提高InAs/GaAs量子點半導體材料發光效率的方法
2023-04-23 13:44:56 3
專利名稱：提高InAs/GaAs量子點半導體材料發光效率的方法
技術領域：
本發明涉及用於發光器件的InAs/GaAs量子點半導體材料，具體是指一種提高InAs/GaAs量子點半導體材料發光效率的方法。
2、在雷射器和發光二極體的製備工藝過程中，一般都要經過退火處理。在這個過程中，會導致應變的量子點進一步馳豫而產生位錯、缺陷等非輻射複合中心。
由上述量子點材料的發光效率降低的原因可見，要提高其發光效率，必須有效地降低材料中的非輻射複合中心。
為此，人們對量子點材料的離子注入降低非輻射複合中心進行了研究，結果均表明無論是離子注入還是熱退火均導致量子點材料的非輻射複合中心的增殖，引起發光效率的下降。因此，目前的研究結果表明離子注入技術無法用以改善量子點的發光效率。
當前人們提高量子點材料的發光效率通常是通過細緻地摸索量子點生長過程中的工藝條件來獲得量子點材料較好的發光效率，如改變生長過程的襯底溫度、各源的束流比、不同的襯底晶格取向等。但這些方法對最終的量子點發光效率提高改善並不多，通常只有1-2倍改善的極限能力。而通過這些方法進行對發光效率的改進是十分複雜和昂貴的。
經研究發現，當對InAs量子點材料進行合適的能量和劑量的質子注入後，使得一定濃度的質子分布於量子點材料所在區域，然後對量子點材料進行快速熱處理，由於質子在本徵半導體中高的擴散率和強的化學活性，使得質子與非輻射的複合中心複合而使之鈍化。同時，質子注入能在量子點與GaAs基體的界面處產生大量的可恢復的點缺陷，這些點缺陷能有效地促進界面處量子點材料和基體材料的互擴散而改變束縛量子點的勢阱的形狀從而增加量子點對載流子的收集效率，上述兩方面使得利用質子注入和快速熱退火的方法能有效地提高量子點的發光效率。
基於上述原理，本發明提出了如下處理方法，其具體步驟如下1.質子能量的選擇為了使注入質子能分布於量子點所在區域，先用Trim軟體計算質子進入各層量子點所需的能量，也就是說根據量子點材料的厚度確定分幾步注入質子和每一步注入質子的能量。
2.質子劑量的選擇根據對InAs/GaAs量子點材料注入質子劑量的實驗驗證，質子注入劑量在2×1013-1×1014為較好選擇。
3.質子注入將量子點樣品放在離子注入機的樣品臺上，並使質子束流方向與量子點樣品表面法線方向偏離7°，然後根據選定的質子能量和劑量對樣品進行質子注入。
4.熱處理將樣品放在熱處理爐中，在氮氣的保護下，以升溫速率100～200℃/s將爐溫升高到600到700度，而退火時間一般定在60-120秒進行快速熱處理。
本發明方法的最大優點是利用了離子注入、快速熱退火等常規微電子學工藝手段，來降低量子點材料非輻射複合中心，從而提高了量子點的發光效率。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發明的具體實施方式
作詳細介紹1.量子點材料的生長典型的量子點雷射器或發光二極體中，往往需要使用多層的量子點結構來增加增益和避免增益飽和。本發明的InAs量子點採用GaAs襯底，多層嵌埋於GaAs基體中的InAs量子點採用分子束外延生長技術製備。InAs量子點的生長溫度在480℃至520℃之間，而GaAs基體的生長溫度在580℃以上。量子點層之間的間隔應大於20nm以避免層與層之間的電子態的耦合。
圖1為5層InAs量子點嵌埋於GaAs基體的材料結構，量子點層與層之間的間隔為40nm厚的GaAs，最上面覆蓋360nm厚的GaAs層。
