CN101404246A - 一种大尺寸InGaSb量子点的外延生长方法 - Google Patents

一种大尺寸InGaSb量子点的外延生长方法 Download PDF

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Abstract

大尺寸量子点属于半导体光电子材料技术领域。该领域已知技术所探索的各种制备低维量子材料的方法中，不足之处是难于控制量子点的空间尺寸、形状和组分分布，使得它难于方便地引入器件中发挥效应。尤其是结构中难以控制的各向异性(形状、应变场、发光或放大特性等方面)，严重地限制了这类纳米结构在光电器件中的应用。本发明之大尺寸InGaSb量子点的外延生长制备，能够实现锑化物体系的低维外延生长。通过人为控制量子点尺寸和组分均匀性，探索实现较大尺寸(高宽比)特征的量子点结构，达到对其能带结构、载流子的量子限制作用、发光特性机理的深入认识，为研制1.5～4.0μm甚至更长波长(中红外)高性能量子点激光器、具有偏振无关性能的光学放大器以及其它集成光电子元器件奠定基础。

Description

一种大尺寸InGaSb量子点的外延生长方法
技术领域
本发明涉及半导体材料技术领域，属于半导体光电子新型材料的外延生长技术领域。
背景技术
大尺寸量子点的概念及结构研究起源于20世纪末。主要是借鉴或结合量子点(QDs)、超晶格(SLs)的制备方法获得的。由于其特殊的应变场，轻、重空穴的更强的耦合作用，TE和TM辐射模式的关系，使其在偏振无关的半导体光放大器、极低阈值激光器、波长可调谐激光器、集成光电子学器件等方面都将实现重要应用。大尺寸量子点在半导体(凝聚态)物理和材料学研究方面的基础研究方面具有的重要价值，在电子学、光(电)子学器件方面的巨大应用价值。
1998年，M.Sugawara等报道了以两层InAs/InGaAs量子点为有源区的激光器(高宽比为1，量子点高、直径均约为15nm)，阈值电流密度为560A/cm2。2002年，T.Kita等通过叠层生长的InAs/InGaAs量子点，改变“量子点”的形状，控制量子点的各向异性，首次获得利用大尺寸量子点结构，实现了半导体光放大器(SOA)光学增益的偏振不敏感性的迹象。2007年，美国加利福尼亚大学J.He等研究了基于大尺寸量子点的结构和光学特性，指出了量子尺寸、形状和结构在新器件应用方面的潜力。
InGaSb材料作为核心发光单元，对1.4～4.0μm辐射波段的发光器件和探测器件应用更有优势。在近、中红外半导体器件方面显示出越来越重要得研究价值和应用价值。锑化物以其特有的窄带隙、电子有效质量小等特点成为近年来中红外波段研究的热点材料，GaAs基InGaSb量子点激光器的研制将为光通讯提供一种价格低廉、功耗小、性能优良的新光源选择。
InGaSb量子点的研究是在近几年才开始研究的，研究工作也主要集中在日本的几个研究小组，其中N.Yamamoto所在的小组在1.3μm InGaSb量子点激光器的研究上已经有所进展。可以预言大尺寸的InGaSb量子点材料在近红外和中远红外波段新型光电子器件上将具有十分重要的应用。
发明内容
我们发明了一种大尺寸InGaSb量子点的外延生长方法。量子尺寸的半导体材料具有与体材料截然不同的能态密度分布、特殊的载流子行为和光波限制特性、特殊的各向异性的应变及驰豫特性，等等，进而引起一系列光跃迁现象，主要表现为具有更高的增益谱密度、更强的发光谱线，具有更小的温度依赖性的增益系数，量子点为有源区的光电子器件中，由于大尺寸量子点本身相对具有尺寸规则、均匀，其发射效率、光增益都强于传统的自组织生长的量子点；周围叠层浸润层对电子的俘获能力、反射率和光限制能力也要强于单层浸润层的量子点。我们发明了一种大尺寸InGaSb量子点的外延生长方法。
本发明是这样实现的，见图1所示，大尺寸InGaSb量子点的外延结构包括GaAs衬底(1)，GaAs缓冲层(2)，自组织法生长的InGaSb种子量子点(3)、短周期的GaSb/InGaSb超晶格层(4)，GaSb盖层(5)大尺寸的InGaSb量子点(6)。所采用的设备为分子束外延设备(MBE)。
本发明的技术效果在于量子点形状和尺寸的人为控制(artificial engineering)，包括纳米结构定位问题，密度控制问题；材料组分分布及均匀性的控制；发光效率及非辐射跃迁等损耗的控制；量子点单元的耦合与发光结构的结合技术。
本发明之传统自组织生长的量子点无论在尺寸、均匀性、形状可控等方面得到明显增强和改善，有效发光强度大大增加，并且实现了锑化物体系得低维外延生长。如果作为半导体激光器发光材料，将使激光器的阈值电流和最大光功率输出得到有效改善，提高激光器的电光转换效率，从而提高激光器的整体性能。
具体实施方式
如图1所示，大尺寸InGaSb量子点的结构包括GaAs衬底(1)、GaAs缓冲层(2)、自组织法生长的InGaSb种子量子点(3)、短周期的GaSb/InGaSb超晶格层(4)、GaSb盖层(5)以及大尺寸的InGaSb量子点(6)。衬底(1)为材料外延生长的基底，采用GaAs衬底；生长1μm的GaAs缓冲层(2)；InGaSb种子量子点(3)，通常采用自组织方法生长，生长厚度为2.2MLs，其作用是作为大尺寸InGaSb量子点的种子，在短周期超晶格(4)的作用下，尺寸和形状得到人工的控制。短周期超晶格(4)由交替生长的7MLs的GaSb和2MLs的InGaSb超晶格构成；GaSb盖层(5)；大尺寸InGaSb量子点(6)。
下面结合实例说明本发明，采用的设备为分子束外延设备(MBE)。
衬底(1)为(100)取向、Si掺杂浓度1～2×1018cm-3的GaAs晶体材料；
GaAs缓冲层(2)，生长温度580℃，厚度1μm；
自组织法生长的种子量子点InGaSb(3)，厚度为2.2MLs、非掺杂；
短周期超晶格(4)，为8-10个周期交替生长的厚度为7MLs的GaSb和2MLs的InGaSb，生长温度420℃。在超晶格层的生长动力作用下，种子量子点尺寸和组分得到人工的控制；大尺寸InGaSb量子点5。重复8-10个周期。利用超晶格层和In、Ga向量子点顶部的凝聚作用，是InGaSb种子量子点尺寸和组分得到人工控制；
GaSb盖层(5)，生长0.2μm，生长温度540℃；
大尺寸InGaSb量子点(6)，TEM测试纵横比接近1，测试后In组分的含量大于12％。因此，本发明之自组织法的量子点无论在尺寸上和组分上都有明显改善，而且实现了锑化物体系里的大量子点的人工控制。
采用MBE方法，在(100)取向、Si掺杂浓度1～2×1018cm-3的GaAs衬底1上依次生长：
厚度1μm、非掺杂的GaAs缓冲层，生长温度580℃；
厚度2MLs、自组织法生长的InGaSb种子量子点，生长温度420℃；
8-10个周期的7MLs的GaSb和2MLs的InGaSb超晶格层，生长温度420℃。每生长7MLs的GaSb层，间断生长90s，2MLs的InGaSb，间断生长20s；超晶格周期数为8-10个，生长温度420℃。
厚度0.2μm的GaSb盖层，生长温度540℃。
图2为利用上述方法生长制备的大尺寸InGaSb量子点的透射电镜图(TEM)和In组分示意图。

