CN109038220A - 一种长波长InGaAs量子点结构及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种长波长InGaAs量子点结构及其制备方法是一种发光波长在1.3微米波段的InGaAs量子点结构及其材料制备方法，属于半导体材料制造技术领域。采用外延技术生长各外延层；制备步骤包括：在GaAs衬底上依次生长GaAs过渡层、In_xGa_1‑xAs过渡层、InAs量子点层、In_xGa_1‑xAs应变层、GaAs势垒层、GaAs覆盖层；InAs量子点层分两步生长，第一步，生长温度为470~490℃范围内的一个温度，生长厚度为2.0~3.0ML，第二步与第一步在时间上相隔20~60s，在这一时间间隔内将生长温度提升到490~510℃，然后在这一温度范围内的一个温度下继续生长，生长厚度为0.5~1.5ML。该方法制备出1.3微米波段InGaAs量子点材料，具有良好的量子点尺寸均匀性，易于控制，工艺稳定。

Description

一种长波长InGaAs量子点结构及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种发光波长在1.3微米波段的InGaAs量子点结构及其制备方法，属于半导体材料制造技术领域。

背景技术

以量子点结构为有源区的量子点材料从理论上讲具有更低的阈值电流密度、更高的光增益、更高的特征温度和更宽的调制带宽等优点，具有包括制造半导体激光器在内的广泛应用领域，因此，有关量子点材料的领域是一个活跃的发明领域。

GaAs基InGaAs量子点体系因其独特、优良的光电性质，已经成为替代InP基材料，可以用来制备光通讯用1.3微米波段长波长激光器的材料。由于GaAs衬底比InP衬底更便宜，还可以使用AlGaAs作为限制层和波导层，对有源区载流子的限制更强，同时可以很方便地与现有的GaAs微电子工艺技术融合在一起，因此GaAs基材料正在逐步取代InP基材料。

采用量子点材料制作的器件，实现其室温连续工作模式是一个主要的技术问题。提高量子点材料的光学增益是解决这一技术问题的重要技术途径，这一参数决定于材料中量子点的尺寸均匀性和面密度。而在获得1.3微米波段长波长发光的前提下，提高尺寸均匀性和面密度，从制备方法角度讲存在技术难度。也就是说，在量子点层外延过程中，量子点发生聚集结合，量子点尺寸增大，发射波长向长波长方向移动，直到能够发射1.3微米波段长波长光，然而，由于量子点的聚集结合必然导致量子点密度下降；另外，所述的聚集结合并不像所希望的那样均匀进行，导致量子点尺寸均匀性下降。

发明内容

已知技术能够制备出符合要求的1.3微米波段In(Ga)As/GaAs量子点体系材料，然而，由于所采用的外延技术的原因，离实用化、商业化尚存有距离。此外，这种量子点材料除了应当具有室温连续工作模式，它的商业化还要求具有所需要的发光强度。为了实现1.3微米波段InGaAs量子点材料的实用化、商业化，我们提出了一项名为长波长InGaAs量子点结构及其制备方法的技术方案。

本发明是这样实现的，采用MOCVD外延技术生长各外延层；制备步骤包括：在GaAs衬底上依次生长GaAs过渡层、In_xGa_1-xAs过渡层、InAs量子点层、In_xGa_1-xAs应变层、GaAs势垒层、GaAs覆盖层；InAs量子点层分两步生长，第一步，生长温度为470~490℃范围内的一个温度，生长厚度为2.0~3.0ML（单原子层，以下同），第二步与第一步在时间上相隔40~60s，在这一时间间隔内将生长温度提升到490~510℃，然后在这一温度范围内的一个温度下继续生长，生长厚度为0.5~1.5ML。

本发明的发明效果在于制备出具有室温连续工作模式的1.3微米波段InGaAs量子点材料，具有良好的量子点尺寸均匀性，见图1所示，该图表示的是1×1μm²量子点表面原子力显微图，量子点面密度约为4×10¹⁰，而一步外延生长的InGaAs量子点层的量子点面密度仅为3×10¹⁰。峰值波长处在1.3微米波段，半峰宽为35meV，见图2所示。本发明易于控制，工艺稳定。

