用靈敏度較高的反射差分光譜技術，其靈敏度可以達到10_5。對半導體量子阱材料的平面光學各向異性進行主動調控，對于探索出偏振可控的新型光電子器件以 及解決現有的一些光電器件在性能提高上遇到的問題，如研制偏振穩定的垂直腔面發射激光器，具有十分重要的意義。
[0003]目前有文獻報道，可以通過改變量子阱的阱寬、改變量子阱中勢壘層調制摻雜位置以及外加應變對半導體量子阱材料的平面光學各向異性進行調控。然而，通過阱寬對量子阱的平面光學各向異性進行調控，其調控的幅度比較小，比如對GaAs/AlGaAs量子阱，大致調控的范圍為8X10_5到1X10_5。通過改變量子阱的勢壘中調制摻雜的位置來調控其平面光學各向異性的方法，成本較高，難度也較大。通過外加應力的方法來調控半導體量子阱的平面光學各向異性，需要配置特殊的施加應力的裝置，而且容易對樣品造成損傷。
【發明內容】
[0004]本發明的目的在于提供一種調控半導體量子阱材料平面光學各向異性的方法，其采用在半導體量子阱的一個界面上插入厚度為原子層量級的InAs層，并通過改變InAs層的厚度，來達到簡便快捷且有效的調控半導體量子阱的平面光學各向異性的目的。
[0005]為實現上述目的，本發明的技術方案是:一種調控半導體量子阱材料平面光學各向異性的方法，所測量的樣品為生長于(001)面閃鋅礦結構半導體材料上的半導體量子阱樣品；所述半導體量子阱樣品為單晶結構；在所述半導體量子阱樣品的阱層與壘層插入InAs層；所述InAs層的厚度為原子層級別。[0006]在本發明實施例中，所述InAs層的材料與所述半導體量子阱的阱層及壘層的材料不同；所述InAs層的材料不進行摻雜。
[0007]在本發明實施例中，所述InAs層的厚度范圍為0.5個原子層至η個原子層，其中，η為大于0.5的正數。
[0008]在本發明實施例中，所述半導體量子阱的阱寬為納米量級。
[0009]在本發明實施例中，所述半導體量子阱的帶階分布屬于I型結構，即電子和空穴被限制在同一種材料中。
[0010]相較于現有技術，本發明具有以下有益效果:
1、本發明提供的這種調控半導體量子阱材料平面光學各向異性的方法，十分簡單易行，成本低廉，有利于日后推廣應用；
2、本發明提供的這種調控半導體量子阱材料平面光學各向異性的方法，調控效果明顯，調控范圍較大，光學各向異性可以在10_5到10_3范圍內調控；
3、本發明提供的調控半導體量子阱材料平面光學各向異性的方法，其調控效果穩定且持久。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0011]圖1是本發明提供一種調控半導體量子阱材料平面光學各向異性方法的一個實施例中的其中一個半導體量子阱樣品(記為樣品Α)的結構示意圖；其中，I為(001)面半絕緣GaAs襯底，50為200納米(nm)的GaAs緩沖層，2、5、8、11為20納米厚的Ala35Gaa65As勢壘層材料，3、6、9分別是厚度為8納米、6納米、2納米的GaAs勢壘層材料，4、7、10為插入的厚度為0.5個原子層的InAs層材料，樣品中的所有材料都沒有摻雜。
[0012]圖2是本發明提供一種調控半導體量子阱材料平面光學各向異性方法的一個實施例中的另一個半導體量子阱樣品(記為樣品B)的結構示意圖；其中，13、14、15均為插入在量子阱界面上的InAs層材料，其厚度為I個原子層，其他層的材料與圖1所示相同。
[0013]圖3是本發明提供一種調控半導體量子阱材料平面光學各向異性方法的一個實施例中的第三個半導體量子阱樣品(記為樣品C)的結構示意圖；其中，16、17、18為插入在量子阱界面上的InAs層材料，其厚度為1.5個原子層，其他層的材料與圖1所示相同。
[0014]圖4是本發明采用的測量半導體量子阱樣品平面光學各向異性的反射差分光譜儀測試系統的示意圖；它是由鎢燈光源41、斬波器42、單色儀43、起偏器44、光彈性調制器45、樣品46、檢偏器47、探測器48和三臺鎖相放大器49、410和411組成。
