專利名稱：一種低密度InAs量子點的分子束外延生長方法
技術領域：
本發(fā)明涉及半導體材料技術領域，尤其涉及一種低密度量子點的生長方法，特別 是關于一種在GaAs襯底上生長低密度InAs量子點的分子束外延生長(MBE)方法。
背景技術：
近年來，隨著制備高質(zhì)量自組織量子點技術的發(fā)展，半導體量子點在量子光學、量 子通信等方面的研究越來越引起人們的興趣。這些量子點不僅最終實現(xiàn)對載流子的三維限 制，導致載流子的能量在三個維度上量子化而具有分立的能級，呈現(xiàn)出某些原子的殼層填 充特性外，而且還天然地處于固體系統(tǒng)中，可通過調(diào)節(jié)產(chǎn)生非經(jīng)典統(tǒng)計分布的光子。
實驗觀察到光致或電致光子的反聚束效應，并成功制備光致和電致單光子源。自 組織單量子點與高質(zhì)量微腔的耦合，還可以用來研究腔量子電動力學。另外，自組織單量子 點還有可能產(chǎn)生糾纏光子對。由于對單個量子點的研究，尤其是對量子點單光子源的研究 首先需要將量子點相互隔離以便對單個量子點激發(fā)。
盡管自組織量子點的發(fā)光特性很好，但是由于利用該生長方式制備的量子點(如 InAs量子點)具有天然的高密度特性。因此，為了克服SK生長模式生長InAs的高密度性， 人們往往在淀積InAs剛剛達到臨界厚度時就停止淀積，然后通過原溫退火方法獲得小尺 寸低密度InAs量子點。
然而，在這種條件下制備的量子點的密度仍然很難滿足低密度量子點應用的要 求，尺寸也較小，發(fā)光波長較短，無法滿足光纖通信需要的1. 3 μ m或1. 55 μ m波長的通訊窗 口的要求。
目前人們嘗試一些方法來限制量子點被激發(fā)的數(shù)目或過濾掉其它量子點的發(fā)射， 例如在量子點的上方放置帶亞微米孔的金屬接觸來選擇下方一些量子點的發(fā)射。但是這種 方法需要高精度光刻，而且由于在金屬孔處衍射的原因，在與單模光纖耦合時的抽取效率 受到限制；又由于載流子缺少空間限制使得外部量子效率很低。
總之，成熟的生長低密度且滿足與光纖匹配的單光子源長波長量子點非常困難。 正因如此，目前市場上還沒有成熟的低密度量子點單光子光源。發(fā)明內(nèi)容
(一)要解決的技術問題
有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于提高一種低密度InAs量子點的分子束外延生 長方法，以通過對傳統(tǒng)InAs量子點生長工藝的創(chuàng)新和量子點有源區(qū)結構的全新設計，來達 到控制量子點密度以及調(diào)控波長的目的。
(二)技術方案
為達到上述目的，本發(fā)明提供了一種低密度InAs量子點的分子束外延生長方法， 該方法包括
將GaAs襯底放在樣品托上，并引入進樣室進行烘烤；
烘烤完畢后，將GaAs襯底引入制備室，并對GaAs襯底進行除氣處理；
將除過氣的GaAs襯底引入生長室，并對GaAs襯底的加熱器進行升溫，在有As保 護的情況下對GaAs襯底進行脫氧；
將GaAs襯底的加熱器溫度降至生長溫度，生長GaAs緩沖層，并摻雜Si ；
生長多對GaAs/AWaAs分布式布拉格反射鏡；
降低生長溫度，生長低密度量子點；
生長MGaAs (Sb)蓋層；
生長耦合量子點；
生長摻雜GaAs歐姆接觸層，用于制備上電極；
制作上下電極，完成電致單光子器件的制備。
上述方案中，所述引入進樣室進行烘烤，是在180 250攝氏度的溫度條件下進行 的。
上述方案中，所述對GaAs襯底進行除氣處理，是在400 450攝氏度條件下進行 的，在制備室內(nèi)大氣壓降至IO-8Torr以下時表明除氣完畢。
上述方案中，所述在有As保護的情況下對GaAs襯底進行脫氧，脫氧溫度范圍是 580至620攝氏度，脫氧時間是5分鐘。