附图说明

图1是1.3微米InGaAs量子点材料量子点表面原子力显微镜（AFM）图。

图2是 1.3微米InGaAs量子点材料室温光荧光谱图。

图3是五重阵列量子点材料的高分辨率扫描电镜（SEM）图。

具体实施方式

本发明是这样实现的，生长各外延层制备步骤包括：

步骤l；在GaAs衬底上生长GaAs过渡层，生长温度为650~700℃范围内的一个温度，生长厚度为200nm；

步骤2：在GaAs过渡层上生长In_xGa_1-xAs过渡层，0.05≤x≤0.20，生长温度为470~490℃范围内的一个温度，生长厚度为5~10nm；In组分优选含量为0.05≤x≤0.10；

步骤3：在In_xGa_1-xAs过渡层上生长InAs量子点层，分两步生长，第一步，生长温度为470~490℃范围内的一个温度，生长厚度为2.0~3.0ML，第二步与第一步在时间上相隔30~60s，在这一时间间隔内将生长温度提升到490~510℃，然后在这一温度范围内的一个温度下继续生长，生长厚度为0.5~1.5ML；

步骤4：在InAs量子点层上生长In_xGa_1-xAs应变层，0.05≤x≤0.20，生长温度为490~510℃范围内的一个温度，生长厚度为5~10nm；In组分优选含量为0.05≤x≤0.10，既能够保证量子点发光强度，又能够明显改善量子点发光特性；

步骤5：在In_xGa_1-xAs应变层生长GaAs势垒层，生长温度为490~510℃范围内的一个温度，生长厚度为5~10nm；

步骤6：在GaAs势垒层上生长GaAs覆盖层，生长温度为580~620℃范围内的一个温度，生长厚度为30~50nm；

步骤7：在GaAs覆盖层上重复步骤2至步骤6，获得两重阵列量子点材料，重复9次获得十重阵列量子点材料。

下面举例进一步说明本发明：

实施例一：采用MOCVD外延技术生长各外延层，制备步骤包括：

步骤l；在GaAs衬底上生长GaAs过渡层，生长温度为700℃，生长厚度为200nm；

步骤2：在GaAs过渡层上生长In_xGa_1-xAs过渡层，x=0.05，生长温度为500℃，生长厚度为8nm；

步骤3：在In_xGa_1-xAs过渡层上生长InGaAs量子点层，分两步生长，第一步，生长温度为480℃，生长厚度为2.4ML，第二步与第一步在时间上相隔30s，在这一时间间隔内将生长温度提升到500℃，然后在这一温度下继续生长，生长厚度为0.6ML；

步骤4：在InGaAs量子点层上生长In_xGa_1-xAs应变层，x=0.05，生长温度为500℃，生长厚度为8nm；

步骤5：在In_0.05Ga_0.95As应变层生长GaAs势垒层，生长温度为500℃，生长厚度为5nm；

步骤6：在GaAs势垒层上生长GaAs覆盖层，生长温度为600℃，生长厚度为40nm；

步骤7：在GaAs覆盖层上重复4次步骤2至步骤6，获得五重阵列量子点材料。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (1)

1.一种长波长InGaAs量子点结构及其制备方法，其特征在于，采用外延技术生长各外延层；制备步骤包括：在GaAs衬底上依次生长GaAs过渡层、In_xGa_1-xAs过渡层、InAs量子点层、In_xGa_1-xAs应变层、GaAs势垒层、GaAs覆盖层；InAs量子点层分两步生长，第一步，生长温度为470~490℃范围内的一个温度，生长厚度为2.0~3.0ML，第二步与第一步在时间上相隔30~60s，在这一时间间隔内将生长温度提升到490~510℃，然后在这一温度范围内的一个温度下继续生长，生长厚度为0.5~1.5ML；在GaAs覆盖层上重复InAs量子点层、In_xGa_1-xAs应变层、GaAs势垒层、GaAs覆盖层，获得两重阵列量子点材料，重复9次，获得十重阵列量子点材料，In_xGa_1-xAs应变层中的In组分含量为0.05≤x≤0.15。