CN114907848A - 一种双模尺寸InAs/GaAs量子点生长方法、量子点及量子点组合物 - Google Patents

一种双模尺寸InAs/GaAs量子点生长方法、量子点及量子点组合物 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种双模尺寸InAs/GaAs量子点生长方法、量子点及量子点组合物，包括以下步骤：S1、设置第一温度，在长有GaAs缓冲层的GaAs衬底上沉积n个原子层的InAs，1.4＜n＜1.7；S2、设置第二温度，进行退火，形成量子点晶核，其中，所述第二温度低于所述第一温度；S3、在第二温度下，继续沉积1.7‑n原子层的InAs，所述量子点晶核形成第一量子点，当沉积量达到1.7原子层时，第一量子点之间的原子层表面形成第二量子点，其中，所述第二量子点的尺寸小于第一量子点的尺寸。本发明实现双模尺寸且能对两个模式间比例可调的量子点进行制备。

Description

一种双模尺寸InAs/GaAs量子点生长方法、量子点及量子点组 合物
技术领域
本发明涉及纳米材料合成技术领域，具体涉及一种双模尺寸InAs/GaAs量子点生长方法、量子点及量子点组合物。
背景技术
InAs/GaAs量子点材料作为III-V族化合物家族中最经典的代表，已广泛应用于各类光电器件。根据量子限域效应可知，量子点的微观电子能级结构受量子点尺寸强烈调制，而基于量子点工作的器件性能和参数直接由其电子能级结构决定。目前制备获得InAs/GaAs量子点最为普遍的手段为利用S-K外延生长方式。S-K生长获得的量子点的尺寸分布通过统计呈现一个近高斯型的分布包络(单一尺寸模式)，通过现有的各种工艺可以在一定程度上提高量子点的尺寸均匀性(对应于分布包络半高宽变窄)，或降低量子点的均匀性(对应于分布包络半高宽变宽)。但对于一些特殊的应用，比如需要更宽的光电响应谱甚至是双色响应，这时候需要量子点的尺寸分布要做到更宽，而且最好分布能呈现出两个独立的高斯包络即双模尺寸分布，然而目前还未有成熟的技术工艺报道。
目前，常用的双模尺寸InAs/GaAs量子点生长方式主要有以下以下三种：
第一种是通过更高的InAs沉积量来获得双模尺寸的InAs/GaAs量子点,比如文献[1]-[6]中介绍:在已经形成量子点后继续沉积InAs，由于成核位置的不同，一部分成核点会吸收更多的InAs，从而形成大尺寸量子点，另一部分成核点吸收的InAs较少，则会形成小尺寸量子点，最终会形成双模尺寸的InAs/GaAs量子点。
第二种是通过提高生长温度来获得双模尺寸的InAs/GaAs量子点，比如文献[7]-[9]中介绍:这种方法在生长量子点时使用了比较高的生长温度，在更高的生长温度下，一部分In会从已经形成的InAs量子点中脱附，从而形成尺寸较小的量子点，未有脱附或者脱附较少的InAs量子点作为大尺寸量子点，以此来形成双模尺寸的InAs/GaAs量子点。
第三种技术是通过生长结束后的退火来获得双模尺寸的InAs/GaAs量子点，比如文献[10]-[13]中介绍:在已经形成InAs量子点后进行一段时间退火，退火过程中，由于In原子的迁移，更容易聚集形成较大的点，同时未聚集在一起的量子点作为小尺寸InAs量子点，以此形成双模尺寸的InAs/GaAs量子点。
上述方式所获得的量子点的尺寸分布范围有限，且大小尺寸模式并不能做到很有效的独立即无法在统计上出现双模分布特点，而且更没有一种方案能实现大小模式分布比例的快速、高度可控化调控。
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发明内容
本发明的目的是提供一种双模尺寸InAs/GaAs量子点生长方法、量子点及量子点组合物，实现双模尺寸且能对两个模式间比例可调的量子点进行制备。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种双模尺寸InAs/GaAs量子点生长方法，包括以下步骤：
S1、设置第一温度，在长有GaAs缓冲层的GaAs衬底上沉积n个原子层的InAs，1.4＜n＜1.7；
S2、设置第二温度，进行退火，形成量子点晶核，其中，所述第二温度低于所述第一温度；
