CN1956229A - 偏镓砷(100)衬底双模尺寸分布铟砷量子点及制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明一种偏镓砷(100)衬底双模尺寸分布铟砷量子点，其特征在于，包括：一偏镓砷(100)衬底；一镓砷缓冲层，该镓砷缓冲层制作在偏镓砷(100)衬底上，在GaAs缓冲层表面上得到多原子台阶；一InAs量子点层，该InAs量子点层制作在镓砷缓冲层上，该层量子点层中的量子点成线状排列并具有双模尺寸分布；一镓砷盖层，该镓砷盖层制作在InAs量子点层上，得到InAs量子点材料。
Description
技术领域
本发明涉及一种采用金属有机化合物汽相外延(MOCVD)生长的铟砷(InAs)/镓砷(GaAs)量子点(QDs)材料，特别涉及一种采用偏GaAs(100)衬底生长的一种具有双模尺寸分布的InAs量子点材料。与GaAs(100)衬底上生长的量子点相比，该材料同时具有长发射波长，窄光谱线宽及高光谱强度等优点。
背景技术
理论上预测以QDs为有源区的激光器具有高量子效率、低阈值电流和高特征温度等优越性能。近来，在GaAs衬底上生长的InAs/GaAs QDs因为可以将激光器发射波长延伸到1.3μm或1.5μm而受到广泛关注。为实现所预测的量子点激光器的优越性能，有必要很好的控制有源区量子点材料的尺寸及空间分布均匀性。为此，人们已经开发出了很多方法，其中包括在刻蚀了图形的衬底上生长量子点及选择区域生长等(Appl.Phys.Lett.77，3382(2000)；Appl.Phys.Lett.72，220(1998))。但是由于这些技术往往在量子点中引入缺陷，而限制了其在器件制作中的应用。近来的研究表明，在偏GaAs(100)衬底上生长量子点是一种简单而有效的实现量子点空间有序分布的方法。人们得到了线装排列的量子点，并且没有任何人工引入的缺陷。然而，光荧光试验表明，与GaAs(100)相比，在偏GaAs(100)衬底上生长的量子点或者有较短的发光波长，或者有更宽的光谱线宽(J.Crystal Growth 201/202，1158(1998)；J.Appl.Phys.85，2140(1999))。要应用于激光器件，其性能有必要得到进一步提高。
发明内容
为了得到高性能QDs激光器，提高量子点有源区点材料质量，本发明利用MOCVD技术，在偏GaAs(100)衬底上生长线状排InAs量子点材料。利用该方法得到的量子点材料具有双模尺寸分布，即具有大小两种尺寸的两组量子点。与正GaAs(100)衬底上生长的量子点相比，该材料在实现了一定的空间有序排列，其光荧光谱同时具有长发光波长，窄的光谱线宽及更大的发光强度等优越性质。
本发明所采用的技术方案是：
本发明一种偏镓砷(100)衬底双模尺寸分布铟砷量子点，其特征在于，包括：
一偏镓砷(100)衬底；
一镓砷缓冲层，该镓砷缓冲层制作在偏镓砷(100)衬底上，在GaAs缓冲层表面上得到多原子台阶；
一InAs量子点层，该InAs量子点层制作在镓砷缓冲层上，该量子点层中的量子点成线状排列并具有双模尺寸分布；
一镓砷盖层，该镓砷盖层制作在InAs量子点层上，得到InAs量子点材料。
其中所述的成线状排列并具有双模尺寸分布量子点，具有大小两种尺寸，一种为直径范围在35-45nm，另一种为15-25nm；并且，量子点呈线状排列，具有一维的空间规则性。
其中所述的偏镓砷(100)衬底，其偏角可在1-5度范围内变化。
其中缓冲层的厚度为300-600nm，沉积温度为570-630度，沉积速率为0.5-1.5原子层/秒，五族三族源流量比为15-30。
其中InAs量子点层沉积速度0.01-0.08原子层/秒，沉积过程中五族三族源流量比小于5，InAs量子点的沉积厚度为1-2.4个原子层，沉积温度480-520度。
其中镓砷盖层厚度为10-40nm，沉积温度为480-520度，沉积速率为0.4-0.8原子层/秒，五族三族源流量比为15-30。
其中镓砷盖层生长和InAs量子点层生长之间需停顿10-30秒。
本发明一种偏镓砷(100)衬底双模尺寸分布铟砷量子点的制备方法，其特征在于，包括如下生长步骤：
步骤1：取一偏镓砷(100)衬底；
