一种GaAs基InAs量子点材料生长方法技术

技术编号:19514126 阅读:34 留言:0更新日期:2018-11-21 09:30
本发明专利技术提供一种GaAs基InAs量子点材料生长方法,包括:S1、在衬底上生长GaAs缓冲层;S2、在缓冲层上生长2~4ML的InAs量子点层,生长温度为470~510℃;S3、关闭As源;S4、在InAs量子点层的顶部采用FME模式生长一层所需厚度的低温帽层,生长温度为470~510℃;S5、在低温帽层上采用常规方法生长一层所需厚度的高温帽层,生长温度580~630℃。本发明专利技术采用FME模式III‑V族原子交替生长在InAs量子点表面,晶体质量好,原子迁移时间长,迁移率高,位错密度低,覆盖均匀性好,提高量子点的发光效率。

【技术实现步骤摘要】
一种GaAs基InAs量子点材料生长方法
本专利技术属于低维半导体量子点材料和结构的可控性生长
,具体涉及一种GaAs基InAs量子点材料生长方法。
技术介绍
自组装InAs量子点电子和空穴在三维方向上均受到限制,表现出量子化的电子态和高的辐射复合效率。InAs量子点激光器有阈值电流小、工作温度高等优点,不仅能在目前的通信领域注入活力;基于量子点的单光子源,不仅单光子产生效率高,且调制速率快,为未来量子信息技术的发展和实现快速高效安全的量子通信奠定基础;而在高效电池结构中引入量子点,可以有效改善电池的电池效率,及提高抗辐照性能温度特性;在Si基单片集成中采用量子点作为有源层材料,其分离分布特性使之可耐受较多的缺陷,易过滤掉异质外延产生的线位错带来的特性恶化。InAs量子点材料主要由分子束外延(MBE)或金属有机化学气相沉积(MOCVD)技术生长。对于量子点器件,量子点总是被嵌入到体材料之间,即在生长完量子点后,需再生长一层帽层。对于InAs量子点,一般在上面生长一个宽带隙的盖层,常见的有GaAs,lnGaAs,AlGaAs,GaInP等帽层,一方面对起载流子到限制作用,另一方面保护好量子点的形貌特性,增加量子点的稳定性。但是MOCVD中InAs量子点的最佳生长温度范围为470~520℃,而帽层的生长最佳生长一般大于600℃,两种材料的生长温度不匹配。因此为了避免在升温过程中InAs量子点解析和聚集,引起InAs量子点形貌和密度发生变化,恶化InAs量子点性能。常规的生长方式是采用两步法生长帽层,先在量子点生长温度生长几纳米的帽层,再升高温度生长。现有方案是在量子点生长温度470~520℃范围内生长的低温帽层,V族源和III族源同时打开,为连续生长模式生长低温帽层。在470~520℃范围内生长的III-V族化合物低温帽层晶体质量差,缺陷密度高,易产生非辐射复合中心,降低了InAs量子点的内量子效率。
技术实现思路
本专利技术提供一种GaAs基InAs量子点材料生长方法,以解决目前低温帽层晶体质量差,缺陷密度高,降低了InAs量子点的内量子效率的问题。根据本专利技术实施例的第一方面,提供一种GaAs基InAs量子点材料生长方法,其特征在于,包括:S1、在衬底上生长GaAs缓冲层;S2、在缓冲层上生长2~4ML的InAs量子点层,生长温度为470~510℃;S3、关闭As源;S4、在InAs量子点层的顶部采用FME模式生长一层所需厚度的低温帽层,生长温度为470~510℃;S5、在低温帽层上采用常规方法生长一层所需厚度的高温帽层,生长温度580~630℃:其中,所述FME模式生长具体包括:S4.1、同时打开两路相同的V族源:V族源V-1和V-2,生长V族原子;S4.2、关闭V-1族源,将V2族源作为保护气体;S4.3、打开III族源,生长单层III族原子,生长速率1ML/s;S4.4、关闭III族源;S4.5、打开V-1族源,生长V-1族原子;S4.6、重复S4.2~S4.5步骤若干次,形成低温帽层FME(Flow-ratemodulationepitaxy)技术即速率调控外延技术。本专利技术采用FME模式III-V族原子交替生长在InAs量子点表面,晶体质量好,原子迁移时间长,迁移率高,位错密度低,覆盖均匀性好,提高量子点的发光效率。在一种可选的实现方式中,所述帽层材料为GaAs、InGaAs、A1GaAs、GaInP中的一种。在一种可选的实现方式中,所述V-2族源流量为V-1族源流量的2%~20%。在一种可选的实现方式中,关闭As源后,生长中断10~50秒。在一种可选的实现方式中,所述低温帽层的厚度是1~10nm。在一种可选的实现方式中,所述高温帽层的厚度是5~40nm。附图说明图1是本专利技术中InAs量子点生长结构示意图;图2是本专利技术中采用FME模式生长In0.2Ga0.8As气体流量顺序示意图。具体实施方式为了使本