上述方案中，在脫氧過程中，借助反射式高能電子衍射儀觀察襯底表面的原子再 構情況，確定是否脫氧。
上述方案中，所述將GaAs襯底的加熱器溫度降至生長溫度，生長GaAs緩沖層， 并摻雜Si的步驟中，生長溫度是580 620攝氏度，生長GaAs緩沖層500nm，生長速率為 1 μ m/h，V/III比控制在15 25范圍內(nèi)，Si的摻雜濃度為2 X IO1Vcm30
上述方案中，所述生長多對GaAs/AKiaAs分布式布拉格反射鏡的步驟中，是采用 在量子點有源區(qū)上下方生長GaAs/Ala W^llAs分布式布拉格光柵形成諧振腔的方式來增加 收集效率，GaAs和Ala9G^llAs的厚度可以根據(jù)發(fā)光波長進行調(diào)整，例如，發(fā)光波長在965nm 左右，可取GaAs的厚度為68. STnnuAla9GEiaiAs的厚度為80. 69nm，Si的摻雜濃度為2 X IO18/3cm ο
上述方案中，所述生長低密度量子點，在生長低密度量子點的步驟中，低密度量子 點的生長速率為0. 0005 -0.02 μ m/h，停頓時間是停頓1 20s，V/III比控制在5 25范 圍內(nèi)，生長溫度被降低為500 560攝氏度，淀積層的厚度為1. 8 2. 1單原子層。
上述方案中，所述生長GaAs蓋層的步驟中，是采用MGaAs(Sb)蓋層的方法來拓展 波長，InGaAs (Sb)蓋層的厚度為3 6nm。
上述方案中，所述耦合量子點的生長，采用了雙層耦合點的方法拓展波長至1. 55 微米。在生長第二層耦合點時，采用了調(diào)控隔離層，退火工藝。隔離層厚度為5-15nm;隔離 層退火溫度為550-650攝氏度；隔離層退火時間為10-600S ；
上述方案中，所述生長摻雜GaAs歐姆接觸層的步驟中，摻雜GaAs歐姆接觸層的厚 度為30nm，Be的摻雜濃度為5X 1018/cm3。
(三)有益效果
本發(fā)明提供的這種低密度InAs量子點的分子束外延生長方法，通過調(diào)控^原子 的遷移率和遷移長度以及As原子的表面濃度控制量子點的大小和密度，通過分布式布拉格光柵(DBR)來增加光子的收集效率，通過^GaAs(Sb)蓋層或耦合量子點來調(diào)控波長。該 工藝和結構能夠自由控制量子點密度(IX IO7 IX 109/Cm2)，有效改善量子點發(fā)光效率， 提高收集效率以及實現(xiàn)了波長的調(diào)控(850nm ieOOnm)。適合于低密度量子點光源的生產(chǎn) 和進一步研發(fā)。


圖1是本發(fā)明提供的低密度InAs量子點的分子束外延生長方法的流程圖2是單層低密度量子點生長結構；
圖3是耦合低密度量子點生長結構；
圖4是按照上述工藝生長的不同量子點密度的原子力顯微鏡(AFM)圖5是耦合量子點透射電子顯微鏡(TEM)形貌圖6是低溫顯微PL譜；
圖7是布拉格反射鏡(DBI )反射譜
圖8(a)脈沖電流注入下二階相關函數(shù)，圖8(b)光脈沖注如下二階相關函數(shù)。
具體實施方式
為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照 附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明。
為了實現(xiàn)高質(zhì)量低密度量子點的生長，本發(fā)明采用了以下技術方案采用了分子 束外延方法；采用GaAs襯底生長；低密度量子點的生長溫度控制在500-560攝氏度范圍 內(nèi)；V/III比控制在5-25范圍內(nèi)Jn生長束流控制在0. 0005-0. 02ym/h范圍內(nèi)；采用生長 停頓來進一步控制h原子遷移的長度。為了增加收集效率，在量子點有源區(qū)上下方生長 GaAs/AWaAs分布式布拉格光柵(DBR)；為了調(diào)控量子點波長，本發(fā)明采用了 InGaAs(Sb)蓋 層的方法，其中Sb可以進一步拓展波長。為了使波長拓展至1. 55微米波段，本發(fā)明采用了 雙層耦合點的方法。在生長第二層耦合點時，本發(fā)明采用了調(diào)控隔離層，退火等一系列工藝 措施。
