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(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體材料技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種在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(shù)：
采用InAs單量子點實現(xiàn)單光子和糾纏光子發(fā)射、固態(tài)量子計算和量子信息處理、以及極低閾值單量子點激光器等是目前熱點課題。而通過生長低密度InAs量子點來制備高質(zhì)量單光子源是重要技術(shù)途徑。在分子束外延生長低密度自組織InAs量子點的方法中，精確控制量子點二維到三維結(jié)構(gòu)的臨界轉(zhuǎn)變參數(shù)是獲得低密度量子點的關(guān)鍵。對于InAs/GaAs應(yīng)變自組織量子點，通常采用反射式高能電子衍射儀(RHEED)進行原位監(jiān)測。當(dāng)RHEED圖像從長條形再構(gòu)圖形變成點陣再構(gòu)圖形時，認(rèn)為InAs外延層從二維生長變成三維生長，此時的InAs淀積量D稱為臨界生長厚度。研究表明當(dāng)RHEED圖像顯示點陣再構(gòu)圖形后，生長的InAs/GaAs量子點樣品的原子力顯微圖像測試結(jié)果表明InAs量子點的密度已經(jīng)比較高(大于109/cm2)，樣品在液氮制冷條件下微區(qū)光致發(fā)光譜為多個峰值，且峰值之間有交疊不可分辨，二階關(guān)聯(lián)函數(shù)值g2 (O)大于0.5，多光子發(fā)射幾率過高，達不到單光子源器件的要求，這說明這種臨界淀積量下形成的InAs量子點密度過高?？赏ㄟ^降低InAs淀積量(略低于D)、提高生長溫度或者增加InAs生長完后的停頓時間等，來進一步降低InAs量子點的密度。這需要單獨生長一個試驗片獲得臨界淀積量D及生長溫度等生長參數(shù)，然后在此基礎(chǔ)上進行參數(shù)調(diào)節(jié)。由于InAs從二維到三維轉(zhuǎn)換對生長條件的要求非?？量?，臨界參數(shù)附近InAs量子點密度隨生長參數(shù)成指數(shù)變化。因此，使用非原位標(biāo)定的臨界參數(shù)生長的低密度InAs量子點，不同批次樣品由于鑰托、腔室氣氛、生長速率測試等引起的生長參數(shù)誤差會導(dǎo)致低密度InAs量子點的生長可重復(fù)性很低(低于50%)。為了克服非原位標(biāo)定的臨界參數(shù)引起的誤差，可通過原位標(biāo)定來解決。

發(fā)明內(nèi)容
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有鑒于此，本發(fā)明通過對InAs量子點材料生長方法引入創(chuàng)新性設(shè)計，原位獲取量子點二維到三維轉(zhuǎn)化的臨界生長參數(shù)，來提高低密度InAs量子點生長的成功率。本發(fā)明公開了一種低密度InAs量子點分子束外延生長方法，其包括:步驟1:在襯底上生長InAs犧牲層量子點；步驟2:原位高溫退火使InAs犧牲層量子點完全解吸附；步驟3:微調(diào)InAs犧牲層量子點二維到三維轉(zhuǎn)化的臨界生長參數(shù)，以微調(diào)后的所述臨界生長參數(shù)生長InAs有源層量子點。其中，生長InAs犧牲層量子點時，原位獲取InAs 二維到三維轉(zhuǎn)化的臨界生長參數(shù)。其中，其中步驟2中原位高溫退火溫度范圍:571 599°C，退火時間5分鐘至10分鐘。
其中，步驟2中所述高溫退火使InAs犧牲層量子點完全解吸附后生長一定厚度的GaAs進行隔離，進一步消除InAs犧牲層量子點的影響。其中，其中所述的微調(diào)InAs犧牲層量子點生長參數(shù)包括升高生長溫度或者降低生長厚度。其中，步驟I中生長InAs犧牲層量子點的生長溫度為516°C，而InAs有源層量子點的生長溫度為將所述InAs犧牲層量子點的生長溫度升高5°C。其中，該方法中所述InAs犧牲層量子點二維到三維轉(zhuǎn)化的臨界生長參數(shù)是通過反射式高能電子衍射儀(RHEED)原位獲取的。其中，所述襯底為GaAs襯底。其中，所述臨界生長參數(shù)包括InAs犧牲層量子點從二維到三維轉(zhuǎn)化的臨界生長厚度。