S3、在第二温度下，继续沉积1.7-n原子层的InAs，所述量子点晶核形成第一量子点，当沉积量达到1.7原子层时，第一量子点之间的原子层表面形成第二量子点，其中，所述第二量子点的尺寸小于第一量子点的尺寸。
作为本发明的进一步改进，所述第一温度为495-500℃，第二温度为460-465℃，且第一温度大于第二温度。
作为本发明的进一步改进，所述步骤S1中，沉积InAs的沉积速率在0.007-0.01原子层/s，As氛围种类为As4，沉积方式采取间断式沉积In。
作为本发明的进一步改进，As4压设置为3.4×10-6Torr。
作为本发明的进一步改进，间断式沉积In以In快门开启30s后加关闭15s为一个周期，重复该生长周期直至总的等效沉积量。
作为本发明的进一步改进，所述步骤S2中退火时间为3-6分钟。
作为本发明的进一步改进，所述步骤S1中，GaAs缓冲层的厚度为500nm。
一种双模尺寸量子点，采用如上所述的一种双模尺寸InAs/GaAs量子点生长方法进行量子点制备。
作为本发明的进一步改进，制备的第一量子点和第二量子的比例为3.6:100-89:100。
一种双模尺寸量子点组合物，包括如上所述的一种双模尺寸量子点。
本发明的有益效果：本发明提供一种能高效生长出具有独立双模尺寸分布的InAs/GaAs量子点工艺，且只需简单改变其中一个参数就能实现从“单一的大尺寸模式分布”到“(大小)双模分布”再到“单一的小尺寸模式分布”连续可调，且对于双模分布时，大小模式间的比例可调可控，显然这将大大拓展量子点器件在研制和设计上的灵活性，能满足更多的应用场景。
附图说明
图1是本发明方法流程示意图；
图2是本发明方法实施步骤S1过程示意图；
图3是本发明方法实施步骤S2过程示意图；
图4是本发明方法实施步骤S3过程示意图；
图5是本发明实施例1量子点表面显示图；
图6是本发明实施例1量子点宽度分布示意图；
图7是本发明实施例1量子点高度分布示意图；
图8是本发明实施例2量子点表面显示图；
图9是本发明实施例2量子点宽度分布示意图；
图10是本发明实施例2量子点高度分布示意图；
图11是本发明实施例3量子点表面显示图；
图12是本发明实施例3量子点宽度分布示意图；
图13是本发明实施例3量子点高度分布示意图；
图中标记为：1、InAs沉积层；2、量子点晶核；3、第一量子点；4、第二量子点。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
如背景技术所述，利用分子束外延系统在GaAs基片上直接外延沉积InAs材料，当沉积量超过临界厚度(约1.7原子层)，将在表面自组装形成3D的InAs量子点。人们可以在很有限的范围内通过继续增加沉积量来获得具有更大尺寸的量子点，但由于S-K临界成核过程属于爆炸式生长，在成核发生后即使增加极微量的InAs(比如0.1原子层)就会有更多的量子点岛出现，由于表面量子点密度的不断增加，很快随着沉积量增加，量子点和量子点之间将会交叠融合并由于应力的不断积累进一步引发位错的产生(一般认为不超过3.5-4原子层)，严重影响量子点的质量。在外延过程中除了通过改变沉积量之外，还可以在适合InAs材料结晶的温度范围内通过设置不同的GaAs基片温度来改变量子点的尺寸，提高衬底温度可以获得大尺寸的量子点，而降低温度成核时则可以获得较小尺寸的量子点，由于S-K自组装生长过程属于热力学随机过程，所获得的量子点的大小无法完全一致具有一定的尺寸分布，再加上另一方面该随机成核过程将在极短的时间范围内呈爆炸式完成，因此量子点尺寸分布具有一定有限范围，所以对于一些特殊的应用，比如需要更宽的光电响应谱甚至是双色响应，很难做到量子点的尺寸分布更宽，无法呈现出两个独立的高斯包络即双模尺寸分布。
针对目前尚未有较好的工艺能实现双模(尤其是两个尺寸模式独立，即分得够开)且能对两个模式间比例可调的量子点制备这一技术问题，参考图1-图4，本发明提供了一种双模尺寸InAs/GaAs量子点生长方法，包括以下步骤：
S1、设置第一温度，在长有GaAs缓冲层的GaAs衬底上沉积n个原子层的InAs，1.4＜n＜1.7；
S2、设置第二温度，进行退火，形成量子点晶核，其中，所述第二温度低于所述第一温度；