[0015]圖5是本發明的一個實施例中的樣品A、B、C所對應的平面光學各向異性譜線；其中，曲線19、20、21分別為樣品A、B、C的平面光學各向異性譜線；圖中箭頭22、24、26分別指示阱寬為8、6、2納米的量子阱的第一重空穴子帶到第一電子子帶躍遷(記為IHlE躍遷)的能量位置，箭頭23、25、27分別指示阱寬為8、6、2納米的量子阱的第一輕空穴子帶到第一電子子帶躍遷(記為ILlE躍遷)的能量位置。
[0016]圖6是由圖4得到的樣品A、B、C中的量子阱的平面光學各向異性隨InAs插入層厚度的變化譜線圖；其中的平面光學各向異性是指量子阱中IHlE和ILlE躍遷的平面光學各向異性的絕對值的和；圖中51、52、53分別表示實驗測得的阱寬為2、6、8納米的量子阱的平面光學各向異性，曲線61、62、63表示理論計算得到的阱寬為2、6、8納米的半導體量子阱的平面光學各向異性隨InAs插入層厚度的變化情況。
[0017] 圖7是本發明采用的對半導體量子阱樣品施加外加應力的裝置示意圖；其中，71為切成長條狀的半導體量子阱樣品，其長寬比大于3 ；72為旋鈕，73為螺桿，擰動旋鈕72可以帶動螺桿向前運動，從而將樣品頂彎來施加應力。
[0018]圖8是本發明一個實施例中的樣品A、B、C所對應的由應變引起的平面光學各向異性隨應變的變化情況；圖中只標出了阱寬為6nm的半導體量子阱的情況；其中，ε ο=2.7Χ 10-5 ;81、82、83分別表示InAs插入層厚度為0.5,1.0,1.5原子層(ML)情況下的實驗測得的半導體量子阱的平面光學各向異性隨應變的變化情況；84、85、86分別表示InAs插入層厚度為0.5、1.0、1.5原子層(ML)情況下的理論計算得到的半導體量子阱的平面光學各向異性隨應變的變化情況。
【具體實施方式】
[0019]下面結合附圖，對本發明的技術方案進行具體說明。
[0020]本發明一種調控半導體量子阱材料平面光學各向異性的方法，所測量的樣品為生長于(001)面閃鋅礦結構半導體材料上的半導體量子阱樣品；所述半導體量子阱樣品為單晶結構；在所述半導體量子阱樣品的阱層與壘層插入InAs層；所述InAs層的厚度為原子層級別。
[0021]本實施例中，所述InAs層的材料與所述半導體量子阱的阱層及壘層的材料不同；所述InAs層的材料不進行摻雜；所述InAs層的厚度范圍為0.5個原子層至η個原子層，其中，η為大于0.5的正數；所述半導體量子阱的阱寬為納米量級；所述半導體量子阱的帶階分布屬于I型結構，即電子和空穴被限制在同一種材料中。
實施例
[0022]圖1是本實施例中樣品A的半導體量子阱結構示意圖。它是通過分子束外延設備生長的。首先在(001)面半絕緣GaAs襯底I上生長200nm的GaAs緩沖層50，接著生長20nm的Ala35Gaa65As勢魚層2,再生長8nmGaAs勢講層3,然后生長0.5個原子層厚度的InAs層4,接著依次生長20nm的Ala35Gaa65As勢魚層5、6nmGaAs勢講層6、0.5個原子層厚度的InAs層7,然后依次生長20nm的Ala35Gaa65As勢魚層8、2nmGaAs勢講層9、0.5個原子層厚度的InAs層10和20nm的Ala35Gaa65As勢壘層11，最后生長厚度為IOOnm的GaAs蓋層12。GaAs、Ala35Gaa65As層的生長溫度均為580 C，InAs層的生長溫度為500° C。樣品中所有的材料都沒有進行摻雜。此樣品的平面光學各向異性譜線如圖5中曲線19所示。這些譜線是由反射差分光譜儀在室溫下測得的。反射差分光譜測試系統如圖4所示。其中，鎢燈光源41的功率為200W，斬波器42的斬波頻率為230Hz，光彈性調制器45的主軸方向沿水平面方向，調制頻率為50KHz，起偏器44的主軸與水平方向成45度，檢偏器47的主軸方向沿水平方向，探測器48為Si探測器。樣品的主軸方向即[110]和[I TO]方向與水平方向成45度。反射光線和入射光線的夾角小于10度。從鎢燈光源41出來的光，經過斬波器42，再經過單色儀43變成單色光，再經過起偏器44變成線偏振光，其偏振方向與水平方向成45度，然后經過光彈性調制器45，照射在樣品46上。