根據(jù)上述工藝和結構設計方案，本發(fā)明具有以下特征
1、采用分子束外延生長(MBE)方式；
2、采用了和傳統(tǒng)SK量子點生長模式有區(qū)別的生長條件，特征是緩慢的生長速率 和較高的生長溫度，以及生長結束后對量子點的退火，具體如下生長溫度控制在580-620 攝氏度范圍內(nèi)；V/III比控制在5-25范圍內(nèi)；In生長束流控制在0. 0005-0. 02ym/h范圍 內(nèi)；停頓時間l-20s ；量子點退火時間10-300s ；量子點退火溫度500-580攝氏度；
3、采用在量子點有源區(qū)上下方生長GaAs/AWaAs分布式布拉格光柵(DBR)形成諧 振腔的方式來增加收集效率；
4、采用InGaAs(Sb)蓋層的方法來拓展波長，尤其是Sb元素的采用；
5、采用了雙層耦合點的方法拓展波長至1. 55微米。在生長第二層耦合點時，本發(fā) 明采用了調(diào)控隔離層，退火等一系列工藝措施。具體特征如下隔離層厚度為5-15nm ；隔離 層退火溫度為550-650攝氏度；隔離層退火時間為10-600S。
如圖1所示，圖1是本發(fā)明提供的低密度InAs量子點的分子束外延生長方法的流程圖，該方法包括以下步驟
步驟101 將GaAs襯底放在樣品托上，并引入進樣室進行烘烤；
在本步驟中，所述引入進樣室進行烘烤，是在180 250攝氏度的溫度條件下進行 烘烤。
步驟102 烘烤完畢后，將GaAs襯底引入制備室，并對GaAs襯底進行除氣處理；
在本步驟中，所述對GaAs襯底進行除氣處理，是在400 450攝氏度條件下進行 除氣處理，在制備室內(nèi)大氣壓降至10_8Torr以下時表明除氣完畢。
步驟103 將除過氣的GaAs襯底引入生長室，并對GaAs襯底的加熱器進行升溫， 在有As保護的情況下對GaAs襯底進行脫氧；
在本步驟中，所述在有As保護的情況下對GaAs襯底進行脫氧，脫氧溫度范圍是 580至620攝氏度，脫氧時間是5分鐘。在脫氧過程中，借助反射式高能電子衍射儀觀察襯 底表面的原子再構情況，確定是否脫氧。
步驟104 將GaAs襯底的加熱器溫度降至生長溫度，生長GaAs緩沖層，并摻雜Si ；
在本步驟中，生長溫度是580 620攝氏度，生長GaAs緩沖層500nm，生長速率為 1 μ m/h，V/III比控制在15 25范圍內(nèi)，Si的摻雜濃度為2 X IO1Vcm30
步驟105 生長多對GaAs/AWaAs分布式布拉格反射鏡；
在本步驟中，采用在量子點有源區(qū)上下方生長GaAS/Ala^iiaiAs分布式布拉格光 柵形成諧振腔的方式來增加收集效率，GaAs和Ala9G^1As的厚度可以根據(jù)發(fā)光波長進行 調(diào)整，例如，發(fā)光波長在965nm左右，可取GaAs的厚度為68. 57nm, Al0.^1As的厚度為 80. 69nm, Si 的摻雜濃度為 2 X IO1Vcm30
步驟106 降低生長溫度，生長低密度量子點；
在本步驟中，低密度量子點的生長速率為0. 0005 0. 02μπιΛ，停頓時間是1 20s，生長溫度被降低為500 560攝氏度，V/III比控制在5_25范圍內(nèi)；淀積量的厚度為 1.8 2. 1單原子層。
步驟107 生長 InGaAs (Sb)蓋層；
在本步驟中，是采用InGaAS(Sb)蓋層的方法來拓展波長，InGaAs蓋層的厚度為 3 6nm0