的人员更好地理解本专利技术实施例中的技术方案,并使本专利技术实施例的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂,下面结合附图对本专利技术实施例中技术方案作进一步详细的说明。在本专利技术的描述中,除非另有规定和限定,需要说明的是,术语“连接”应做广义理解,例如,可以是机械连接或电连接,也可以是两个元件内部的连通,可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,对于本领域的普通技术人员而言,可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。如图1所示,本专利技术提供一种GaAs基InAs量子点材料生长方法,其特征在于,包括:S1、在衬底上生长GaAs缓冲层;S2、在缓冲层上生长2~4ML的InAs量子点层,生长温度为470~510℃;S3、关闭As源;S4、在InAs量子点层的顶部采用FME模式生长一层所需厚度的低温帽层,生长温度为470~510℃;S5、在低温帽层上采用常规方法生长一层所需厚度的高温帽层,生长温度580~630℃;其中,所述FME模式生长具体包括:S4.1、同时打开两路相同的V族源:V族源V-1和V-2,生长V族原子;S4.2、关闭V-1族源,将V2族源作为保护气体;S4.3、打开III族源,生长单层III族原子,生长速率1ML/s;S4.4、关闭III族源;S4.5、打开V-1族源,生长V-1族原子;S4.6、重复S4.2~S4.5步骤若干次,形成低温帽层FME(Flow-ratemodulationepitaxy)技术即速率调控外延技术。本专利技术采用FME模式III-V族原子交替生长在InAs量子点表面,晶体质量好,原子迁移时间长,迁移率高,位错密度低,覆盖均匀性好,提高量子点的发光效率。在一种可选的实现方式中,所述帽层材料为GaAs、InGaAs、AlGaAs、GaInP中的一种。在一种可选的实现方式中,所述V-2族源流量为V-1族源流量的2%~20%。在一种可选的实现方式中,关闭As源后,生长中断10~50秒。在一种可选的实现方式中,所述低温帽层的厚度是1~10nm。在一种可选的实现方式中,所述高温帽层的厚度是5~40nm。如图1和2所示,以InAs量子点,In0.2Ga0.8As帽层为例:步骤1,将GaAs衬底放在MOCVD托盘上,在压力100mbar,温度700℃下和氢气气氛中烘烤20分钟。降温到650℃生长500nmGaAs缓冲层,生长速率2μm/h,V/III比是100;步骤2,降温到500℃在GaAs缓冲层上生长InAs量子点层,V/III比是100,厚度为2.5ML,生长速率为0.1ML/s;步骤3,关闭AsH3,停顿40s;步骤4,采用FME模式生长5nmIn0.2Ga0.8As帽层,每个原子层的生长速率为1ML/s,V/III比是200;步骤5,升温到600℃,生长10nmmGaAs缓冲层,生长速率2μm/h,V/III比是100。本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的专利技术后,将容易想到本专利技术的其它实施方案。本申请旨在涵盖本专利技术的任何变型、用途或者适应性变化,这些变型、用途或者适应性变化遵循本专利技术的一般性原理并包括本专利技术未公开的本
中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的,本专利技术的真正范围和精神由下面的权利要求指出。应当理解的是,本专利技术并不局限于上面已经描述并本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种GaAs基InAs量子点材料生长方法,其特征在于,包括:S1、在衬底上生长GaAs缓冲层;S2、在缓冲层上生长2~4ML的InAs量子点层,生长温度为470~510℃;S3、关闭As源;S4、在InAs量子点层的顶部采用FME模式生长一层所需厚度的低温帽层,生长温度为470~510℃;S5、在低温帽层上采用常规方法生长一层所需厚度的高温帽层,生长温度580~630℃;其中,所述FME模式生长具体包括:S4.1、同时打开两路相同的V族源:V族源V‑1和V‑2,生长V族原子;S4.2、关闭V‑1族源,将V2族源作为保护气体;S4.3、打开III族源,生长单层III族原子,生长速率1ML/s;S4.4、关闭III族源;S4.5、打开V‑1族源,生长V‑1族原子;S4.6、重复S4.2~S4.5步骤若干次,形成低温帽层。

【技术特征摘要】
1.一种GaAs基InAs量子点材料生长方法,其特征在于,包括:S1、在衬底上生长GaAs缓冲层;S2、在缓冲层上生长2~4ML的InAs量子点层,生长温度为470~510℃;S3、关闭As源;S4、在InAs量子点层的顶部采用FME模式生长一层所需厚度的低温帽层,生长温度为470~510℃;S5、在低温帽层上采用常规方法生长一层所需厚度的高温帽层,生长温度580~630℃;其中,所述FME模式生长具体包括:S4.1、同时打开两路相同的V族源:V族源V-1和V-2,生长V族原子;S4.2、关闭V-1族源,将V2族源作为保护气体;S4.3、打开III族源,生长单层III族原子,生长速率1ML/s;S4.4、关闭III族源;S4.5、打开V-1族源,生长...

【专利技术属性】
技术研发人员:刘尚军周勇莫才平冯琛张靖杨晓波刘万清
申请(专利权)人:中国电子科技集团公司第四十四研究所
类型:发明
国别省市:重庆,50

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