CN103199438A - GaAs基多层自组织量子点结构及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种GaAs基多层自组织量子点结构，涉及低维半导体量子点材料和结构的可控性生长技术领域，该结构包括：衬底、位于所述衬底上的缓冲层、位于所述缓冲层上的N层量子点层及位于所述N层量子点层之上的帽层，所述每两层量子点层之间设有间隔层，其特征在于，至少有一组相邻两层量子点层之间的间隔层为两层，两层间隔层之间还设有应变补偿层。还公开了一种制备上述GaAs基多层自组织量子点结构的方法。本发明消除了多层量子点之间的应变积累，从而有效地减小了各层量子点间的相互影响，解决了由于应变积累导致的上层量子点变大的问题，改善了多层量子点的均匀性，同时还提高了多层量子点结构的周期数及模式增益。

Description

GaAs基多层自组织量子点结构及其制备方法

技术领域

本发明涉及低维半导体量子点材料和结构的可控性生长技术领域，特别涉及一种GaAs基多层自组织量子点结构及其制备方法。

背景技术

自从1994年世界上第一台量子点激光器问世以来，GaAs基InAs、InGaAs量子点(Quantum Dot，QD)材料与结构受到了人们的极大关注。首先，量子点作为一种零维半导体材料，具有很多传统量子阱所不具备的优势，譬如：量子点具有类原子的分立能级，使得量子点器件相较于传统量子阱器件具有更小的阈值电流密度、更高的微分增益、更高的特征温度等。其次，GaAs衬底上生长的量子阱结构的发光波长很难到达1.3μm，但GaAs衬底上生长的InAs自组织量子点可较容易地实现1.3μm高质量发光，若进一步与异变缓冲层方案相结合则可将GaAs基InAs量子点的发光波长拓展至光纤通信的1.55μm长波长窗口附近。

目前，最为广泛采用的量子点制备方式是基于Stranski-Krastanow(S-K)模式的自组织生长，如图1所示。该方式要求量子点材料和衬底材料之间必须有较大的晶格失配度，也就是说量子点与衬底之间会有很大的应变存在。在量子点生长初期，外延层首先是二维层状生长过程，随着沉积厚度增加，外延层中的应变能逐渐积累。当外延层厚度达到或超过某个临界厚度(critical thickness)时，就会由二维层状生长转变为三维岛状生长，形成自组织量子点，应变能得到释放，整个系统总能量降低。在成岛初期，量子点是无位错的，随着沉积厚度增加，量子点内部的应变能进一步积累，这使得岛之间的合并加剧、岛的体积增大，体积逐渐增大的大岛最终要以位错的形式释放应变能(即岛发生应变弛豫)，这些大岛将成为非辐射复合中心，极大地影响量子点的光学特性。GaAs衬底上生长的最常见量子点材料是InAs或In_xGa_1-xAs(x＞50％)，InAs与GaAs的晶格失配度为7％，In_xGa_1-xAs与GaAs的晶格失配度则与In组分x有关，所述晶格失配度＝[(InGaAs晶格常数-GaAs晶格常数)/GaAs晶格常数]×100％。

由于单层量子点的面密度一般都不高，只有10¹⁰/cm²量级。因此，在实际制作基于量子点有源区的半导体激光器、光放大器、超辐射管、光探测器、光调制器、太阳能电池等器件时，基本上都要采用多层量子点结构(周期数10层甚至更多)。特别是对于量子点激光器来说，需要通过多层量子点间的电子波函数相互重叠提高模式增益、防止增益饱和。多层量子点结构如图2所示，包括：衬底21、缓冲层22、N层量子点层23(包括量子点有源层231和量子点盖层232)、间隔层24和帽层25，量子点盖层232和间隔层24这两层的材料的晶格常数一般都与缓冲层22材料的晶格常数相近，甚至相同。在第一层量子点形成后，会产生一个非均匀的应变场，该应变场会垂直向上传播，对随后生长其它量子点层造成影响。当相邻量子点层的间隔层较薄(小于50nm)时，由于下层应变场的应变耦合作用，下层量子点会成为上层量子点的成核中心，也就是说上层量子点会直接在下层量子点顶部成核、垂直对准生长。而且，应变场中的应变能会被上层量子点吸收，这使得上层量子点的尺寸要明显大于下层量子点的尺寸。随着生长的量子点层数增多，由于应变和应变能逐渐积累，导致顶层量子点的尺寸会迅速增大，直至形成团簇(cluster)并以位错形式弛豫释放应变。因此，当间隔层较薄时，多层量子点结构中各层间的尺寸均匀性很差，受位错岛的限制可生长的多层量子点结构周期数也很少(周期数通常不会超过5)。当相邻量子点层的间隔层较厚(大于50nm)时，应变场垂直向上传播以及应变积累效应会被大大削弱，量子点的垂直对准生长可得到极大抑制、甚至消除，多层量子点结构周期数可显著提高，但多层量子点间的电子波函数的重叠程度也会极大地降低，最终严重影响了多层量子点器件的模式增益以及器件的性能。