本發(fā)明通過分子束外延方法，采用GaAs襯底生長，并引入InAs犧牲層量子點原位獲取二維到三維轉(zhuǎn)化的臨界生長參數(shù)，原位退火使InAs犧牲層完全解吸附，并通過RHEED再構(gòu)變化判斷InAs是否完全解吸附；生長GaAs隔離層進一步消除InAs犧牲層量子點對InAs有源層量子點的影響；InAs有源層量子點的生長溫度通過原位獲取的臨界生長參數(shù)進行微調(diào)，有效提高低密度InAs量子點生長的成功率，改善低密度量子點的低溫微區(qū)光譜(UPL)0原位獲取的InAs量子點二維到三維轉(zhuǎn)化的臨界生長參數(shù)有效的減小了系統(tǒng)隨機誤差帶來的影響，使得臨界參數(shù)附近InAs量子點的低密度具有較高的重復(fù)性。


圖1是本發(fā)明中低密度InA s量子點分子束外延生長方法的方法流程圖；圖2是本發(fā)明中生長InAs犧牲層量子點二維到三維轉(zhuǎn)化臨界狀態(tài)下的RHEED圖像；圖3是本發(fā)明中低密度InAs量子點生長結(jié)構(gòu)圖；圖4是本發(fā)明中低密度InAs量子點的原子力顯微鏡(AFM)圖；圖5是本發(fā)明中低密度InAs量子點在液氮溫度下的微區(qū)光致光譜。
具體實施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明。圖1示出了本發(fā)明提出的低密度InAs量子點分子束外延生長方法的方法流程圖。如圖1所示，本發(fā)明提出了一種低密度InAs量子點分子束外延生長方法，其主要包括:在襯底上生長InAs犧牲層量子點；原位高溫退火使InAs犧牲層量子點完全解吸附；微調(diào)InAs犧牲層量子點二維到三維轉(zhuǎn)化的臨界生長參數(shù)，以微調(diào)后的所述臨界生長參數(shù)生長InAs有源層量子點。本發(fā)明的一優(yōu)選實施例中采用Veeco GEN II型分子束外延設(shè)備進行生長，該優(yōu)選實施例中所述低密度InAs量子點分子束外延生長方法包括:步驟1、將GaAs(IOO)半絕緣襯底放在樣品托上，并引入進樣室，在190°C的溫度條件下進行烘烤2小時。
步驟2、將烘烤完畢的襯底引入制備室，并在420°C條件下進行除氣處理。制備室大氣壓降至2.5X10_7Torr以下時表明除氣完畢。步驟3、將除氣結(jié)束的襯底引入生長室，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610°C，脫氧時間10分鐘。步驟4、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(gòu)情況，確定是否脫氧。步驟5、脫氧結(jié)束后將襯底加熱器溫度降至生長溫度580°C，生長GaAs緩沖層300nm,生長速率為I μ m/h, N/III比是20。步驟6、降低生長溫度至516°C后生長InAs犧牲層量子點，生長速率0.005 μ m/h,生長厚度通過觀察反射式高能電子衍射儀(RHEED)圖像剛好出現(xiàn)二維到三維轉(zhuǎn)化的亮斑來確定，如圖2所示，圖2a是二維到三維轉(zhuǎn)化的臨界狀態(tài)圖像；圖2b是完全三維狀態(tài)圖像；本實施例生長厚度是2.695單原子層。步驟7、升高襯底加熱器溫度至599°C，進行原位高溫退火8分鐘，觀察RHEED確認(rèn)InAs三維圖像完全消失，并出現(xiàn)2X4再構(gòu)，這表示InAs犧牲層量子點完全解吸附。步驟8、降低生長溫度至580°C，生長GaAs隔離層lOOnm，生長速率I μ m/h,使襯底表面更平整，且進一步消除犧牲層InAs的影響。步驟9、根據(jù)InAs犧牲層量子點二維到三維轉(zhuǎn)化的臨界生長參數(shù)進行微調(diào)來生長InAs有源層量子點，生長溫度升高5°C，其他條件不變，即生長溫度521°C，生長速率
0.005 μ m/h，V/III比控制在30左右，生長厚度2.695單原子層，生長完后在As的保護下停頓10秒。其中，臨界生長參數(shù)為步驟6中所述的通過觀察反射式高能電子衍射儀(RHEED)圖像剛好出現(xiàn)二維到三維轉(zhuǎn)化的亮斑而確定的生長厚度。