步骤2：在偏镓砷(100)衬底上生长缓冲层，在缓冲层表面上得到多原子台阶；
步骤3：接着在镓砷缓冲层20上生长InAs量子点，该量子点层中的量子点成线状排列并具有双模尺寸分布；
步骤4：在InAs量子点上生长镓砷盖层，完成InAs量子点材料的制备。
其中所述的成线状排列并具有双模尺寸分布量子点层中的量子点，具有大小尺寸，一种为直径范围在35-45nm，另一种为15-25nm；并且，量子点呈线状排列，具有一维的空间规则性。
其中所述的偏镓砷(100)衬底，其偏角可在1-5度范围内变化。
其中缓冲层的厚度为300-600nm，沉积温度为570-630度，沉积速率为0.5-1.5原子层/秒，五族三族源流量比为15-30。
其中InAs量子点层沉积速度0.01-0.08原子层/秒，沉积过程中五族三族源流量比小于5，InAs量子点的沉积厚度为1-2.4个原子层，沉积温度480-520度。
其中镓砷盖层厚度为10-40nm，沉积温度为480-520度，沉积速率为0.4-0.8原子层/秒，五族三族源流量比为15-30。
其中镓砷盖层生长和InAs量子点层生长之间需停顿10-30秒。
附图说明
为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做进一步的描述，其中：
图1为量子点材料生长示意；
图2为量子点在GaAs缓冲层上的多原子台阶生长的示意；
图3为在偏GaAs(100)衬底上生长的双模尺寸分布量子点的扫描电镜图像；
图4为图3中量子点的光荧光谱。
具体实施方式
请参阅图1及图2所示，本发明一种偏镓砷(100)衬底双模尺寸分布铟砷量子点，其特征在于，包括：
一偏镓砷(100)衬底10，该偏镓砷(100)衬底10，其偏角可在1-5度范围内变化；
一镓砷缓冲层20，该镓砷缓冲层20制作在镓砷偏(100)衬底10上，在GaAs缓冲层20表面上得到多原子台阶21，该缓冲层20的厚度为300-600nm，沉积温度为570-630度，沉积速率为0.5-1.5原子层/秒，五族三族源流量比为15-30；
一InAs量子点层30，该InAs量子点层30制作在镓砷缓冲层20上，该量子点层30中的量子点成线状排列并具有双模尺寸分布；其中所述的成线状排列并具有双模尺寸分布量子点，具有大小两种尺寸，一种为直径范围在35-45nm，另一种为15-25nm；并且，量子点呈线状排列，具有一维的空间规则性，该InAs量子点层30沉积速度0.01-0.08原子层/秒，沉积过程中五族三族源流量比小于5，InAs量子点30的沉积厚度为1-2.4个原子层，沉积温度480-520度；
一镓砷盖层40，该镓砷盖层40制作在InAs量子点层30上，得到InAs量子点材料，该镓砷盖层40厚度为10-40nm，沉积温度为480-520度，沉积速率为0.4-0.8原子层/秒，五族三族源流量比为15-30，该镓砷盖层40生长和InAs量子点层30生长之间需停顿10-30秒。
本发明一种偏镓砷(100)衬底的双模尺寸分布铟砷量子点的制备方法，其特征在于，包括如下生长步骤：
步骤1：取一偏镓砷(100)衬底10，该所述的偏镓砷(100)衬底10，其偏角可在1-5度范围内变化；
步骤2：在偏镓砷(100)衬底10上生长缓冲层20，在缓冲层20表面上得到多原子台阶21，该缓冲层20的厚度为300-600nm，沉积温度为570-630度，沉积速率为0.5-1.5原子层/秒，五族三族源流量比为15-30；
步骤3：接着在镓砷缓冲层20上生长InAs量子点30，该量子点层中的量子点成线状排列并具有双模尺寸分布，该成线状排列并具有双模尺寸分布量子点，具有大小尺寸，一种为直径范围在35-45nm，另一种为15-25nm；并且，量子点呈线状排列，具有一维的空间规则性，该InAs量子点层30沉积速度0.01-0.08原子层/秒，沉积过程中五族三族源流量比小于5，InAs量子点30的沉积厚度为1-2.4个原子层，沉积温度480-520度；
步骤4：在InAs量子点30上生长镓砷盖层40，该镓砷盖层40厚度为10-40nm，沉积温度为480-520度，沉积速率为0.4-0.8原子层/秒，五族三族源流量比为15-30，该镓砷盖层40生长和InAs量子点层30生长之间需停顿10-30秒，完成InAs量子点材料的制备。
