製備低密度、長波長InAs/GaAs量子點的方法

2024-02-24 07:37:15

專利名稱：製備低密度、長波長InAs/GaAs 量子點的方法
技術領域：
本發明涉及半導體材料和光電子技術領域，尤其涉及低密度、大尺寸、長波長量子點的生長方法，特別是關於在GaAs襯底上生長低密度、長波長InAs量子點的分子束外延方法。
背景技術：
近年來，隨著製備高質量自組織量子點技術的發展，半導體量子點在量子光學、量子通信等方面的研究越來越引起人們的興趣。這些量子點不僅最終實現了對載流子的三維限制，導致載流子因能量在三個維度上量子化而具有分立的能級，呈現出某些類似原子的殼層結構能級特性，而且還天然地處於固體系統中，可通過調節產生非經典統計分布的光子。實驗觀察到光致或電致光子的反聚束效應，並成功製備出光致和電致發光的單光子源。自組織單量子點與高質量微腔的耦合，還可以用來研究腔量子電動力學。另外，自組織單量子點還有可能產生糾纏光子對。由於對單個量子點的研究，尤其是對量子點單光子源的研究首先需要將量子點相互隔離，以便對單個量子點激發，所以需要製備出低密度、適當波長的量子點材料。但是，一般自組織方法生長的InAs量子點密度在-1OicicnT2左右。因此，為了克服SK生長模式生長InAs量子點的高密度特性，人們往往在澱積InAs剛剛達到或者尚未達到臨界厚度時就停止澱積，然後通過原位退火方法獲得低密度的InAs量子點。然而，在這種條件下製備的量子點的尺寸較小，發光波長較短，無法滿足光纖通信需要的1.3 μ m或1.55 μ m波長的要求。目前人們嘗試了一些方法來限制量子點被激發的數目或過濾掉其它量子點的發射，例如在量子點的上方放置帶亞微米孔的金屬掩膜來選擇下方一些量子點的發射，但是這種方法需要高精度光刻，而且由於在金屬孔處衍射的原因，在與單模光纖耦合時的抽取效率受到限制；又由於載流子缺少空間限制，使得外部量子效率很低。總之，生長低密度且滿足與光纖匹配的單光子源的要求的長波長量子點非常困難。正因為如此，目前市場上還沒有成熟的低密度量子點單光子光源。

發明內容
針對當前自組織InAs/GaAs量子點的密度通常高於I X IOiciCnT2而室溫發光波長通常短於1.2 μ m的現狀，本發明的主要目的在於提供一種製備密度低、室溫發光波長超過
1.3 μ m的InAs/GaAs量子點的方法。為達到上述目的，本發明提供一種製備低密度、長波長InAs/GaAs量子點的方法，包括如下步驟:步驟1:取一襯底；步驟2:在襯底上澱積生長緩衝層；步驟3:在緩衝層上澱積生長InAs層，未到臨界厚度時暫停澱積生長；
步驟4:將生長有InAs層的襯底退火；步驟5:將退火後的襯底升溫；步驟6:二次澱積生長InAs層；步驟7:在二次澱積生長的InAs層上澱積生長GaAs蓋層，得到低密度、長波長InAs/GaAs量子點結構。本發明的有益效果是:1、本發明提供的這種製備低密度、長波長的InAs/GaAs量子點的方法，通過調控In原子遷移長度、InAs澱積量、As壓(BEP)、襯底溫度、澱積速率、退火時間，可以得到低密度的量子點，且密度易於調控；再通過後續的升高襯底溫度、再生長InAs，可以得到尺寸大，發光波長長的低密度量子點。2、通過實驗發現，本發明提供的製備低密度、長波長的InAs/GaAs量子點的方法，所製備出的低密度、長波長InAs/GaAs量子點室溫PL發光峰波長長於1.3 μ m,密度為IO7-1O9CnT2 ;發光峰半高寬為27.5meV，說明量子點尺寸比較均勻。


