CN103225109A - 一种ii型iii-v族量子点材料的生长方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种II型III-V族量子点材料的生长方法，包括：在衬底上生长缓冲层；降温到量子点的生长温度，向生长有缓冲层的衬底喷射第一种V族元素，使生长有缓冲层的衬底周围充满该第一种V族元素；将喷射的元素切换为第二种V族元素，使生长有缓冲层的衬底周围充满该第二种V族元素；淀积II型III-V族量子点材料；向生长有缓冲层及II型量子点材料的衬底喷射第二种V族元素，使生长有缓冲层及II型量子点材料的衬底周围充满该第二种V族元素；降温到中间温度，同时向生长有缓冲层及II型量子点材料的衬底喷射第二种V族元素；关闭喷射第二种V族元素，降温到室温。利用本发明，有效控制了V族元素之间的互混反应，提高了量子点形貌和光学质量。
Description
技术领域
本发明涉及低维纳米材料的生长技术，尤其是涉及一种量子点材料的生长方法，具体来说，涉及一种通过外延技术生长具有II类异质结构的量子点材料。
背景技术
量子点(quantum dot，QD)在空间三个维度上都具有纳米尺度，与电子的德布罗意波长相比拟，具有分立的量子化能谱，展现出许多独特的物理性质。近年来，它越来越受到科研工作者的重视，在纳米电子学、光电子学、生命科学、量子信息等领域都有着广阔的应用前景。日趋成熟的分子束外延技术，使高质量的自组装量子点材料的制备成为可能，大大推动了与量子点相关的物理研究和器件开发，成为半导体应用领域的研究热点。
根据异质结构能带类型的不同，量子点分为I型量子点和II型量子点。I型量子点具有I类能带结构：量子点导带下凹，价带上凹，对电子和空穴同时形成势阱，也就是说，I型量子点同时限制电子和空穴。与I型量子点不同的是，II型量子点具有II类能带结构：量子点导带上凸，对电子形成势垒，而价带上凹，对空穴形成势阱。因此，II型量子点只对空穴有三维限制能力，对电子则起到屏蔽作用。由于库伦作用，电子被空穴吸引在量子点周围，聚集在量子点外的薄层中。这种独特的能带结构促使II型量子点具有许多新型的应用，如半导体激光器、发光二极管、太阳能电池等。基于II型量子点只限制空穴的特点，II型量子点在空穴型存储器的应用中也具有很大的潜力。
I型III-V族量子点材料系统通常具有一种V族元素，如InAs/GaAs量子点只包括一种V族元素As。II型III-V族量子点材料系统通常具有两种V族元素，如GaSb/GaAs量子点包括两种V族元素Sb和As。II型III-V族量子点的制备过程相对于I型III-V族量子点要更加困难一些。在II型III-V族量子点制备过程中，界面粗糙度和材料组分难以控制，这是因为V族元素的互混反应经常发生。即使生长温度很低时，使用典型的MBE生长条件也不能避免互混反应。V族元素的互混反应通常是不希望看到的，因为这种现象会改变界面结构及量子点形貌，甚至导致三维结构向二维结构的转变，使量子点消失。在量子点生长过程中，V族元素互混反应是不可避免的，但是可以优化生长方法，尽量减小该反应的程度。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明的目的在于提出一种II型III-V族量子点材料的生长方法，以优化量子点生长过程，有效控制V族元素的互混反应，提高II型III-V族量子点形貌质量和光学性质。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明提供了一种II型III-V族量子点材料的生长方法，该方法包括：步骤1：在衬底上生长缓冲层；步骤2：降温到量子点的生长温度，向生长有缓冲层的衬底喷射第一种V族元素，使生长有缓冲层的衬底周围充满该第一种V族元素；步骤3：将喷射的元素切换为第二种V族元素，使生长有缓冲层的衬底周围充满该第二种V族元素；步骤4：淀积II型III-V族量子点材料；步骤5：向生长有缓冲层及II型量子点材料的衬底喷射第二种V族元素，使生长有缓冲层及II型量子点材料的衬底周围充满该第二种V族元素；步骤6：降温到中间温度，同时向生长有缓冲层及II型量子点材料的衬底喷射第二种V族元素；步骤7：关闭喷射第二种V族元素，降温到室温。