Claims (6)

1、一种大尺寸InGaSb量子点的外延生长方法，其外延结构包括衬底(1)、缓冲层(2)、种子量子点(3)、短周期超晶格(4)、GaSb盖层(5)及大尺寸量子点(6)。采用MBE方法，在(001)取向、Si掺杂浓度1-2×1018cm-3的GaAs衬底(1)上依次生长：
厚度1μm、非掺杂的GaAs缓冲层(2)，生长温度580℃；
厚度2.2MLs、自组织生长方法的InGaSb种子量子点(3)，生长温度420℃；
8-10个周期的7MLs的GaSb层和2MLs的InGaSb层构成的短周期超晶格层(4)，生长温度420℃。每生长7MLs的GaSb层后，间断生长90s，生长2MLs的InGaSb，间断生长20s。重复周期8-10个。
厚度为0.2μm的GaSb盖层(5)。
2、根据权利要求1所述的大尺寸InGaSb量子点，其特征在于，缓冲层(1)生长温度580℃，厚度为1μm。
3、根据权利要求1所述大尺寸InGaSb量子点，其特征在于，自组织法生长的种子量子点(2)生长温度420℃，生长厚度2.2MLs。
4、根据权利要求1所述的大尺寸InGaSb量子点，其特征在于，短周期超晶格(4)由厚度为7MLs的GaSb和2MLs的InGaSb交替生长构成。每个周期中每生长7MLsGaSb层后，间断生长90s，再生长2MLs的InGaSb，间断生长20s；超晶格周期数为8-10个，生长温度420℃。
5、根据权利要求1所述的大尺寸InGaSb量子点，其特征在于，GaSb盖层厚度为0.2μm，生长温度540℃。
6、根据权利要求1所述的大尺寸InGaSb量子点，其特征在于，量子点尺寸(纵横比)接近1。量子点中In组分的含量大于12％。
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