CN1225802C - 提高InAs/GaAs量子点半导体材料发光效率的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种提高InAs/GaAs量子点半导体材料发光效率的方法，其特征在于本发明提出的离子注入方法区别于传统的离子注入技术中注入离子最终停留区域的选择。传统的离子注入技术应用中为了尽可能地减小因离子注入导致的缺陷增殖数量，通常将注入离子的最终停留区域选择在衬底上，避免体现发光功能材料区域的缺陷增殖数量的急剧上升。本发明提出了直接将注入离子停留在量子点区域，同时选择了有效的质子注入和注入工艺条件，结合相应的快速热退火工艺，使得最终离子注入技术得以成功地提高量子点材料的发光效率。
Description
技术领域
本发明涉及用于发光器件的InAs/GaAs量子点半导体材料，具体是指一种提高InAs/GaAs量子点半导体材料发光效率的方法。
背景技术
在目前的半导体激光器和发光二极管中，以载流子三维束缚的量子点半导体材料为激活介质的量子点激光器和发光二极管显示了优异的温度稳定性和较低的阈值电流，因而在光通讯等领域获得广泛的应用。量子点半导体材料一般是通过晶格失配材料的外延自组织生长方法获得，因此材料中量子点的区域广泛地存在着应力的分布。这就使得量子点发光器件在材料制备和器件工艺上带来了以下一些问题：
1.在材料的制备过程中，由于量子点和基体有不同的最佳生长条件，使得在材料的制备中有两难的选择：一种是使用量子点材料的最佳生长条件，这就会降低基体材料的质量而最终降低了器件的性能；另一种是选择量子点材料和基体材料在各自的最优条件下生长，这样虽然可以使得基体材料具有较好的质量，但由于基体材料的较高的生长温度，使得应变的量子点材料不可避免地发生一定地驰豫而产生位错，缺陷等非辐射复合中心，从而极大地降低了量子点材料的发光效率，使得量子点材料高发光效率特性难以充分体现。
2、在激光器和发光二极管的制备工艺过程中，一般都要经过退火处理。在这个过程中，会导致应变的量子点进一步驰豫而产生位错、缺陷等非辐射复合中心。
由上述量子点材料的发光效率降低的原因可见，要提高其发光效率，必须有效地降低材料中的非辐射复合中心。
为此，人们对量子点材料的离子注入降低非辐射复合中心进行了研究，结果均表明无论是离子注入还是热退火均导致量子点材料的非辐射复合中心的增殖，引起发光效率的下降。因此，目前的研究结果表明离子注入技术无法用以改善量子点的发光效率。
当前人们提高量子点材料的发光效率通常是通过细致地摸索量子点生长过程中的工艺条件来获得量子点材料较好的发光效率，如改变生长过程的衬底温度、各源的束流比、不同的衬底晶格取向等。但这些方法对最终的量子点发光效率提高改善并不多，通常只有1-2倍改善的极限能力。而通过这些方法进行对发光效率的改进是十分复杂和昂贵的。
发明内容
本发明的目的是提出一种基于离子注入和热退火技术的用以改善量子点发光效率的方法。相对目前常规的离子注入和热退火技术无法改善量子点发光效率的状态，该方法是选择有效的离子注入种类和特殊的注入工艺条件，结合相应的快速热退火工艺，达到提高量子点材料发光效率目的。
经研究发现，当对InAs量子点材料进行合适的能量和剂量的质子注入后，使得一定浓度的质子分布于量子点材料所在区域，然后对量子点材料进行快速热处理，由于质子在本征半导体中高的扩散率和强的化学活性，使得质子与非辐射的复合中心复合而使之钝化。同时，质子注入能在量子点与GaAs基体的界面处产生大量的可恢复的点缺陷，这些点缺陷能有效地促进界面处量子点材料和基体材料的互扩散而改变束缚量子点的势阱的形状从而增加量子点对载流子的收集效率，上述两方面使得利用质子注入和快速热退火的方法能有效地提高量子点的发光效率。
基于上述原理，本发明提出了如下处理方法，其具体步骤如下：
1.质子能量的选择
为了使注入质子能分布于量子点所在区域，先用Trim软件计算质子进入各层量子点所需的能量，作出不同注入能量下的质子分布与深度的关系曲线，也就是说根据量子点材料的厚度确定分几步注入质子和每一步注入质子的能量。
2.质子剂量的选择
根据对InAs/GaAs量子点材料注入质子剂量的实验证，质子注入剂量在2×1013-1×1014cm-2为较好选择。
3.质子注入
将量子点样品放在离子注入机的样品台上，并使质子束流方向与量子点样品表面法线方向偏离7°，然后根据选定的质子能量和剂量对样品进行质子注入。
4.热处理
将样品放在热处理炉中，在氮气的保护下，以升温速率：100～200℃/s将炉温升高到600到700度，而退火时间一般定在60-120秒进行快速热处理。
本发明方法的最大优点是：利用了离子注入、快速热退火等常规微电子学工艺手段，来降低量子点材料非辐射复合中心，从而提高了量子点的发光效率。
附图说明
图1为嵌埋于GaAs基体中的5层InAs量子点材料结构示意图；