请再参阅图1，图1所示量子点材料生长示意图中，GaAs缓冲层20的厚度为300-600nm，生长温度为570-630度，沉积速率为0.5-1.5原子层/秒，五族三族源流量比为15-30，在这个生长条件范围内，多原子台阶21会在GaAs缓冲层20表面自然形成。InAs量子点层30的沉积厚度为1-2.4个原子层，生长温度480-520度，沉积速度0.01-0.08原子层/，五族三族源流量比小于5。在这个生长条件范围内生量子点层30中的量子点成线装空间规则排列，并且具有双模尺寸分布。GaAs盖层40的厚度为30纳米，可以在量子点生长温度生长，也可以在较高温度生长，以提高晶体质量。
图2所示量子点在GaAs缓冲层上的多原子台阶生长的示意，当GaAs缓冲层厚度300-600nm，生长温度为570-630度，沉积速率为0.5-1.5原子层/秒，五族三族源流量比为15-30时，多原子台阶在缓冲层表面自然形成。由于在多原子台阶处形核材料体系能量最低，使得所形成的量子点沿台阶棑部，具有一定的空间有序性。而且由于在多原子台阶处形核临界尺寸小，所以量子点密度很高，并且均匀性好。
图3所示为偏GaAs(100)衬底上形成的量子点的扫描电镜图像。生长条件为：沉积厚度为1.7个原子层，生长温度507度，沉积速度0.034原子层/秒，五族三族源流量比为5。由图可见量子点具有双模尺寸分布，有大小尺寸两组量子点；并且量子点成线状排列，具有一定的空间分布规则性。由于这种双模尺寸分布，其中较大尺寸一组量子点的发光波长可以大于正GaAs衬底上生长的量子点，适合于长波长应用。
图4为相同条件下生长的在两种衬底(正(100)和偏(100)GaAs)上生长的量子点的光荧光谱。由图可见，相对于正(100)衬底量子点，偏GaAs(100)衬底上生长的量子点光荧光谱具有更长的发光波长，更窄的光谱线宽以及大的多的光谱强度。由于相邻多原子台阶的限制作用，偏GaAs(100)衬底上生长的量子点相对于正(100)衬底量子点尺寸分布更均匀，同时，这种限制作用减少了可能产生位错的大量子点的数目。量子点的双模尺寸分布使得偏GaAs(100)衬底上的量子点可以有长的发射波长。
实施例
参阅图1，在偏GaAs(100)(向(110)面倾斜2度)衬底10上一次性依次外延生长GaAs缓冲成20，InAs量子点层30及GaAs盖层40。这个材料体系可以将激光器发射波长延伸到1.3μm或1.5μm，并且由于量子点材料特有的对电子的三维限制作用，以QDs为有源区的激光器具有高量子效率、低阈值电流和高特征温度等优越性能。首先生长GaAs缓冲层20，生长过程中控制生长条件如下：GaAs缓冲层20厚度500nm，生长温度为600度，沉积速率为1.0原子层/秒，五族三族源流量比为20，在这个生长条件下，多原子台阶会在GaAs缓冲层20表面自然形成。由于在多原子台阶处形核材料体系能量最低，使得所形成的量子点沿台阶棑部，具有一定的空间有序性。而且由于在多原子台阶处形核临界尺寸小，所以量子点密度很高，并且均匀性好，可以得到长的发光波长和大的发光强度，有利于器件应用。接着生长InAs量子点层30，InAs量子点层30的厚度为1.7个原子层，沉积温度500度。量子点层30生长过程中采用低沉积速度(0.034原子层/秒)和低的五族三族源流量比(4)。在这个生长条件下生长的量子点成线装空间规则排列，并且具有双模尺寸分布。由于这种双模尺寸分布，其中较大尺寸一组量子点的发光波长可以大于正GaAs衬底上生长的量子点，适合于长波长应用。由于相邻多原子台阶的限制作用，偏GaAs(100)衬底上生长的量子点相对于正(100)衬底量子点尺寸分布更均匀，同时，这种限制作用减少了可能产生位错的大量子点的数目，提高了材料发光效率。最后生长GaAs盖层40，GaAs盖层40厚度500nm，生长温度为500度，沉积速率为0.5原子层/秒，五族三族源流量比为20。
表1为本发明偏镓砷(100)衬底双模尺寸分布铟砷量子点的制作条件。
表1
| 沉积温度(度) | 沉积速度(原子层/秒) | 沉积厚度 | 五族三族元素比 | |
| GaAs缓冲层20 | 570-630 | 1.0-1.5 | 300-600nm | 15-30 |