步驟108 生長耦合量子點；
在本步驟中，采用了雙層耦合點的方法拓展波長至1. 55微米。在生長第二層耦合 點時，采用了調(diào)控隔離層，退火工藝。隔離層厚度為5-15nm ；隔離層退火溫度為550-650攝 氏度；隔離層退火時間為10-600S ；
步驟109 生長摻雜GaAs歐姆接觸層；
在本步驟中，摻雜GaAs歐姆接觸層的厚度為30nm，Be的摻雜濃度為5X 1018/cm3。
步驟110 制作上下電極，完成電致單光子器件的制備。
實施例
本實施例采用Veeco GEN II型分子束外延設備進行生長。
將GaAs (100)襯底放在樣品托上，并引入進樣室在180 250攝氏度的溫度條件 下進行烘烤。
烘烤完畢的襯底引入制備室并在400 450攝氏度條件下進行除氣處理，緩沖室7大氣壓降至IO-8Torr以下時表明除氣完畢。
除過氣的襯底引入生長室，并對襯底加熱器進行升溫，在有As保護的情況下進行 樣品的脫氧。脫氧溫度范圍580至620攝氏度，脫氧時間5分鐘。
在脫氧過程中，借助反射式高能電子衍射儀(RHEED)觀察襯底表面的原子再構情 況，確定是否脫氧。
退火結束后將襯底加熱器溫度降至生長溫度580 620攝氏度，生長GaAs緩沖層 500nm,生長速率為1 μ m/h,生長溫度為580 620攝氏度，V/III比是20，Si摻雜濃度為 2X1018/cm3。
本實施例中的發(fā)光波長選為965nm，生長20對GaAs (68. 57nm) / Al0.9Ga0.^3(80. 69nm)分布式布拉格(DBR)反射鏡，Si摻雜濃度為2X1018/cm3。
生長低密度量子點，生長速率為0.001 μ m/h，停頓時間10s，生長溫度545攝氏度， 生長厚度1.95單原子層。
生長GaAs 蓋層，厚度 226. 2nm。
生長摻雜GaAs層，厚度30nm，Be摻雜為5E18。
做上下電極，制備出電致單光子器件。
按照上述工藝成功生長了低密度InAs量子點發(fā)光器件，結構如圖2所示，AFM形 貌圖如圖4(c)所示，低溫PL譜如圖6所示，反射譜如圖7所示，光致和電致HBT測試如圖 8所示，該圖表明該器件成功發(fā)射了單光子。
以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳 細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡 在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保 護范圍之內(nèi)。
權利要求
1.一種低密度InAs量子點的分子束外延生長方法，其特征在于，該方法包括 將GaAs襯底放在樣品托上，并引入進樣室進行烘烤；烘烤完畢后，將GaAs襯底引入制備室，并對GaAs襯底進行除氣處理； 將除過氣的GaAs襯底引入生長室，并對GaAs襯底的加熱器進行升溫，在有As保護的 情況下對GaAs襯底進行脫氧；將GaAs襯底的加熱器溫度降至生長溫度，生長GaAs緩沖層，并摻雜Si ；生長多對GaAs/AWaAs分布式布拉格反射鏡；降低生長溫度，生長低密度量子點；生長InGaAs蓋層；生長耦合點拓展波長生長摻雜GaAs層；制作上下電極，完成電致單光子器件的制備。
2.根據(jù)權利要求1所述的低密度InAs量子點的分子束外延生長方法，其特征在于，所 述弓I入進樣室進行烘烤，是在180 250攝氏度的溫度條件下進行的。
3.根據(jù)權利要求1所述的低密度InAs量子點的分子束外延生長方法，其特征在于，所 述對GaAs襯底進行除氣處理，是在400 450攝氏度條件下進行的，在制備室內(nèi)大氣壓降 至10_8Torr以下時表明除氣完畢。
