CN103137789A - 制备低密度、长波长InAs/GaAs 量子点的方法 - Google Patents

Abstract

一种制备低密度、长波长InAs/GaAs量子点的方法，包括如下步骤：步骤1：取一衬底；步骤2：在衬底上淀积生长缓冲层；步骤3：在缓冲层上淀积生长InAs层，未到临界厚度时暂停淀积生长；步骤4：将生长有InAs层的衬底退火；步骤5：将退火后的衬底升温；步骤6：二次淀积生长InAs层；步骤7：在二次淀积生长的InAs层上淀积生长GaAs盖层，得到低密度、长波长InAs/GaAs量子点结构。本发明具有密度低、室温发光波长超过1.3μm的InAs/GaAs量子点。

Description

制备低密度、长波长InAs/GaAs 量子点的方法

技术领域

本发明涉及半导体材料和光电子技术领域，尤其涉及低密度、大尺寸、长波长量子点的生长方法，特别是关于在GaAs衬底上生长低密度、长波长InAs量子点的分子束外延方法。

背景技术

近年来，随着制备高质量自组织量子点技术的发展，半导体量子点在量子光学、量子通信等方面的研究越来越引起人们的兴趣。这些量子点不仅最终实现了对载流子的三维限制，导致载流子因能量在三个维度上量子化而具有分立的能级，呈现出某些类似原子的壳层结构能级特性，而且还天然地处于固体系统中，可通过调节产生非经典统计分布的光子。实验观察到光致或电致光子的反聚束效应，并成功制备出光致和电致发光的单光子源。自组织单量子点与高质量微腔的耦合，还可以用来研究腔量子电动力学。另外，自组织单量子点还有可能产生纠缠光子对。由于对单个量子点的研究，尤其是对量子点单光子源的研究首先需要将量子点相互隔离，以便对单个量子点激发，所以需要制备出低密度、适当波长的量子点材料。

但是，一般自组织方法生长的InAs量子点密度在-10¹⁰cm^-2左右。因此，为了克服SK生长模式生长InAs量子点的高密度特性，人们往往在淀积InAs刚刚达到或者尚未达到临界厚度时就停止淀积，然后通过原位退火方法获得低密度的InAs量子点。

然而，在这种条件下制备的量子点的尺寸较小，发光波长较短，无法满足光纤通信需要的1.3μm或1.55μm波长的要求。

目前人们尝试了一些方法来限制量子点被激发的数目或过滤掉其它量子点的发射，例如在量子点的上方放置带亚微米孔的金属掩膜来选择下方一些量子点的发射，但是这种方法需要高精度光刻，而且由于在金属孔处衍射的原因，在与单模光纤耦合时的抽取效率受到限制；又由于载流子缺少空间限制，使得外部量子效率很低。

总之，生长低密度且满足与光纤匹配的单光子源的要求的长波长量子点非常困难。正因为如此，目前市场上还没有成熟的低密度量子点单光子光源。

发明内容

针对当前自组织InAs/GaAs量子点的密度通常高于1×10¹⁰cm^-2而室温发光波长通常短于1.2μm的现状，本发明的主要目的在于提供一种制备密度低、室温发光波长超过1.3μm的InAs/GaAs量子点的方法。

为达到上述目的，本发明提供一种制备低密度、长波长InAs/GaAs量子点的方法，包括如下步骤：

步骤1：取一衬底；

步骤2：在衬底上淀积生长缓冲层；

步骤3：在缓冲层上淀积生长InAs层，未到临界厚度时暂停淀积生长；

步骤4：将生长有InAs层的衬底退火；

步骤5：将退火后的衬底升温；

步骤6：二次淀积生长InAs层；

步骤7：在二次淀积生长的InAs层上淀积生长GaAs盖层，得到低密度、长波长InAs/GaAs量子点结构。

本发明的有益效果是：

1、本发明提供的这种制备低密度、长波长的InAs/GaAs量子点的方法，通过调控In原子迁移长度、InAs淀积量、As压(BEP)、衬底温度、淀积速率、退火时间，可以得到低密度的量子点，且密度易于调控；再通过后续的升高衬底温度、再生长InAs，可以得到尺寸大，发光波长长的低密度量子点。

2、通过实验发现，本发明提供的制备低密度、长波长的InAs/GaAs量子点的方法，所制备出的低密度、长波长InAs/GaAs量子点室温PL发光峰波长长于1.3μm，密度为10⁷-10⁹cm^-2；发光峰半高宽为27.5meV，说明量子点尺寸比较均匀。

