一種由砷化鎵和銻化鎵覆蓋層調製的砷化銦量子點材料及其生長方法
2023-06-06 06:20:36
專利名稱：：一種由砷化鎵和銻化鎵覆蓋層調製的砷化銦量子點材料及其生長方法
技術領域：
：本發明涉及一種由砷化鎵(GaAs)和銻化鎵(GaSb)覆蓋層調製的砷化銦(InAs)量子點材料及其分子束外延生長方法。
背景技術：
：1.3微米半導體雷射器是光纖通訊系統中廣泛應用的關鍵光器件。目前商用產品是銦鎵砷磷(InGaAsP)/磷化銦(InP)雷射器，由於InGaAsP和InP折射率差異甚小，對有源區載流子的限制不足，導致雷射器溫度穩定性不好，最大特徵溫度僅70K左右。同時，用InGaAsP/InP材料難以製備垂直腔面發射類型的雷射器。因此，研究新型GaAs基近紅外發光材料是目前光電子研究領域的重要課題。自發現InAs/GaAs自組裝量子點具有長波長發光特性以來，1.3微米InAs/GaAs自組裝量子點材料成為開發GaAs基半導體長波長雷射器重要研究領域。其優越性在於量子點體系獨有的量子限制效應，可大幅度提高器件的溫度特性、降低功耗，同時可使用對有源區載流子限制更強的鋁鎵砷(AlGaAs)作為包裹層和波導層，使器件結構的設計更靈活。此外，還與GaAs基微電子器件工藝相兼容，易於製備垂直腔面發射雷射器。分子束外延是利用由源蒸發出的定向分子束或原子束在襯底上積澱生長結晶薄膜，從而使晶面平行向外延伸的一種多層超薄單晶薄膜製備技術。分子束外延生長技術被廣泛的應用於砷化鎵、砷化銦等m-v組化合物半導體的生長，其具體生長工藝可參見[BruceA.Joyce,TimB.Joyce,JournalofCrystalGrowth,264(2004)605"619;RichardJ.Warbuton,ContemporaryPhysic&43(2002)351-264]。自組裝量子點的外延結構設計和生長多種多樣，但量子點發光效率直接決定了雷射器能否獲得室溫連續工作模式。同時，量子點的尺寸不均勻性嚴重惡化雷射器的增益。在保障無缺陷外延生長的前提下，儘量提高量子點的面密度和均勻性是獲得高強度發光的最根本方法。
發明內容本發明的目的在於，提供了一種由砷化鎵和銻化鎵覆蓋層調製的砷化銦量子點材料及其分子束外延生長方法，獲得1.3微米砷化銦/砷化鎵尺寸均勻量子點材料，大幅度地提高量子點的均勻性，改善發光強度。本發明的由砷化鎵和銻化鎵覆蓋層調製的砷化銦量子點材料結構，包括一砷化鎵過渡層；一砷化銦自組裝量子點層，該量子點層設置在砷化鎵過渡層上；一第一砷化鎵覆蓋層，該第一砷化鎵覆蓋層設置在砷化銦自組裝量子點層上；一銻化鎵覆蓋層，該銻化鎵覆蓋層設置在第一砷化鎵覆蓋層上；一第二砷化鎵覆蓋層，該第二砷化鎵覆蓋層製作在銻化鎵覆蓋層上。其中，所述砷化銦自組裝量子點層的厚度為0.81nm。其中，所述第一砷化鎵覆蓋層的厚度為0.84nm。其中，所述銻化鎵覆蓋層的厚度為0.61nm。其中，所述第二砷化鎵覆蓋層的厚度為40nm。進一步地，本發明的1.3微米的均勻量子點結構的製備方法，包括如下步驟步驟l:砷化鎵襯底在砷保護下進行脫附表面氧化膜；步驟2:在砷化鎵襯底上生長砷化鎵過渡層，生長溫度為58(TC;步驟3:在砷化鎵過渡層上生長InAs量子點層，生長溫度為510。C;步驟4:然後在砷化銦量子點層上生長第一砷化鎵覆蓋層，生長溫度為510°C;步驟5:在第一砷化鎵覆蓋層上生長銻化鎵覆蓋層，生長溫度為510。C;;步驟6:在銻化鎵覆蓋層上生長第二砷化鎵覆蓋層，生長溫度為510-580°C;。採用本發明設計的自組裝量子點材料的外延層結構和分子束外延生長技術參數，通過精確控制分子束外延生長條件，可以實現InAs/GaAs自組裝量子點材料室溫下的1.3微米波段的高強度發光，其室溫光螢光譜線如圖2所示，光螢光譜線的半峰寬僅為20毫電子伏特(mev)，表明量子點的尺寸分布均勻。圖1是本發明的一種由砷化鎵和銻化鎵覆蓋層調製的砷化銦量子點結構示意圖(層狀)；圖2是本發明的一種由砷化鎵和銻化鎵覆蓋層調製的砷化銦量子點的室溫螢光(PL)譜圖，峰值波長(wavelength)為1.3微米；具體實施例方式以下結合附圖，進一步對本發明進行詳細說明。