鉴于此，多层量子点结构的周期数和密集排列之间(或者说多层量子点结构的应变积累与电子态交叠之间)存在相互制约的矛盾，是该领域目前亟待解决的问题之一。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：如何在保持多层量子点层间密集排列的同时尽可能地提高多层量子点结构的周期数。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，本发明提供了一种GaAs基多层自组织量子点结构，包括：衬底、位于所述衬底上的缓冲层、位于所述缓冲层上的N层量子点层及位于所述N层量子点层之上的帽层，所述每两层量子点层之间设有间隔层，至少有一组相邻两层量子点层之间的间隔层为两层，两层间隔层之间还设有应变补偿层。

其中，每两层相邻量子点层之间的间隔层为两层，两层间隔层之间还设有应变补偿层。

其中，所述应变补偿层的材料的晶格常数小于间隔层的材料的晶格常数。

其中，所述应变补偿层的材料为BGaAs、BAlAs、BGaP或BAlP，所述间隔层的材料为GaAs或InGaAs。

其中，所述量子点层包括：量子点基底层、位于所述量子点基底层上的量子点有源层及位于所述量子点有源层上的量子点盖层。

其中，所述量子点基底层的材料为GaAs、GaAsN、GaAsSb、InGaAs、AlGaAs中的一种或几种组合。

其中，所述量子点有源层的材料为InAs、AlSb、GaSb、InSb、InGaAs中的一种。

其中，所述量子点盖层的材料为GaAs、InGaAs、GaAsSb、InGaAsSb中的一种。

本发明还提供了一种GaAs基多层自组织量子点结构制备方法，包括以下步骤：

S1：在衬底上生长缓冲层；

S2：在缓冲层上逐层生长包括自组织量子点层的层次结构；

S3：最后在多层量子点层的顶部生长帽层。

其中，所述步骤S2具体包括：

S2.1：生长自组织量子点基底层；

S2.2：在所述量子点基底层上生长自组织量子点有源层；

S2.3：在所述量子点有源层上生长量子点盖层；

S2.4：在所述量子点盖层上依次生长第一间隔层、应变补偿层和第二间隔层；

S2.5：在所述第二间隔层上生长自组织量子点基底层；

S2.6：在所述量子点基底层上生长自组织量子点有源层；

S2.7：重复S2.1～S2.6步骤若干次，形成多层量子点结构。

(三)有益效果

本发明提供的GaAs基多层自组织量子点结构及其制备方法中，通过在多层量子点的间隔层中插入了BGaAs、BAlAs、BGaP或BAlP应变补偿层，带来如下有益效果：

1、在多层量子点结构中间隔层较薄的前提下，通过对自组织量子点制备过程中产生的应变进行补偿，从而有效地减小了下层量子点对上层量子点的影响，解决了由于应变积累导致的上层量子点尺寸逐渐变大的问题，从而显著地改善了多层量子点结构的尺寸均匀性；

2、在多层量子点结构中间隔层较薄的前提下，通过应变补偿使得可生长的量子点层数(即多层量子点结构的周期数)增加，从而显著提高了多层量子点结构的模式增益，改善了相关器件(特别是量子点激光器)的性能；