附图说明

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明，其中：

图1是本发明的制备低密度、长波长InAs/GaAs量子点的方法的流程图；

图2a为依照本发明实施例制备的低密度、长波长InAs/GaAs量子点的原子力显微镜图像(3μm×3μm)；

图2b为依照本发明另一实施例制备的低密度、长波长InAs/GaAs量子点的原子力显微镜图像(3μm×3μm)；

图3为依照本发明实施例制备的低密度、长波长InAs/GaAs量子点的室温PL(光致荧光)谱图。

具体实施方式

请参阅图1所示，本发明提供一种制备低密度、长波长InAs/GaAs量子点的方法，包括如下步骤：

步骤1：取一衬，将衬底做除气等预处理后放入分子束外延设备，该衬底材料为GaAs；

步骤2：在衬底上淀积生长缓冲层；在GaAs衬底及其它与衬底晶格匹配的外延层上生长一层GaAs缓冲层；本步骤中衬底温度为580℃，GaAs缓冲层厚度不限，生长速率不限。

步骤3：在缓冲层上淀积生长InAs层，未到临界厚度时暂停淀积生长，所述淀积生长InAs层的温度为470℃-490℃，生长速率为0.01-0.1ML/s，暂停淀积生长的InAs层比临界厚度小0.05-0.5ML；本步骤中衬底温度为470-490℃；InAs淀积量比临界厚度少0.05-0.5ML，具体值根据想要生长的量子点密度来定：InAs淀积量比临界厚度少得越多，量子点密度越低；InAs淀积速率为0.01-0.1ML/s，生长速率越小，量子点密度会越低，发光波长也会越长；As压(BEP)为2-10×10^-6Torr，衬底以15-90转/分的速率旋转。

步骤4：将生长有InAs层的衬底退火，所述退火的温度为470℃-490℃，退火的时间为30秒-300秒，具体视希望得到量子点的尺寸分布来定：希望量子点尺寸分布均匀一点，就要适当延长停顿时间。As压(BEP)为2-10×10^-6Tort，衬底以15-90转/分的速率旋转。

步骤5：将退火后的衬底升温，所述升温的温度为500℃-535℃。

步骤6：二次淀积生长InAs层；本步骤中衬底温度为500℃-535℃，温度相对越高，得到的量子点密度会越低。淀积的InAs量为0.1-0.3MLInAs，淀积速率为0.001-0.01ML/s，As压(BEP)为2-4×10^-6Tort，衬底以15-90转/分的速率旋转。

步骤7：在二次淀积生长的InAs层上淀积生长GaAs盖层；本步骤中将衬底温度降到470-490℃，生长的GaAs盖层厚度为5nm以上，生长速率不限。得到低密度、长波长InAs/GaAs量子点结构。

参阅图2a可知量子点的密度在10⁹cm^-2左右

参阅图2b可知量子点的密度在10⁷cm^-2左右，结合图2a可知本发明提供的制备低密度、长波长的InAs/GaAs量子点的方法制备的量子点不但密度低，而且密度是可控。

参阅图3可知量子点的室温发光峰位于1316nm，与光纤通信的1310nm窗口非常接近；发光峰半高宽为27.5meV，说明量子点尺寸比较均匀。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明。所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明；凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种制备低密度、长波长InAs/GaAs量子点的方法，包括如下步骤：

步骤1：取一衬底；

步骤2：在衬底上淀积生长缓冲层；

步骤3：在缓冲层上淀积生长InAs层，未到临界厚度时暂停淀积生长；

步骤4：将生长有InAs层的衬底退火；

步骤5：将退火后的衬底升温；

步骤6：二次淀积生长InAs层；

步骤7：在二次淀积生长的InAs层上淀积生长GaAs盖层，得到低密度、长波长InAs/GaAs量子点结构。

2.根据权利要求1所述的制备低密度、长波长InAs/GaAs量子点的方法，其中衬底和缓冲层的材料为GaAs。

3.根据权利要求1所述的制备低密度、长波长InAs/GaAs量子点的方法，其中淀积生长InAs层的温度为470℃-490℃，生长速率为0.01-0.1ML/s，暂停淀积生长的InAs层比临界厚度小0.05-0.5ML。

4.根据权利要求1所述的制备低密度、长波长InAs/GaAs量子点的方法，其中退火的温度为470℃490℃，退火的时间为30秒300秒。

5.根据权利要求1所述的制备低密度、长波长InAs/GaAs量子点的方法，其中所述升温的温度为500℃-535℃。

6.根据权利要求1所述的制备低密度、长波长InAs/GaAs量子点的方法，其中二次淀积生长InAs层的厚度为0.1-0.3ML。

7.根据权利要求6所述的制备低密度、长波长InAs/GaAs量子点的方法，其中二次淀积生长InAs层的淀积速率为0.001-0.01ML/s。

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