圖1給出了本發明的由砷化鎵和銻化鎵覆蓋層調製的砷化銦量子點結構，該結構包括基底，基底上通過公知的分子束外延方法形成GaAs過渡層IO，襯底溫度58(TC，該GaAs過渡層的厚度控制為500nm。然後在GaAs過渡層10上分子束外延生長InAs自組裝量子點層11，襯底溫度控制為51(TC，其厚度優選為0.81nm。然後將襯底溫度控制為510°C，分別在InAs自組裝量子點層11上通過分子束外延生長第一GaAs覆蓋層12，該覆蓋層12的厚度為0.84nm，並在覆蓋層12上生長GaSb覆蓋層613，該GaSb覆蓋層13設置在第一GaAs覆蓋層上，厚度為0.61nm;最後將襯底溫度線性升高地控制在510-580°C，於GaSb覆蓋層13上分子束外延生長第二GaAs覆蓋層14，其厚度控制在40nm。具體生長技術參數列於表1中。此表按照量子點結構層狀結構，示出了每一層的厚度、襯底溫度(生長溫虔)等。其中第二GaAs覆蓋層生長溫度從51(TC到580'C線性升高。其中，本發明的一種由砷化鎵和銻化鎵覆蓋層調製的砷化銦量子點結構，可以作為核心有源層單獨應用在雷射器、探測器，以及其它任何涉及工作在1.3微米的光電子器件、集成光電子器件中。本發明的一種由砷化鎵和銻化鎵覆蓋層調製的砷化銦量子點結構的室溫螢光(PL)譜圖示於圖2中，其中，螢光譜線的半峰寬僅為20毫電子伏特(mev)，表明量子點的尺寸分布非常均勻。表1:本發明的由砷化鎵和銻化鎵覆蓋層調製的砷化銦量子點結構及其分子束外延生長參數tableseeoriginaldocumentpage7SI-GaAs襯底(001)儘管上文對本發明的具體實施方式給予了詳細描述和說明，但是應該指明的是，我們可以依據本發明的構想對上述實施方式進行各種等效改變和修改，其所產生的功能作用仍未超出說明書及附圖所涵蓋的精神時，均應在本發明的保護範圍之內。權利要求1、一種由砷化鎵和銻化鎵覆蓋層調製的砷化銦量子點材料結構，包括一基底；一砷化鎵過渡層；一砷化銦自組裝量子點層，設置在所述砷化鎵過渡層上；一第一砷化鎵覆蓋層，設置在所述砷化銦自組裝量子點層上；一銻化鎵覆蓋層，設置在所述第一砷化鎵覆蓋層上；一第二砷化鎵覆蓋層，設置在所述銻化鎵覆蓋層上。2、如權利要求l所述的結構，其特徵在於，所述砷化銦自組裝量子點層的厚度為0.81nm;所述砷化鎵過渡層的厚度為500nm;所述第一砷化鎵覆蓋層的厚度為0.84nm;所述銻化鎵覆蓋層的厚度為0.61nm。3、如權利要求2所述的結構，其特徵在於，所述第二砷化鎵覆蓋層的厚度為40nm。4、一種權利要求1-3中任一項所述結構的製造方法，包括以下步驟步驟l:在基底上生長砷化鎵過渡層，生長溫度為58(TC;步驟2:在砷化鎵過渡層上生長InAs量子點層，生長溫度為51(TC。步驟3:在砷化銦量子點層上生長第一砷化鎵覆蓋層，生長溫度為510°C;步驟4:在第一砷化鎵覆蓋層上生長銻化鎵覆蓋層，生長溫度為510。C;步驟5:在銻化鎵覆蓋層上生長第二砷化鎵覆蓋層，生長溫度為510-580°C。5、如權利要求4所述的方法，其特徵在於，所述基底為砷化鎵。6、如權利要求4或5所述的方法，其特徵在於，所述生長是分子束外延生長。7、如權利要求4或5所述的方法，其特徵在於，在步驟l之前可進行基底表面氧化膜的脫附。8、一種權利要求1-3任一項所述結構的用途，其作為核心有源層單獨或組合地應用在工作於1.3微米波長的光電子器件、集成光電子器件中。9、一種權利要求1-3任一項所述結構的用途，其作為核心有源層單獨或組合地應用在雷射器、探測器中。全文摘要本發明提供了一種由砷化鎵和銻化鎵覆蓋層調製的砷化銦量子點結構，包括依次在基底上分子束外延的砷化鎵過渡層、砷化銦自組裝量子點層、第一砷化鎵覆蓋層、銻化鎵覆蓋層、第二砷化鎵覆蓋層。該材料結構所獲得量子點的室溫光致發光達到1.3微米以上，半峰寬僅為20毫電子伏特，量子點具有良好的尺寸均勻性。此外，本發明也公開了一種外延生長1.3微米波長的均勻量子點材料結構的製造方法。文檔編號H01S5/00GK101593679SQ200810113860公開日2009年12月2日申請日期2008年5月30日優先權日2008年5月30日發明者周均銘,衛李,王文新,蔣中偉,賈海強,郭麗偉,弘陳,高漢超申請人:中國科學院物理研究所