S3、在第二温度下，继续沉积1.7-n原子层的InAs，所述量子点晶核形成第一量子点，当沉积量达到1.7原子层时，第一量子点之间的原子层表面形成第二量子点，其中，所述第二量子点的尺寸小于第一量子点的尺寸。
具体地，本发明将获得量子点所需沉积的InAs临界厚度量(一般认为1.7原子层)分成两步(对应两个不同温度点，该温度点需特别选择)生长：即如图2，首先利用分子束外延设备在长有GaAs缓冲层的GaAs衬底上，在T1温度下(经研究T1最优值为495-500℃)先沉积n(n小于1.7，以避免直接在T1温度下直接成核)个原子层的InAs，沉积速率控制在(0.007-0.01原子层/s)，As氛围种类宜选用As4，同时为了提高In原子在表面的迁移程度，沉积方式采取间断式沉积In的方法。然后如图3，将衬底温度降至T2(经研究T2最优值为460-465℃)中断退火t分钟(t经研究最优值为3-6分钟)以在表面预先催化形成一些小的低密度的量子点晶核(为了保证退火后能形成此类量子点晶核，对于之前在高温T1下沉积量n有一个下限值(经研究需大于1.4))，接着如图4，继续沉积剩余的(1.7-n)原子层InAs(具体沉积参数完全同上)，这个过程将包含两个部分：一个是之前预先形成的晶核会迅速长大最终形成大尺寸模式的量子点，另外一个是当沉积量达到1.7原子层(常规临界成核厚度)时在这些大量子点之间的平整浸润层表面会遵循常规的S-K自组装生长(对应于较低温度T2)再形成一批小尺寸的量子点，最后的结果就是在GaAs衬底表面同时获得两种尺寸模式的量子点。
实施例1
本实施例提供了一种双模尺寸InAs/GaAs量子点生长方法，包括以下步骤：
1.首先，在GaAs衬底上先外延生长500nm的GaAs缓冲层后，然后衬底降温至495℃，砷压(As4)设置为3.4×10-6Torr，In的生长速率设置为0.0071原子层/s；接着沉积1.5原子层的InAs,其具体沉积工艺如下，以In快门开启30s后加关闭15s为一个周期，重复该生长周期直至总的等效沉积量(In快门累计的开启时间X In的生长速率，如最后一个周期剩余的待沉积In量不足30s以实际计算为准再加关闭15s In快门)达到1.5原子层，期间As快门始终保持开启；
2.然后，将衬底温度降至465℃中断退火180s，砷压仍然保持在3.4×10-6Torr；
3.退火结束后，继续在465℃下，采用之前同样的生长工艺(以In快门开启30s后加关闭15s为一个周期，如待沉积的In量不足30s以实际计算为准再加关闭15s In快门)沉积0.2原子层的InAs，结束后降温取出进行AFM测试。
结果如图5-图7所示，无论从量子点的宽度分布还是高度分布都可以清晰地看到双模量子点的结果，此时大/小模式量子点比例约为22/100。
实施例2
本实施例与实施例1的不同之处在于改变了高温(495℃)/低温(465℃)的沉积量，495℃下沉积1.4原子层InAs+465℃下沉积0.3原子层，其余条件与实施例1相同。具体过程包括：
1.首先，在GaAs衬底上先外延生长500nm的GaAs缓冲层后，然后衬底降温至495℃，砷压(As4)设置为3.4×10-6Torr，In的生长速率设置为0.0071原子层/s；接着沉积1.4原子层的InAs,其具体沉积工艺如下，以In快门开启30s后加关闭15s为一个周期，重复该生长周期直至总的等效沉积量(In快门累计的开启时间X In的生长速率，如最后一个周期剩余的待沉积In量不足30s以实际计算为准再加关闭15s In快门)达到1.4原子层，期间As快门始终保持开启；
2.然后，将衬底温度降至465℃中断退火180s，砷压仍然保持在3.4×10-6Torr；
3.退火结束后，继续在465℃下，采用之前同样的生长工艺(以In快门开启30s后加关闭15s为一个周期，如待沉积的In量不足30s以实际计算为准再加关闭15s In快门)沉积0.3原子层的InAs，结束后降温取出进行AFM测试。
结果如图8-图10所示，此时大/小模式量子点比例约为3.6/100。
实施例3
本实施例与实施例1的不同之处在于改变了高温(495℃)/低温(465℃)的沉积量，495℃下沉积1.6原子层InAs+465℃下沉积0.1原子层，其余条件与实施例1相同。具体过程包括：