上述方案中，步骤1中所述在衬底上生长缓冲层，采用的是分子束外延技术或金属有机物气相外延技术。
上述方案中，步骤1中所述衬底，采用的材料是III-V族半导体材料。
上述方案中，步骤1中所述缓冲层，采用的材料与衬底材料相同。
上述方案中，步骤2中所述第一种V族元素与构成缓冲层材料的V族元素相同。
上述方案中，步骤4中所述II型III-V族量子点材料是具有II类异质结构的III-V族量子点材料。
上述方案中，步骤3中所述第二种V族元素与构成步骤4中所述II型III-V族量子点材料的V族元素相同。
上述方案中，步骤4中所述淀积II型III-V族量子点材料是在保持V族元素喷射的同时开始喷射III族元素。
上述方案中，步骤6中所述中间温度比量子点生长温度低200℃至300℃。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
1、本发明提供的II型III-V族量子点材料的生长方法，由于在量子点生长前后采用喷射第二种V族元素来保护量子点的方法，有效控制了V族元素之间的互混反应，避免了量子点结构向二维结构转化，所以提高了量子点的形貌质量。
2、本发明提供的II型III-V族量子点材料的生长方法，由于采用合适的生长温度、生长速率和V/III束流比来生长量子点和盖层材料，避免了量子点因高温退火等因素引起的质量恶化，所以提高了量子点的形貌质量和光学质量。
3、本发明提供的II型III-V族量子点材料的生长方法，由于在降温过程中采用分段降温方法，降低到某个中间温度时保持喷射第二种V族元素，起到保护量子点的作用，所以避免了量子点质量的恶化。
附图说明
为了进一步说明本发明的技术内容，以下结合实施例及附图对本发明作详细的描述，其中：
图1是本发明提供的II型III-V族量子点材料的生长方法流程图；
图2是本发明提供的多层II型III-V族量子点材料的生长结构图；
图3是本发明提供的II型III-V族量子点材料的量子点表面形貌图；
图4是本发明提供的II型III-V族量子点材料的光致荧光图。
具体实施方式
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。
请参阅图1至图4，本发明介绍一种II型III-V族量子点材料的制备方法，以下以分子束外延技术生长材料为例，生长多层II型III-V族量子点，生长过程请参阅图1和图2，包括如下步骤：
步骤1：在衬底1上生长缓冲层2；所述衬底1为半绝缘GaAs(100)衬底；所述缓冲层2为GaAs层，生长方法为：同时打开Ga源、As源，保持As/Ga束流比为15～20左右；生长温度为580～600℃，生长厚度为300～1000nm；
步骤2：将衬底温度降至量子点生长温度，同时向生长有缓冲层的衬底喷射第一种V族元素As，使生长有缓冲层的衬底周围充满该第一种V族元素As；所述量子点生长温度为450～480℃；所述喷射第一种V族元素As是只打开As源，持续喷射As元素分子，保持生长有缓冲层的衬底周围充满As分子，目的为保护材料表面，防止III族元素Ga从材料表面脱附；
步骤3：将喷射的元素切换为第二种V族元素Sb4，使生长有缓冲层的衬底周围充满该第二种V族元素Sb；所述喷射第二种V族元素Sb是只打开Sb源，持续喷射Sb元素分子，保持生长有缓冲层的衬底周围充满Sb分子；所述喷射Sb4的时间为10～20秒，目的是去除不需要的第一种V族元素As，在材料表面预先形成一原子层GaSb材料；
步骤4：淀积II型III-V族量子点层5；所述II型III-V族量子点层5为GaSb量子点材料，生长方法为：同时打开Ga源、Sb源，保持Sb/Ga束流比为5.5～6.5左右，量子点材料淀积厚度为0.63～0.72nm，量子点淀积速率为0.03～0.09nm/s；
步骤5：喷射第二种V族元素Sb6；所述第二种V族元素Sb6的喷射时间为60～120秒，目的是防止V族元素互混，保护量子点材料；