步驟10、生長GaAs蓋層，生長溫度521 °C，生長速率I μ m/h，厚度50nm。步驟11、生長InAs表層量子點，生長條件與InAs有源層量子點完全相同，用于原子力顯微鏡(AFM)測試。其中步驟9中對InAs犧牲層量子點二維到三維轉(zhuǎn)化的臨界生長參數(shù)進行微調(diào)還包括降低InAs生長厚度，而其他條件不變。本發(fā)明另一優(yōu)選實施例中，本發(fā)明公開的低密度InAs量子點分子束外延生長方法包括:步驟1、將GaAs(IOO)半絕緣襯底放在樣品托上，并引入進樣室，在190°C的溫度條件下進行烘烤2小時。步驟2、將烘烤完畢的襯底引入制備室，并在420°C條件下進行除氣處理。制備室大氣壓降至2.5X10_7Torr以下時表明除氣完畢。步驟3、將除氣結(jié)束的襯底引入生長室，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610°C，脫氧時間10分鐘。步驟4、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(gòu)情況，確定是否脫氧。步驟5、脫氧結(jié)束后將襯底加熱器溫度降至生長溫度580°C，生長GaAs緩沖層300nm,生長速率為I μ m/h, V/III比是20。步驟6、降低生長溫度至516°C后生長InAs犧牲層量子點，生長速率0.005 μ m/h,生長厚度通過觀察反射式高能電子衍射儀(RHEED)圖像剛好出現(xiàn)二維到三維轉(zhuǎn)化的亮斑來確定，如圖1所示，本發(fā)明的一實施例生長厚度是2.49單原子層。步驟7、升高襯底加熱器溫度至590°C，進行原位退火5分鐘，觀察RHEED確認(rèn)InAs三維圖像完全消失，并出現(xiàn)2X4再構(gòu)。步驟8、降低生長溫度至580°C，生長GaAs隔離層lOOnm，生長速率I μ m/h,使襯底表面更平整，且進一步消除犧牲層InAs的影響。步驟9、根據(jù)InAs犧牲層量子點二維到三維轉(zhuǎn)化的臨界生長參數(shù)進行微調(diào)來生長InAs有源層量子點，生長厚度降低0.05單原子層(即生長厚度為2.44單原子層)，其他條件不變，即生長溫度521°C，生長速率0.005 μ m/h, V/III比控制在15左右，生長完后在As的保護下停頓10秒。步驟10、生長GaAs蓋層，生長溫度521 °C，生長速率I μ m/h，厚度50nm。步驟11、生長InAs表層量子點，生長條件與InAs有源層量子點完全相同，用于原子力顯微鏡(AFM)測試。本發(fā)明再一優(yōu)選實施例中，本發(fā)明公開的低密度InAs量子點分子束外延生長方法包括:步驟1、將GaAs(IOO)半絕緣襯底放在樣品托上，并引入進樣室，在190°C的溫度條件下進行烘烤2小時。步驟2、將烘烤完畢的襯底引入制備室，并在420°C條件下進行除氣處理。制備室大氣壓降至2.5X10_7Torr以下時表明除氣完畢。步驟3、將除氣結(jié)束的襯底引入生長室，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625°C，脫氧時間10分鐘。步驟4、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(gòu)情況，確定是否脫氧。步驟5、脫氧結(jié)束后將襯底加熱器溫度降至生長溫度580°C，生長GaAs緩沖層300nm,生長速率為I μ m/h, V/III比是20。步驟6、降低生長溫度至516°C后生長InAs犧牲層量子點，生長速率0.005 μ m/h,生長厚度通過觀察反射式高能電子衍射儀(RHEED)圖像剛好出現(xiàn)二維到三維轉(zhuǎn)化的亮斑來確定，如圖1所示，本發(fā)明的一實施例生長厚度是2.695單原子層。步驟7、升高襯底加熱器溫度至571°C，進行原位退火10分鐘，觀察RHEED確認(rèn)InAs三維圖像完全消失，并出現(xiàn)2X4再構(gòu)。步驟8、降低生長溫度至580°C，生長GaAs隔離層lOOnm，生長速率I μ m/h,使襯底表面更平整，且進一步消除犧牲層InAs的影響。步驟9、根據(jù)InAs犧牲層量子點二維到三維轉(zhuǎn)化的臨界生長參數(shù)進行微調(diào)來生長InAs有源層量子點，生長溫度升高5°C，其他條件不變，即生長溫度521°C，生長速率
0.005 μ m/h, V/III比控制在35左右，生長厚度2.695單原子層，生長完后在As的保護下停頓10秒。步驟10、生 長GaAs蓋層，生長溫度521 °C，生長速率I μ m/h，厚度50nm。步驟11、生長InAs表層量子點，生長條件與InAs有源層量子點完全相同，用于原子力顯微鏡(AFM)測試。
