CN103225109A - 一种ii型iii-v族量子点材料的生长方法 - Google Patents

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马文全
张艳华
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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

一种II型III-V族量子点材料的生长方法
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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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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