步骤6：生长盖层7；所述盖层7为GaAs材料，生长方法同缓冲层2，生长温度与量子点层5相同，生长厚度为20～50nm，目的是形成有GaAs盖层的量子点能带系统，以便测试量子点的光致荧光谱；
重复五遍步骤3至步骤7，生长五层有盖层7的量子点层5，以便测试量子点的光致荧光谱，如图3所示；
再重复一遍步骤3至步骤6，生长一层没有盖层7的量子点层5，以便测试量子点的表面形貌，如图4所示；
步骤7：降温到中间温度，同时向生长有缓冲层及II型量子点材料的衬底喷射第二种V族元素Sb；所述中间温度为150～200℃；
步骤8：关闭喷射第二种V族元素Sb，降温到室温，完成II型III-V族量子点材料的生长。
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 (9)
1.一种II型III-V族量子点材料的生长方法，其特征在于，该方法包括：
步骤1：在衬底上生长缓冲层；
步骤2：降温到量子点的生长温度，向生长有缓冲层的衬底喷射第一种V族元素，使生长有缓冲层的衬底周围充满该第一种V族元素；
步骤3：将喷射的元素切换为第二种V族元素，使生长有缓冲层的衬底周围充满该第二种V族元素；
步骤4：淀积II型III-V族量子点材料；
步骤5：向生长有缓冲层及II型量子点材料的衬底喷射第二种V族元素，使生长有缓冲层及II型量子点材料的衬底周围充满该第二种V族元素；
步骤6：降温到中间温度，同时向生长有缓冲层及II型量子点材料的衬底喷射第二种V族元素；
步骤7：关闭喷射第二种V族元素，降温到室温。
2.根据权利要求1所述的II型III-V族量子点材料的生长方法，其特征在于，步骤1中所述在衬底上生长缓冲层，采用的是分子束外延技术或金属有机物气相外延技术。
3.根据权利要求1所述的II型III-V族量子点材料的生长方法，其特征在于，步骤1中所述衬底，采用的材料是III-V族半导体材料。
4.根据权利要求1或3所述的II型III-V族量子点材料的生长方法，其特征在于，步骤1中所述缓冲层，采用的材料与衬底材料相同。
5.根据权利要求1所述的II型III-V族量子点材料的生长方法，其特征在于，步骤2中所述第一种V族元素与构成缓冲层材料的V族元素相同。
6.根据权利要求1所述的II型III-V族量子点材料的生长方法，其特征在于，步骤4中所述II型III-V族量子点材料是具有II类异质结构的III-V族量子点材料。
7.根据权利要求1所述的II型III-V族量子点材料的生长方法，其特征在于，步骤3中所述第二种V族元素与构成步骤4中所述II型III-V族量子点材料的V族元素相同。
8.根据权利要求1所述的II型III-V族量子点材料的生长方法，其特征在于，步骤4中所述淀积II型III-V族量子点材料是在保持V族元素喷射的同时开始喷射III族元素。
9.根据权利要求1所述的II型III-V族量子点材料的生长方法，其特征在于，步骤6中所述中间温度比量子点生长温度低200℃至300℃。
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109950303A (zh) * | 2019-03-12 | 2019-06-28 | 中国科学院半导体研究所 | 一种锑化物量子点超晶格结构及其生长方法 |
| CN114232085A (zh) * | 2021-12-06 | 2022-03-25 | 中国电子科技集团公司第五十五研究所 | 一种在InP衬底上外延生长InGaAs的方法 |
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2013
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
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| CN114232085B (zh) * | 2021-12-06 | 2024-02-06 | 中国电子科技集团公司第五十五研究所 | 一种在InP衬底上外延生长InGaAs的方法 |
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