4.根據(jù)權利要求1所述的低密度InAs量子點的分子束外延生長方法，其特征在于，所 述在有As保護的情況下對GaAs襯底進行脫氧，脫氧溫度范圍是580至620攝氏度，脫氧時 間是5分鐘。
5.根據(jù)權利要求4所述的低密度InAs量子點的分子束外延生長方法，其特征在于，在 脫氧過程中，借助反射式高能電子衍射儀觀察襯底表面的原子再構情況，確定是否脫氧。
6.根據(jù)權利要求1所述的低密度InAs量子點的分子束外延生長方法，其特征在于，所 述將GaAs襯底的加熱器溫度降至生長溫度，生長GaAs緩沖層，并摻雜Si的步驟中，生長溫 度是580 620攝氏度，生長GaAs緩沖層500nm，生長速率為1 μ m/h，V/III比控制在15 25范圍內(nèi)，Si的摻雜濃度為2 X IO1Vcm30
7.根據(jù)權利要求1所述的低密度InAs量子點的分子束外延生長方法，其特征在于， 所述生長多對GaAs/AKiaAs分布式布拉格反射鏡的步驟中，是采用在量子點有源區(qū)上下 方生長GaAsAla9GiiaiAs分布式布拉格光柵形成諧振腔的方式來增加收集效率，GaAs和 Al0. ^1As的厚度可以根據(jù)發(fā)光波長進行調(diào)整，例如，發(fā)光波長在965nm左右，可取GaAs的 厚度為68. 57nm, Ala9GiiaiAs的厚度為80. 69nm。Si的摻雜濃度為2 X IO1Vcm30
8.根據(jù)權利要求1所述的低密度InAs量子點的分子束外延生長方法，其特征在于，生 長低密度量子點的步驟中，低密度量子點的生長速率為0. 0005 0. 02ym/h，停頓時間是 1 20s，生長溫度被降低為500 560攝氏度，V/III比控制在5 25范圍內(nèi)，InAs淀積 量的厚度為1. 8 2. 1單原子層。
9.根據(jù)權利要求1所述的低密度InAs量子點的分子束外延生長方法，其特征在于，采 用InGaAs(Sb)蓋層的方法來拓展波長，尤其是Sb的采用，InGaAs蓋層的厚度為3 6nm。
10.根據(jù)權利要求1所述的低密度InAs量子點的分子束外延生長方法，其特征在于，采 用了雙層耦合點的方法拓展波長至1. 55微米。在生長第二層耦合點時，采用了調(diào)控隔離層和退火工藝，隔離層厚度為5-15nm，隔離層退火溫度為550-650攝氏度，隔離層退火時間 為 10-600s。
11.根據(jù)權利要求1所述的低密度InAs量子點的分子束外延生長方法，其特征在于，所 述生長摻雜GaAs P型歐姆接觸層的步驟中，摻雜GaAs層的厚度為30nm，Be的摻雜濃度為 5X1018/cm3。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種低密度InAs量子點的分子束外延生長方法，包括將GaAs襯底放在樣品托上，并引入進樣室進行烘烤；烘烤完畢，將GaAs襯底引入制備室，并對GaAs襯底進行除氣處理；將除過氣的GaAs襯底引入生長室，對GaAs襯底的加熱器進行升溫，在有As保護的情況下對GaAs襯底進行脫氧；將GaAs襯底的加熱器溫度降至生長溫度，生長GaAs緩沖層，并摻雜Si；生長多對GaAs/AlGaAs分布式布拉格反射鏡；降低生長溫度，生長低密度量子點；生長InGaAs(Sb)蓋層；生長耦合量子點拓展波長；生長摻雜GaAs層；制作上下電極。利用本發(fā)明，有效改善量子點發(fā)光效率，提高了收集效率以及實現(xiàn)了波長的調(diào)控。
文檔編號H01L33/02GK102034909SQ20091023533
公開日2011年4月27日 申請日期2009年9月30日 優(yōu)先權日2009年9月30日
發(fā)明者倪海橋, 朱巖, 李密峰, 熊永華, 牛智川, 王海莉, 王鵬飛, 賀繼方, 黃社松 申請人:中國科學院半導體研究所