為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，並參照附圖，對本發明進一步詳細說明，其中:圖1是本發明的製備低密度、長波長InAs/GaAs量子點的方法的流程圖；圖2a為依照本發明實施例製備的低密度、長波長InAs/GaAs量子點的原子力顯微鏡圖像(3ymX3ym)；圖2b為依照本發明另一實施例製備的低密度、長波長InAs/GaAs量子點的原子力顯微鏡圖像(3μηιΧ3μηι)；圖3為依照本發明實施例製備的低密度、長波長InAs/GaAs量子點的室溫PL(光致螢光)譜圖。
具體實施例方式請參閱圖1所示，本發明提供一種製備低密度、長波長InAs/GaAs量子點的方法，包括如下步驟:步驟1:取一襯，將襯底做除氣等預處理後放入分子束外延設備，該襯底材料為GaAs ；步驟2:在襯底上澱積生長緩衝層；在GaAs襯底及其它與襯底晶格匹配的外延層上生長一層GaAs緩衝層；本步驟中襯底溫度為580°C，GaAs緩衝層厚度不限，生長速率不限。步驟3:在緩衝層上澱積生長InAs層，未到臨界厚度時暫停澱積生長，所述澱積生長InAs層的溫度為470°C _490°C，生長速率為0.01-0.lML/s，暫停澱積生長的InAs層比臨界厚度小0.05-0.5ML ;本步驟中襯底溫度為470-490°C ；InAs澱積量比臨界厚度少
0.05-0.5ML，具體值根據想要生長的量子點密度來定=InAs澱積量比臨界厚度少得越多，量子點密度越低；InAs澱積速率為0.01-0.lML/s，生長速率越小，量子點密度會越低，發光波長也會越長'As壓(BEP)為2-10X KT6Torr，襯底以15-90轉/分的速率旋轉。
步驟4:將生長有InAs層的襯底退火，所述退火的溫度為470°C _490°C，退火的時間為30秒-300秒，具體視希望得到量子點的尺寸分布來定:希望量子點尺寸分布均勻一點，就要適當延長停頓時間。As壓(BEP)為2-10X10_6Tort，襯底以15-90轉/分的速率旋轉。步驟5:將退火後的襯底升溫，所述升溫的溫度為500°C -535°C。步驟6: 二次澱積生長InAs層；本步驟中襯底溫度為500°C _535 °C，溫度相對越高，得到的量子點密度會越低。澱積的InAs量為0.1-0.3MLInAs,澱積速率為0.001-0.0lML/s, As 壓(BEP)為 2-4X KT6Tort，襯底以 15-90 轉 / 分的速率旋轉。步驟7:在二次澱積生長的InAs層上澱積生長GaAs蓋層；本步驟中將襯底溫度降到470-490°C，生長的GaAs蓋層厚度為5nm以上，生長速率不限。得到低密度、長波長InAs/GaAs量子點結構。參閱圖2a可知量子點的密度在IO9CnT2左右參閱圖2b可知量子點的密度在107cm_2左右，結合圖2a可知本發明提供的製備低密度、長波長的InAs/GaAs量子點的方法製備的量子點不但密度低，而且密度是可控。參閱圖3可知量子點的室溫發光峰位於1316nm,與光纖通信的1310nm窗口非常接近；發光峰半高寬為27.5meV，說明量子點尺寸比較均勻。以上所述的具體實施例，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步的詳細說明。所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而已，並不用於限制本發明；凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。
權利要求
1.一種製備低密度、長波長InAs/GaAs量子點的方法，包括如下步驟: 步驟1:取一襯底； 步驟2:在襯底上澱積生長緩衝層； 步驟3:在緩衝層上澱積生長InAs層，未到臨界厚度時暫停澱積生長； 步驟4:將生長有InAs層的襯底退火； 步驟5:將退火後的襯底升溫； 步驟6:二次澱積生長InAs層； 步驟7:在二次澱積生長的InAs層上澱積生長GaAs蓋層，得到低密度、長波長InAs/GaAs量子點結構。
2.根據權利要求1所述的製備低密度、長波長InAs/GaAs量子點的方法，其中襯底和緩衝層的材料為GaAs。
3.根據權利要求1所述的製備低密度、長波長InAs/GaAs量子點的方法，其中澱積生長InAs層的溫度為470°C _490°C，生長速率為0.01-0.lML/s，暫停澱積生長的InAs層比臨界厚度小 0.05-0.5ML。
4.根據權利要求1所述的製備低密度、長波長InAs/GaAs量子點的方法，其中退火的溫度為470°C 490°C，退火的時間為30秒300秒。
5.根據權利要求1所述的製備低密度、長波長InAs/GaAs量子點的方法，其中所述升溫的溫度為500°C -535°C。
6.根據權利要求1所述的製備低密度、長波長InAs/GaAs量子點的方法，其中二次澱積生長InAs層的厚度為0.1-0.3ML。
7.根據權利要求6所述的製備低密度、長波長InAs/GaAs量子點的方法，其中二次澱積生長InAs層的澱積速率為0.001-0.01ML/s。
全文摘要
一種製備低密度、長波長InAs/GaAs量子點的方法，包括如下步驟步驟1取一襯底；步驟2在襯底上澱積生長緩衝層；步驟3在緩衝層上澱積生長InAs層，未到臨界厚度時暫停澱積生長；步驟4將生長有InAs層的襯底退火；步驟5將退火後的襯底升溫；步驟6二次澱積生長InAs層；步驟7在二次澱積生長的InAs層上澱積生長GaAs蓋層，得到低密度、長波長InAs/GaAs量子點結構。本發明具有密度低、室溫發光波長超過1.3μm的InAs/GaAs量子點。
文檔編號H01L31/18GK103137789SQ20131003225
公開日2013年6月5日 申請日期2013年1月28日 優先權日2013年1月28日
發明者張世著, 葉小玲, 徐波, 王佔國 申請人:中國科學院半導體研究所