2.質子的注入為了使注入的質子分布在量子點所在的區域，需要選擇合適的注入能量，首先採用離子注入技術中典型的Trim軟體模擬方法，獲得質子注入的能量。從圖2可以看出選定一種能量的質子注入，不能滿足多層分布的要求，對本實施例中5層量子點結構，選擇了50keV和80keV兩種注入能量以使得質子在較寬多層量子點的範圍內有均勻的分布。對一定的量子點材料，要獲得較高的發光效率，質子注入的劑量要有一定的選擇。當注入的劑量較低時，還有過多的非輻射的複合中心沒有被鈍化，從而造成發光效率的提高不明顯。當注入的劑量過高時，由質子注入引入的過多的點缺陷在隨後的快速熱退火中會聚集成不可恢復的缺陷團簇而成為新的非輻射複合中心從而降低量子點材料的發光效率。本實施例中採用的總注入劑量分別為1×1013，5×1013，1×1014，5×1014和1×1015cm-2，兩種能量的質子注入的劑量比例為0.4∶1.0。圖3給出了軟體模擬和二次離子質譜實測的質子分布與注入質子深度的關係曲線，可見模擬的結果基本準確，質子在量子點的區域有一相對均勻的分布。
3.快速熱退火快速熱退火採用國內生產的RTP-300型快速退火爐，升溫速率100～200℃/s；溫度穩定性±3℃，快速熱退火必需選擇合適的溫度和時間。過低的溫度和過短的時間將不能充分地恢復質子注入造成的點缺陷。而過高的退火溫度和過長的退火時間將造成應變的量子點的馳豫而產生新的非輻射複合中心。圖4為退火溫度在550到700度，退火時間60秒，退火在高純氮氣的保護下進行的樣品在77K的溫度下，用美國生產的Nicolet800FT-IR光譜儀測得的積分強度的變化曲線圖，未經過任何離子注入和退火的量子點材料的發光的積分強度取為1.0，可見，在合適的劑量5×1013cm-2和熱處理溫度700℃/60s下，量子點的發光強度可以增強達到6倍。
本發明提出的離子注入方法區別於傳統的離子注入技術中注入離子最終停留區域的選擇。傳統的離子注入技術應用中為了儘可能地減小因離子注入導致的缺陷增殖數量，通常將注入離子的最終停留區域選擇在襯底上，避免體現發光功能材料區域的缺陷增殖數量的急劇上升。本發明提出了直接將注入離子停留在量子點區域，同時選擇了有效的離子注入種類和注入工藝條件，結合相應的快速熱退火工藝，使得最終離子注入技術得以成功地提高量子點材料的發光效率。
權利要求
1.一種提高InAs/GaAs量子點半導體材料發光效率的方法，其特徵在於具體步驟如下A.注入質子能量的選擇為了使注入質子能分布於量子點所在區域，先用Trim軟體計算質子進入各層量子點所需的能量，也就是說根據量子點材料的厚度確定分幾步注入質子和每一步注入質子的能量；B.注入質子劑量的選擇根據對InAs/GaAs量子點材料注入質子劑量的實驗驗證，質子注入劑量在2×1013-1×1014為較好選擇；C.質子注入將用分子束外延生長技術製備的InAs/GaAs量子點樣品放在離子注入機的樣品臺上，並使質子束流方向與量子點樣品表面法線方向偏離7°，然後根據選定的質子能量和劑量對樣品進行質子注入。D.熱處理將樣品放在熱處理爐中，在氮氣的保護下，以升溫速率100～200℃/s將爐溫升高到600到700度，而退火時間一般定在60-120秒進行快速熱處理。
全文摘要
本發明公開了一種提高InAs/GaAs量子點半導體材料發光效率的方法，其特徵在於本發明提出的離子注入方法區別於傳統的離子注入技術中注入離子最終停留區域的選擇。傳統的離子注入技術應用中為了儘可能地減小因離子注入導致的缺陷增殖數量，通常將注入離子的最終停留區域選擇在襯底上，避免體現發光功能材料區域的缺陷增殖數量的急劇上升。本發明提出了直接將注入離子停留在量子點區域，同時選擇了有效的質子注入和注入工藝條件，結合相應的快速熱退火工藝，使得最終離子注入技術得以成功地提高量子點材料的發光效率。
文檔編號H01S5/343GK1471177SQ03129508
公開日2004年1月28日 申請日期2003年6月26日 優先權日2003年6月26日
發明者陸衛, 季亞林, 陳效雙, 李志鋒, 李寧, 陳貴賓, 湯乃雲, 陸 衛 申請人:中國科學院上海技術物理研究所