1.首先，在GaAs衬底上先外延生长500nm的GaAs缓冲层后，然后衬底降温至495℃，砷压(As4)设置为3.4×10-6Torr，In的生长速率设置为0.0071原子层/s；接着沉积1.6原子层的InAs,其具体沉积工艺如下，以In快门开启30s后加关闭15s为一个周期，重复该生长周期直至总的等效沉积量(In快门累计的开启时间X In的生长速率，如最后一个周期剩余的待沉积In量不足30s以实际计算为准再加关闭15s In快门)达到1.6原子层，期间As快门始终保持开启；
2.然后，将衬底温度降至465℃中断退火180s，砷压仍然保持在3.4×10-6Torr；
3.退火结束后，继续在465℃下，采用之前同样的生长工艺(以In快门开启30s后加关闭15s为一个周期，如待沉积的In量不足30s以实际计算为准再加关闭15s In快门)沉积0.1原子层的InAs，结束后降温取出进行AFM测试。
结果如图11-13所示，此时大/小模式量子点比例约为89/100。
通过对比实施例1-3可知，只需改变高温(495℃)/低温(465℃)的沉积量就可以调制大小模式的比例。
因此，本发明只需简单改变其中一个参数就能实现从“单一的大尺寸模式分布”到“(大小)双模分布”再到“单一的小尺寸模式分布”连续可调，且对于双模分布时，大小模式间的比例可调可控，显然这将大大拓展量子点器件在研制和设计上的灵活性，能满足更多的应用场景。
本发明还提供一种双模尺寸量子点，采用如上所述的一种双模尺寸InAs/GaAs量子点生长方法进行量子点制备。
作为本发明的进一步改进，制备的第一量子点和第二量子的比例为3.6:100-89:100(实施例1-3证明)。
一种双模尺寸量子点组合物，包括如上所述的一种双模尺寸量子点。
以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (10)

1.一种双模尺寸InAs/GaAs量子点生长方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、设置第一温度，在长有GaAs缓冲层的GaAs衬底上沉积n个原子层的InAs，1.4＜n＜1.7；
S2、设置第二温度，进行退火，形成量子点晶核，其中，所述第二温度低于所述第一温度；
S3、在第二温度下，继续沉积1.7-n原子层的InAs，所述量子点晶核形成第一量子点，当沉积量达到1.7原子层时，第一量子点之间的原子层表面形成第二量子点，其中，所述第二量子点的尺寸小于第一量子点的尺寸。
2.如权利要求1所述的一种双模尺寸InAs/GaAs量子点生长方法，其特征在于：所述第一温度为495-500℃，第二温度为460-465℃，且第一温度大于第二温度。
3.如权利要求1所述的一种双模尺寸InAs/GaAs量子点生长方法，其特征在于：所述步骤S1中，沉积InAs的沉积速率在0.007-0.01原子层/s，As氛围种类为As4，沉积方式采取间断式沉积In。
4.如权利要求3所述的一种双模尺寸InAs/GaAs量子点生长方法，其特征在于：As4压设置为3.4×10-6Torr。
5.如权利要求3所述的一种双模尺寸InAs/GaAs量子点生长方法，其特征在于：间断式沉积In以In快门开启30s后加关闭15s为一个周期，重复该生长周期直至总的等效沉积量。
6.如权利要求1所述的一种双模尺寸InAs/GaAs量子点生长方法，其特征在于：所述步骤S2中退火时间为3-6分钟。
7.如权利要求1所述的一种双模尺寸InAs/GaAs量子点生长方法，其特征在于：所述步骤S1中，GaAs缓冲层的厚度为500nm。
8.一种双模尺寸量子点，其特征在于：采用如权利要求1-7中任一项所述的一种双模尺寸InAs/GaAs量子点生长方法进行量子点制备。
9.如权利要求9所述的一种双模尺寸量子点，其特征在于：制备的第一量子点和第二量子的比例为3.6:100-89:100。
10.一种双模尺寸量子点组合物，其特征在于：包括如权利要求8所述的一种双模尺寸量子点。
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