图2为用Trim软件模拟的InAs量子点材料在不同注入能量下，样品的质子与深度的关系，曲线1注入能量为20KeV，曲线2注入能量为40KeV，曲线3注入能量为50KeV，曲线4注入能量为70KeV，曲线5注入能量为80KeV，曲线6注入能量为100KeV；
图3为本实施例的质子分布与注入质子深度的关系曲线，其中点线是用Trim软件模拟的，实线是用二次离子质谱实测的；
图4为本实施例在77K温度下，用美国的Nicolet 800 FT-IR光谱仪测得的荧光积分强度与质子注入剂量的变化曲线图，未经过任何离子注入和退火的量子点材料的发光的积分强度取为1.0。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作详细介绍：
1.量子点材料的生长
典型的量子点激光器或发光二极管中，往往需要使用多层的量子点结构来增加增益和避免增益饱和。本发明的InAs量子点采用GaAs衬底，多层嵌埋于GaAs基体中的InAs量子点采用分子束外延生长技术制备。InAs量子点的生长温度在480℃至520℃之间，而GaAs基体的生长温度在580℃以上。量子点层之间的间隔应大于20nm以避免层与层之间的电子态的耦合。图1为5层InAs量子点嵌埋于GaAs基体的材料结构，量子点层与层之间的间隔为40nm厚的GaAs，最上面覆盖360nm厚的GaAs层。
2.质子的注入
为了使注入的质子分布在量子点所在的区域，需要选择合适的注入能量，首先采用离子注入技术中典型的Trim软件模拟方法，作出不同注入能量下的质子分布与深度的关系曲线，获得分几步注入及每一步注入的能量。从图2可以看出选定一种能量的质子注入，不能满足多层分布的要求，对本实施例中5层量子点结构，选择了50keV和80keV两种注入能量以使得质子在较宽多层量子点的范围内有均匀的分布。对一定的量子点材料，要获得较高的发光效率，质子注入的剂量要有一定的选择。当注入的剂量较低时，还有过多的非辐射的复合中心没有被钝化，从而造成发光效率的提高不明显。当注入的剂量过高时，由质子注入引入的过多的点缺陷在随后的快速热退火中会聚集成不可恢复的缺陷团簇而成为新的非辐射复合中心从而降低量子点材料的发光效率。本实施例中采用的总注入剂量分别为1×1013，5×1013，1×1014，5×1014和1×1015cm-2，两种能量的质子注入的剂量比例为0.4∶1.0。然后将量子点样品放在离子注入机的样品台上，并使质子束流方向与量子点样品表面法线方向偏离7°，然后根据选定的质子能量和剂量对样品进行质子注入。图3给出了软件模拟和二次离子质谱实测的质子分布与注入质子深度的关系曲线，可见模拟的结果基本准确，质子在量子点的区域有一相对均匀的分布。
3.快速热退火
快速热退火采用国内生产的RTP-300型快速退火炉，升温速率：100～200℃/s；温度稳定性：±3℃，快速热退火必需选择合适的温度和时间。过低的温度和过短的时间将不能充分地恢复质子注入造成的点缺陷。而过高的退火温度和过长的退火时间将造成应变的量子点的驰豫而产生新的非辐射复合中心。图4为退火温度在550到700度，退火时间60秒，退火在高纯氮气的保护下进行的样品在77K的温度下，用美国生产的Nicolet 800 FT-IR光谱仪测得的积分强度的变化曲线图，未经过任何离子注入和退火的量子点材料的发光的积分强度取为1.0，可见，在合适的剂量：5×1013cm-2和热处理温度：700℃/60s下，量子点的发光强度可以增强达到6倍。
本发明提出的离子注入方法区别于传统的离子注入技术中注入离子最终停留区域的选择。传统的离子注入技术应用中为了尽可能地减小因离子注入导致的缺陷增殖数量，通常将注入离子的最终停留区域选择在衬底上，避免体现发光功能材料区域的缺陷增殖数量的急剧上升。本发明提出了直接将注入离子停留在量子点区域，同时选择了有效的离子注入种类和注入工艺条件，结合相应的快速热退火工艺，使得最终离子注入技术得以成功地提高量子点材料的发光效率。
Claims (1)
1.一种提高InAs/GaAs量子点半导体材料发光效率的方法，其特征在于具体步骤如下：
A.注入质子能量的选择
为了使注入质子能分布于量子点所在区域，先用Trim软件计算质子进入各层量子点所需的能量，作出不同注入能量下的质子分布与深度的关系曲线，也就是说根据量子点材料的厚度确定分几步注入质子和每一步注入质子的能量；
B.注入质子剂量的选择
根据对InAs/GaAs量子点材料注入质子剂量的实验验证，质子注入剂量在2×1013——1×1014cm-2为较好选择；
C.质子注入
将用分子束外延生长技术制备的InAs/GaAs量子点样品放在离子注入机的样品台上，并使质子束流方向与量子点样品表面法线方向偏离7°，然后根据选定的质子能量和剂量对样品进行质子注入；
D.热处理
将样品放在热处理炉中，在氮气的保护下，以升温速率：100～200℃/s将炉温升高到600到700度，而退火时间一般定在60-120秒进行快速热处理。
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