3、BGaAs、BAlAs、BGaP、BAlP应变补偿层的应变补偿量大且可以通过改变B并入比进行有效调控。

附图说明

图1是现有技术的S-K模式自组织生长的量子点层示意图；

图2是现有技术的多层量子点结构示意图；

图3是本发明实施例的一种GaAs基多层自组织量子点结构示意图；

图4是GaAs基BGaAs外延层结构示意图；

图5是GaAs基BGaAs外延层的双晶X射线衍射图样。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

如图3所示，为本发明实施例的GaAs基多层自组织量子点结构，包括：衬底31、位于衬底31上的缓冲层32、位于缓冲层32上的N层量子点层33及位于N层量子点层33之上的帽层35，每两层量子点层之间设有间隔层，每相邻两层量子点层33之间的间隔层为两层，第一间隔层34a和第二间隔层34b，两层间隔层之间还设有应变补偿层36。

量子点层33包括：量子点基底层331、位于量子点基底层331上的量子点有源层332及位于量子点有源层332上的量子点盖层333。

其中，量子点基底层331的材料为GaAs、GaAsN、GaAsSb、InGaAs、AlGaAs中的一种或几种组合。量子点有源层332的材料为InAs、AlSb、GaSb、InSb、InGaAs中的一种。量子点盖层333的材料为GaAs、InGaAs、GaAsSb、InGaAsSb中的一种。

为了消除多层量子点生长过程中应变积累导致的顶层量子点变大甚至出现团簇的现象，以实现多周期自组织量子点结构的高质量生长，应变补偿层36的材料的晶格常数小于第一间隔层34a和第二间隔层34b的材料的晶格常数。应变补偿层36的材料为BGaAs、BAlAs、BGaP或BAlP，第一间隔层34a和第二间隔层34b的材料为GaAs或InGaAs。

本实施例的应变补偿层36采用的III族元素B具有小共价半径(B、Ga、In原子共价半径分别为

P、As原子共价半径分别为)，因此，BGaAs、BAlAs、BGaP或BAlP材料相对于GaAs或InGaAs间隔层具有更小的晶格常数，这样BGaAs、BAlAs、BGaP、BAlP材料的应变补偿量大且可以通过改变B并入比进行有效调控。将BGaAs、BAlAs、BGaP或BAlP插入到间隔层中(如图3所示)，在多层量子点结构中间隔层较薄的前提下，可抑制大岛(或团簇)的产生，显著改善多层量子点结构的尺寸均匀性，同时可生长的多层量子点结构的周期数增多，显著提高了多层量子点的模式增益。

本发明还提供了一种制备上述GaAs基多层自组织量子点结构的方法，如图3所示，具体步骤如下：

a、在衬底31上生长缓冲层32。

b、在缓冲层32上逐层生长包括自组织量子点层33的层次结构。

具体地，包括：

b1、生长自组织量子点基底层331；

b2、在量子点基底层331上生长自组织量子点有源层332；

b3、在量子点有源层332上生长量子点盖层333；

b4、在量子点盖层333上依次生长第一间隔层34a、应变补偿层36和第二间隔层34b；

b5、在第二间隔层34b上生长自组织量子点基底层331；

b6、在量子点基底层331上生长自组织量子点有源层332；

b7、重复b1～b6步骤若干次，形成多层量子点结构。

c、最终在多层量子点层的顶部生长帽层。

本实施例中生长可以采用金属有机化学气相沉积(MOCVD)、金属有机气相外延(MOVPE)、分子束外延(MBE)、气态分子束外延(GSMBE)、金属有机分子束外延(MOMBE)等方式。若采用MOCVD生长，三乙基硼(TEB)、三甲基铝(TMAl)、三甲基镓(TMGa)、三乙基镓(TEGa)、三甲基铟(TMIn)可以作为III族的B、Al、Ga、In源；二甲基阱(DMHy)、磷烷(PH3)、叔丁基磷(TBP)、砷烷(AsH3)、叔丁基砷(TBAs)、三甲基锑(TMSb)、三乙基锑(TESb)可以作为V族的N、P、As、Sb源。衬底可以选用无偏角GaAs(100)衬底。缓冲层可以是GaAs缓冲层也可以是异变InGaAs等缓冲层，缓冲层厚度一般要几百纳米，缓冲层表面要平整、缺陷和位错密度尽可能低。量子点基底层材料可以选GaAs、GaAsN、GaAsSb、InGaAs、AlGaAs中的一种或几种组合。在量子点基底层上生长的自组织量子点有源层的厚度通常要2-3个单原子层(Monolayer，ML)，而且通过改变生长参数(如生长温度、生长速率、V/III比、生长暂停等)对量子点尺寸、密度、均匀性(尺寸及分布均匀性)进行控制，同时抑制大岛或团簇的产生。量子点生长完后，通常是在与量子点相同温度下生长量子点盖层，量子点盖层厚度保证能够覆盖住量子点，同时根据量子点发光波长的要求选择合适的盖层材料与组分。量子点盖层生长完毕后，为了提高晶体质量需要提高温度生长间隔层，间隔层厚度一般在30-50nm之间。在间隔层中间插入应变补偿层，应变补偿层的厚度通常是1-3nm，应变补偿层插入位置(即与下层量子点的间距)根据补偿效果变化。