經過樣品反射的光經過檢偏器47后被探測器48探測。探測的信號分別接入三臺鎖相放大器49、410、411。鎖相放大器49的參考信號來自斬波器42，故其測量由斬波器調制的信號。鎖相放大器410的參考信號是光彈性調制器45的I倍頻信號，故其測量由光彈性調制器調制的I倍頻信號。鎖相放大器411的參考信號是光彈性調制器45的2倍頻信號，故其測量由光彈性調制器調制的2倍頻信號。由反射差分光譜測試系統可以獲得樣品的平面光學各向異性信號。其中，平面光學各向異性定義為Δ^.Λ.=2 (r[11Q]-r[11(l])/(r[11(l]+r[11(l])。表示當入射光的偏振方向沿著[110]晶向時樣品的反射系數。圖5中的箭頭22、24、26分別指示阱寬為8、6、2納米的量子阱的IHlE躍遷的能量位置，箭頭23、25、27分別指示阱寬為8、6、2納米的量子阱的ILlE躍遷的能量位置。從圖5中可以看出，隨著InAs插入層厚度的增加，IHlE和ILlE躍遷的能量位置發生了輕微的紅移。
[0023]圖2是本實施例中的樣品B的半導體量子阱結構示意圖。除了插入的InAs層13、14、15的厚度為I個單原子層外，其他條件與樣品A完全相同。此樣品的平面光學各向異性譜線如圖5中曲線20所示。為了能夠清楚呈現各條曲線，曲線在豎直方向上進行了平移。
[0024]圖3是本實施例中的樣品C的半導體量子阱結構示意圖。除了插入的InAs層16、17、18的厚度為1.5個單原子層外，其他條件與樣品A完全相同。此樣品的平面光學各向異性譜線如圖5中曲線21所示。
[0025]從圖5中可以得到不同阱寬的半導體量子阱的平面光學各向異性隨InAs插入層厚度的變化，其結果顯示在圖6中。圖6中顯示的平面光學各向異性是指量子阱中IHlE和ILlE躍遷的平面光學各向異性的絕對值的和。圖6中矩形符號51、圓形符號52、三角形符號53分別表示實驗測得的阱寬為2、6、8納米的量子阱的平面光學各向異性。從圖6可以看出，對于給定的量子阱寬度，比如固定阱寬為6nm，其平面光學各向異性強度隨InAs插入層厚度的增加而增大。從而實現了調控量子阱平面光學各向異性的目的。
[0026]半導體量子阱的平面光學各向異性主要是由輕重空穴的混合引起的，而輕重空穴的混合又是由體系的對稱性降低引起的。在理論上，半導體量子阱的平面光學各向異性可以通過6帶k*p理論進行模擬。其哈密頓量可表示為#=凡+#’，其中，慫為不考慮輕重空穴發生耦合的哈密頓量，為考慮輕重空穴耦合的微擾哈密頓量，它們可表示為:
【權利要求】
1.一種調控半導體量子阱材料平面光學各向異性的方法，其特征在于:所測量的樣品為生長于(OOl)面閃鋅礦結構半導體材料上的半導體量子阱樣品；所述半導體量子阱樣品為單晶結構；所述半導體量子阱樣品的阱層與壘層插入InAs層；所述InAs層的厚度為原子層級別。
2.根據權利要求1所述的一種調控半導體量子阱材料平面光學各向異性的方法，其特征在于:所述InAs層的材料與所述半導體量子阱的阱層及壘層的材料不同；所述InAs層的材料不進行摻雜。
3.根據權利要求1所述的一種調控半導體量子阱材料平面光學各向異性的方法，其特征在于:所述InAs層的厚度范圍為0.5個原子層至η個原子層，其中，η為大于0.5的正數。
4.根據權利要求1所述的一種調控半導體量子阱材料平面光學各向異性的方法，其特征在于:所述半導體量子阱的阱寬為納米量級。
5.根據權利要求1所述的一種調控半導體量子阱材料平面光學各向異性的方法，其特征在于:所述半導體量子阱的帶階分布屬于I型結構，即電子和空穴被限制在同一種材料中。
【文檔編號】H01L31/00GK103943689SQ201410187911
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2014年5月6日 優先權日:2014年5月6日
【發明者】俞金玲, 陳涌海, 湯晨光, 程樹英, 賴云鋒, 鄭巧 申請人:福州大學