按照上述生長工藝成功生長了低密度InAs量子點，其結(jié)構(gòu)圖如圖3所示，原子力顯微鏡(AFM)圖如圖4所示，液氮下的微區(qū)光致光譜如圖5所示。原子力顯微鏡圖顯示密度在107cm2，微區(qū)光致光譜的尖銳峰進一步表明量子點的密度很低，該方法生長的低密度量子點適用于單光子源器件的制備。以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應(yīng)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(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。`
權(quán)利要求
1.一種低密度InAS量子點分子束外延生長方法，其包括如下步驟: 步驟1:在襯底上生長InAs犧牲層量子點； 步驟2:原位高溫退火使InAs犧牲層量子點完全解吸附； 步驟3:微調(diào)InAs犧牲層量子點二維到三維轉(zhuǎn)化的臨界生長參數(shù)，以微調(diào)后的所述臨界生長參數(shù)生長InAs有源層量子點。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低密度InAs量子點分子束外延生長方法,其特征在于,生長InAs犧牲層量子點時，原位獲取InAs 二維到三維轉(zhuǎn)化的臨界生長參數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低密度InAs量子點分子束外延生長方法，其特征在于，其中步驟2中原位高溫退火溫度范圍:571 599°C，退火時間5分鐘至10分鐘。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低密度InAs量子點分子束外延生長方法，其特征在于，步驟2中所述高溫退火使InAs犧牲層量子點完全解吸附后生長一定厚度的GaAs進行隔離，進一步消除InAs犧牲層量子點的影響。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低密度InAs量子點分子束外延生長方法，其特征在于，其中所述的微調(diào)InAs犧牲層 量子點生長參數(shù)包括升高生長溫度或者降低生長厚度。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的低密度InAs量子點分子束外延生長方法，其特征在于，步驟I中生長InAs犧牲層量子點的生長溫度為516°C，而InAs有源層量子點的生長溫度為將所述InAs犧牲層量子點的生長溫度升高5°C。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低密度InAs量子點分子束外延生長方法，其特征在于，該方法中所述InAs犧牲層量子點二維到三維轉(zhuǎn)化的臨界生長參數(shù)是通過反射式高能電子衍射儀(RHEED)原位獲取的。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低密度InAs量子點分子束外延生長方法，其特征在于，所述襯底為GaAs襯底。
9.根據(jù)權(quán)利要求2所述的低密度InAs量子點分子束外延生長方法，其特征在于，所述臨界生長參數(shù)包括InAs犧牲層量子點從二維到三維轉(zhuǎn)化的臨界生長厚度。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種低密度InAs量子點的生長方法，該方法包括步驟1生長InAs有源層量子點前插入InAs犧牲層量子點；步驟2原位高溫退火使InAs犧牲層量子點完全解吸附；步驟3微調(diào)InAs犧牲層量子點二維到三維轉(zhuǎn)化的臨界生長參數(shù)，生長InAs有源層量子點。原位獲取的InAs量子點二維到三維轉(zhuǎn)化的臨界生長參數(shù)有效的減小了系統(tǒng)隨機誤差帶來的影響，使得臨界參數(shù)附近InAs量子點的低密度具有較高的重復(fù)性，有效提高了低密度InAs量子點生長的成功率。原子力顯微鏡圖顯示密度在108/cm2，微區(qū)光致光譜的尖銳峰進一步表明量子點的密度很低，該方法生長的低密度量子點適用于單光子源器件的制備。
文檔編號C30B29/40GK103194793SQ20131008830
公開日2013年7月10日 申請日期2013年3月19日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月19日
發(fā)明者李密鋒, 喻穎, 賀繼方, 査國偉, 尚向軍, 倪海橋, 賀振宏, 牛智川 申請人:中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所