[發明專利]一種低密度InAs量子點的分子束外延生長方法

有效

• 申請號: 201310088301.X
• 申請日: 2013-03-19
• 公開（公告）號: CN103194793A
• 公開（公告）日: 2013-07-10
• 發明（設計）人: 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（專利權）人: 中國科學院半導體研究所
• 主分類號: C30B23/02
• 分類號: C30B23/02;C30B29/40
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司 11021
• 代理人: 宋焰琴

技術領域

本發明屬于半導體材料技術領域，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

采用InAs單量子點實現單光子和糾纏光子發射、固態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量子點來制備高質量單光子源是重要技術途徑。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構的臨界轉變參數是獲得低密度量子點的關鍵。對于InAs/GaAs應變自組織量子點，通常采用反射式高能電子衍射儀(RHEED)進行原位監測。當RHEED圖像從長條形再構圖形變成點陣再構圖形時，認為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RHEED圖像顯示點陣再構圖形后，生長的InAs/GaAs量子點樣品的原子力顯微圖像測試結果表明InAs量子點的密度已經比較高(大于109/cm2)，樣品在液氮制冷條件下微區光致發光譜為多個峰值，且峰值之間有交疊不可分辨，二階關聯函數值g2(0)大于0.5，多光子發射幾率過高，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。可通過降低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，然后在此基礎上進行參數調節。由于InAs從二維到三維轉換對生長條件的要求非常苛刻，臨界參數附近InAs量子點密度隨生長參數成指數變化。因此，使用非原位標定的臨界參數生長的低密度InAs量子點，不同批次樣品由于鉬托、腔室氣氛、生長速率測試等引起的生長參數誤差會導致低密度InAs量子點的生長可重復性很低(低于50％)。為了克服非原位標定的臨界參數引起的誤差，可通過原位標定來解決。

發明內容

有鑒于此，本發明通過對InAs量子點材料生長方法引入創新性設計，原位獲取量子點二維到三維轉化的臨界生長參數，來提高低密度InAs量子點生長的成功率。本發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InAs犧牲層量子點二維到三維轉化的臨界生長參數，以微調后的所述臨界生長參數生長InAs有源層量子點。

其中，生長InAs犧牲層量子點時，原位獲取InAs二維到三維轉化的臨界生長參數。

其中，其中步驟2中原位高溫退火溫度范圍：571～599℃，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InAs犧牲層量子點生長參數包括升高生長溫度或者降低生長厚度。

其中，步驟1中生長InAs犧牲層量子點的生長溫度為516℃，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℃。

其中，該方法中所述InAs犧牲層量子點二維到三維轉化的臨界生長參數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，所述臨界生長參數包括InAs犧牲層量子點從二維到三維轉化的臨界生長厚度。

本發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化的臨界生長參數，原位退火使InAs犧牲層完全解吸附，并通過RHEED再構變化判斷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進行微調，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光譜(μPL)。原位獲取的InAs量子點二維到三維轉化的臨界生長參數有效的減小了系統隨機誤差帶來的影響，使得臨界參數附近InAs量子點的低密度具有較高的重復性。

附圖說明

圖1是本發明中低密度InAs量子點分子束外延生長方法的方法流程圖；

圖2是本發明中生長InAs犧牲層量子點二維到三維轉化臨界狀態下的RHEED圖像；

圖3是本發明中低密度InAs量子點生長結構圖；

圖4是本發明中低密度InAs量子點的原子力顯微鏡(AFM)圖；