本发明还提供了一种制备上述GaAs基多层自组织量子点结构中含硼应变补偿层材料的方法，如图4所示，具体步骤如下：

a′、在GaAs衬底41上生长一层GaAs缓冲层(GaAs buffer layer)42，以确保外延层表面平整、缺陷和位错密度低。

b′、在缓冲层42基础上生长一定厚度的BGaAs材料43，调节各种生长参数(如生长温度、硼源流量等)，使B的并入比达到最高且晶体质量优。

c′、采用GaAs帽层45覆盖BGaAs材料。

可以按上述方法中步骤b′在图3中生长应变补偿层36，第一间隔层34a相当于缓冲层42。本实施例是在GaAs(100)衬底上外延BGaAs材料，若使用TEB、TMGa和AsH3进行BGaAs的MOCVD生长，生长温度一般在550-610℃间。如图5所示，通过双晶X射线衍射(DCXRD)测得的BGaAs的外延峰与GaAs衬底峰的峰间距为994弧秒(arcsec)，由此可计算出外延层中B的并入比为4.7％。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (10)

1.一种GaAs基多层自组织量子点结构，包括：衬底、位于所述衬底上的缓冲层、位于所述缓冲层上的N层量子点层及位于所述N层量子点层之上的帽层，所述每两层量子点层之间设有间隔层，其特征在于，至少有一组相邻两层量子点层之间的间隔层为两层，两层间隔层之间还设有应变补偿层。

2.如权利要求1所述的GaAs基多层自组织量子点结构，其特征在于，每两层相邻量子点层之间的间隔层为两层，两层间隔层之间还设有应变补偿层。

3.如权利要求1或2所述的GaAs基多层自组织量子点结构，其特征在于，所述应变补偿层的材料的晶格常数小于间隔层的材料的晶格常数。

4.如权利要求3所述的GaAs基多层自组织量子点结构，其特征在于，所述应变补偿层的材料为BGaAs、BAlAs、BGaP或BAlP，所述间隔层的材料为GaAs或InGaAs。

5.如权利要求1或2所述的GaAs基多层自组织量子点结构，其特征在于，所述量子点层包括：量子点基底层、位于所述量子点基底层上的量子点有源层及位于所述量子点有源层上的量子点盖层。

6.如权利要求5所述的GaAs基多层自组织量子点结构，其特征在于，所述量子点基底层的材料为GaAs、GaAsN、GaAsSb、InGaAs、AlGaAs中的一种或几种组合。

7.如权利要求5所述的GaAs基多层自组织量子点结构，其特征在于，所述量子点有源层的材料为InAs、AlSb、GaSb、InSb、InGaAs中的一种。

8.如权利要求5所述的GaAs基多层自组织量子点结构，其特征在于，所述量子点盖层的材料为GaAs、InGaAs、GaAsSb、InGaAsSb中的一种。

9.一种GaAs基多层自组织量子点结构制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：在衬底上生长缓冲层；

S2：在缓冲层上逐层生长包括自组织量子点层的层次结构；

S3：最后在多层量子点层的顶部生长帽层。

10.如权利要求9所述的GaAs基多层自组织量子点结构制备方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括：

S2.1：生长自组织量子点基底层；

S2.2：在所述量子点基底层上生长自组织量子点有源层；

S2.3：在所述量子点有源层上生长量子点盖层；

S2.4：在所述量子点盖层上依次生长第一间隔层、应变补偿层和第二间隔层；

S2.5：在所述第二间隔层上生长自组织量子点基底层；

S2.6：在所述量子点基底层上生长自组织量子点有源层；

S2.7：重复S2.1～S2.6步骤若干次，形成多层量子点结构。

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