| InAs量子点层30 | 480-520 | 0.01-0.08 | 1-2.4原子层 | ＜5 |
| GaAs盖层40 | 480-520 | 0.4-0.8 | 15-45nm | 15-30 |
Claims (14)
1、一种偏镓砷(100)衬底双模尺寸分布铟砷量子点，其特征在于，包括：
一偏镓砷(100)衬底；
一镓砷缓冲层，该镓砷缓冲层制作在偏镓砷(100)衬底上，在GaAs缓冲层表面上得到多原子台阶；
一InAs量子点层，该InAs量子点层制作在镓砷缓冲层上，该量子点层中的量子点成线状排列并具有双模尺寸分布；
一镓砷盖层，该镓砷盖层制作在InAs量子点层上，得到InAs量子点材料。
2、根据权利要求1所述的偏镓砷(100)衬底双模尺寸分布铟砷量子点，其特征在于，其中所述的成线状排列并具有双模尺寸分布量子点，具有大小两种尺寸，一种为直径范围在35-45nm，另一种为15-25nm；并且，量子点呈线状排列，具有一维的空间规则性。
3、根据权利要求1所述的偏镓砷(100)衬底双模尺寸分布铟砷量子点，其特征在于，其中所述的偏镓砷(100)衬底，其偏角可在1-5度范围内变化。
4、根据权利要求1所述的偏镓砷(100)衬底双模尺寸分布铟砷量子点，其特征在于，其中缓冲层的厚度为300-600nm，沉积温度为570-630度，沉积速率为0.5-1.5原子层/秒，五族三族源流量比为15-30。
5、根据权利要求1所述的偏镓砷(100)衬底双模尺寸分布铟砷量子点，其特征在于，其中InAs量子点层沉积速度0.01-0.08原子层/秒，沉积过程中五族三族源流量比小于5，InAs量子点的沉积厚度为1-2.4个原子层，沉积温度480-520度。
6、根据权利要求1所述的偏镓砷(100)衬底双模尺寸分布铟砷量子点，其特征在于，其中镓砷盖层厚度为10-40nm，沉积温度为480-520度，沉积速率为0.4-0.8原子层/秒，五族三族源流量比为15-30。
7、根据权利要求6所述的偏镓砷(100)衬底双模尺寸分布铟砷量子点，其特征在于，其中镓砷盖层生长和InAs量子点层生长之间需停顿10-30秒。
8、一种偏镓砷(100)衬底双模尺寸分布铟砷量子点的制备方法，其特征在于，包括如下生长步骤：
步骤1：取一偏镓砷(100)衬底；
步骤2：在偏镓砷(100)衬底上生长缓冲层，在缓冲层表面上得到多原子台阶；
步骤3：接着在镓砷缓冲层上生长InAs量子点，该层量子点成线状排列并具有双模尺寸分布；
步骤4：在InAs量子点上生长镓砷盖层，完成InAs量子点材料的制备。
9、根据权利要求8所述的偏镓砷(100)衬底双模尺寸分布铟砷量子点的制备方法，其特征在于，其中所述的成线状排列并具有双模尺寸分布量子点，具有大小尺寸，一种为直径范围在35-45nm，另一种为15-25nm；并且，量子点呈线状排列，具有一维的空间规则性。
10、根据权利要求8所述的偏镓砷(100)衬底双模尺寸分布铟砷量子点的制备方法，其特征在于，其中所述的偏镓砷(100)衬底，其偏角可在1-5度范围内变化。
11、根据权利要求8所述的偏镓砷(100)衬底双模尺寸分布铟砷量子点的制备方法，其特征在于，其中缓冲层的厚度为300-600nm，沉积温度为570-630度，沉积速率为0.5-1.5原子层/秒，五族三族源流量比为15-30。
12、根据权利要求8所述的偏镓砷(100)衬底双模尺寸分布铟砷量子点的制备方法，其特征在于，其中InAs量子点层沉积速度0.01-0.08原子层/秒，沉积过程中五族三族源流量比小于5，InAs量子点的沉积厚度为1-2.4个原子层，沉积温度480-520度。
13、根据权利要求8所述的偏镓砷(100)衬底双模尺寸分布铟砷量子点的制备方法，其特征在于，其中镓砷盖层厚度为10-40nm，沉积温度为480-520度，沉积速率为0.4-0.8原子层/秒，五族三族源流量比为15-30。
14、根据权利要求13所述的偏镓砷(100)衬底双模尺寸分布铟砷量子点的制备方法，其特征在于，其中镓砷盖层生长和InAs量子点层生长之间需停顿10-30秒。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |