專利名稱：消除ZnSe/BeTeⅡ量子阱中內(nèi)秉電場的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種消除ZnSe/BeTe II型量子阱結(jié)構(gòu)中內(nèi)秉電場的方法，特別涉及一 種用分子束外延生長制備一種特殊的界面結(jié)構(gòu)來消除內(nèi)秉電場的方法。
背景技術(shù)：
由于II型量子阱結(jié)構(gòu)中受激產(chǎn)生的電子和空穴分別處于相鄰的不同量子阱中， 使得人們更容易獨立地控制它們的行為，因此該結(jié)構(gòu)在光電子器件的研發(fā)和制作中有著重 要的應(yīng)用。 1I-VI族中共價性較強的寬禁帶化合物半導(dǎo)體ZnSe( 2. 8eV)和BeTe( 4. 2eV) 組成的ZnSe/BeTe/ZnSe量子阱具有II型(type-II)能帶構(gòu)造，且導(dǎo)帶(或價帶)邊有一個 大的能量落差(AECB: 2.3eV， AEVB: 0. 8eV)。該結(jié)構(gòu)特點能導(dǎo)致受激產(chǎn)生的電子和 空穴發(fā)生空間分離，并分別處在不同的阱層中。由于如此深的勢阱使電子和空穴的波函數(shù) 有一個很小的交疊范圍，所以該結(jié)構(gòu)被認(rèn)為有很長的空間間接(即II型)復(fù)合發(fā)光壽命。 因此，ZnSe/BeTe/ZnSe11型量子阱結(jié)構(gòu)被認(rèn)為是觀察和研究高密度現(xiàn)象(如帶電激子，激 子分子、激子聚合物及玻色_愛因斯坦凝聚等)以及制作光電子器件的重要材料。
II型量子阱結(jié)構(gòu)是觀察和研究高密度現(xiàn)象(如帶電激子，激子分子、激子聚合物 及玻色-愛因斯坦凝聚等)的重要手段之一，對于理解和探明包括自旋態(tài)在內(nèi)的許多光學(xué) 過程的發(fā)光機制和起源正起著日益重要的作用。根據(jù)公開的II型量子阱結(jié)構(gòu)主要有由 III-V族化合物半導(dǎo)體組成的II型量子阱結(jié)構(gòu)和由II-VI族化合物半導(dǎo)體組成的II型 量子阱結(jié)構(gòu)。美國學(xué)術(shù)期刊雜志《Physical Review B》(2000年，第61巻，第10782頁， "Theory ofelectronic and optical propertiesof bulk AlSb and InAs and InAs/AlSb superlattices")公開了用III-V族化合物半導(dǎo)體組成的II型量子阱結(jié)構(gòu)研究光致發(fā)光 的實驗結(jié)果(G.Theodorou，et al. ， 61 (2000) 10782)。但由于該結(jié)構(gòu)在異質(zhì)結(jié)界面處有較小 的導(dǎo)帶(或價帶)落差(導(dǎo)帶落差約為AEC= 1.35eV，價帶落差約為A Ev = 0. 13eV)，使 得受激產(chǎn)生的電子和空穴發(fā)生空間分離后(即電子和空穴分別處在不同的阱層)仍然在界 面處有較大的波函數(shù)重疊，因此其空間間接再結(jié)合(spatially indirectrecombination) 發(fā)光的壽命與I型量子阱結(jié)構(gòu)中的空間直接再結(jié)合發(fā)光的壽命相比雖然有了較大的增 加，但對于觀察凝聚態(tài)現(xiàn)象卻不理想。英國學(xué)術(shù)期刊雜志《Semi conductuor Sc i ence andTechnology》(2006年，第21巻，第87頁，"Electric-and magnetic-field effects on radiativerecombination in modulation n_doped ZnSe/BeTe type-II quantum wells，，) 公開了用II-VI族化合物半導(dǎo)體組成的II型量子阱結(jié)構(gòu)(即傳統(tǒng)的II型量子阱結(jié)構(gòu)，如 附圖3所示)研究光致發(fā)光的實驗結(jié)果(Ziwu Ji，et al. ，21(2006)87)。雖然該結(jié)構(gòu)具有 較大的導(dǎo)帶(AEeB : 2. 3eV)和價帶(AEVB : 0. 8eV)落差，有利于觀察和研究高密度凝 聚現(xiàn)象。但由于其非摻雜結(jié)構(gòu)中存在著較強的內(nèi)秉電場，該電場所引起的斯塔克效應(yīng)使得 導(dǎo)帶和價帶發(fā)生傾斜，從而導(dǎo)致光致載流子發(fā)生隧道效應(yīng)，不利于高密度現(xiàn)象的觀察以及 在光電器件方面的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服上述內(nèi)秉電場帶來的困難，本發(fā)明提出了一種利用特殊界面結(jié)構(gòu)(界面 處包含幾個Zn-Te或幾個Te-Zn化學(xué)鍵。圖2顯示了三個化學(xué)鍵的情形)取代傳統(tǒng)界面結(jié) 構(gòu)(界面處僅包含Zn-Te或Te-Zn。圖3顯示了一個化學(xué)鍵的情形)以消除內(nèi)秉電場的方 法。該發(fā)明是通過分子束外延(MBE)生長方法來制備具有特殊界面結(jié)構(gòu)的ZnSe/BeTe/ZnSe II型量子阱。在生長過程中，通過適當(dāng)調(diào)節(jié)不同固體源擋板的開關(guān)次數(shù)和開關(guān)時間來達(dá)到 制備具有特殊界面結(jié)構(gòu)的目的。 —種用分子束外延(MBE)生長方法制備具有特殊界面結(jié)構(gòu)的ZnSe/BeTe/ZnSe II 型量子阱的方法，步驟如下 1.將(001)取向的砷化鎵襯底用銦(In)固定在鉬(Mo)樣品托上；
2.通液氮冷卻生長室，在確認(rèn)III-V族生長室真空度為1X10—1QTorr以下后，通過 磁力傳送桿把樣品傳送到III-V族生長室里；將樣品托、裝有As固體源的K-cell容器和裝 有Ga固體源的K-cell容器加熱升溫，使之達(dá)到設(shè)定的溫度分別為30(TC、10(TC和750°C ;
3.調(diào)整As源K-cell容器的溫度，使之由IO(TC開始升溫到295"后，再將樣品托 和Ga源K-ce 11容器的溫度分別設(shè)定為550°C和915°C ，并開始升溫，同時打開As源K_ce 11 容器的擋板，As分子束照射在襯底上，以補償因襯底溫度升高而造成的襯底表面As的蒸 發(fā)，并使得襯底表面上As的蒸發(fā)與附著達(dá)到平衡； 4.待Ga源K-cell容器升至915。C后，再將樣品托升溫至620°C ，升溫期間可通過 反射式高能電子衍射(RHEED儀)儀在[110]方向上進(jìn)行觀察，如果能觀察到清晰的條紋出 現(xiàn)，則說明在此溫度下已經(jīng)去除襯底表面的氧化物并獲得清潔有序的襯底表面；
5. GaAs緩沖層的生成打開溫度已升至915"的Ga源K-cell容器的擋板，Ga分 子束照射在襯底上；此時Ga和As的分子束同時照射在襯底表面，GaAs緩沖層的生長開始， 生長時間為24 120分鐘，GaAs緩沖層的厚度可達(dá)到200 lOOOnm，此時將Ga源關(guān)掉，并 將Ga源K-cell容器的溫度由915°C降至750°C ，之后再降至300°C ，并通過RHEED儀可觀察 到此時的襯底有一個清潔、平整和有序的表面； 6.穩(wěn)定5分鐘后，將襯底溫度由62(TC逐漸降至580°C，降溫方法為階梯式，即每
次降溫設(shè)定為降5t:，達(dá)到設(shè)定溫度時再設(shè)定下一次，分8次完成降溫；降溫開始后，通過
RHEED儀觀察圖像沒有什么異常變化時，將As源關(guān)掉，并將As源溫度由295tH周至IO(TC ;
7.將襯底溫度由58(TC逐漸降至500°C，降溫方法為階梯式，每次降l(TC;之后，再 將襯底溫度由50(TC逐漸降至30(TC，整個降溫過程分10次進(jìn)行，每次降溫間隔為20°C ;
8.觀察RHEED儀圖像沒有什么異常變化，此時可將RHEED儀關(guān)掉，在確定III-V族 生長室的真空度變?yōu)?. 5X10—9T0rr以下后，將用來加熱襯底的電源關(guān)掉，并準(zhǔn)備將襯底通 過高真空傳輸管道傳向II-VI族生長室； 9.在確定II-VI族生長室的真空度為1X10—1QTorr以下且II_VI族生長室里的 Zn、Be、Te、Se和Mg源的溫度分別加熱到150、820、 150、50和200°C以后，再把襯底由III-V 族生長室通過超高真空傳輸管道傳送到II-VI族生長室；將襯底升溫至300°C 350°C，并 將Zn、 Be、 Te、 Se和Mg源的溫度再分別升溫至307、 1065 、320 、202和322. 5°C ;
10. BeTe緩沖層的生成當(dāng)Be、 Te源的溫度分別達(dá)到1065和32(TC后，穩(wěn)定30分鐘，打開Be、Te源的擋板，Be分子束和Te分子束照射在襯底的表面，此時開始生長BeTe緩 沖層；用RHEED儀進(jìn)行實時監(jiān)控(或者根據(jù)生長前預(yù)先測得的各個固體源的生長率，用計算 機進(jìn)行設(shè)定、控制，下同)，當(dāng)BeTe緩沖層的生長厚度約為5ML時，生長結(jié)束，然后先關(guān)掉Be 源，隨后再關(guān)掉Te源； 11. Zn。.77Mg。.15Be。.。8Se隔離層的生長先打開Zn源的擋板，再打開Se、 Be和Mg源 的擋板進(jìn)行Zn。.77Mg。.15Be。.。8Se隔離層的生長，此時分別有Zn分子束、Se分子束、Be分子束 和Mg分子束同時照射在襯底的表面，當(dāng)隔離層生長厚度為200 lOOOnm時，結(jié)束生長，先 關(guān)閉Se 、 Be 、 Mg源，約5 10秒鐘后再關(guān)閉Zn源； 12. ZnSe勢阱層的生長打開Zn、 Se源，使二者同時照射在襯底表面上，Zn、 Se固 體源的溫度分別保持在307和202°C ，當(dāng)ZnSe層生長的厚度為4 80ML時，生長結(jié)束，先關(guān) 閉Se源，經(jīng)過約5 10秒后再關(guān)閉Zn源，以便形成富Zn表面層； 13.BeTe勢壘層的生長Be、Te源的溫度分別保持在1065和320°C ，先打開Zn源， 經(jīng)過約5 10秒后關(guān)閉Zn源，同時打開Te源，并經(jīng)約5 10秒后關(guān)閉Te源；重復(fù)上述Zn 源和Te源的操作1 3次，之后再打開Te源和Be源，使Te源和Be源同時照射在襯底表 面上，并開始生長BeTe勢壘層，當(dāng)BeTe勢壘層生長的厚度約為10ML時，先關(guān)閉Be源再關(guān) 閉Te源，BeTe勢壘層的生長結(jié)束；上述生長過程能夠在ZnSe和BeTe之間的界面處得到具 有3個、5個或7個Zn-Te化學(xué)鍵形式的特殊結(jié)構(gòu)； 14. ZnSe勢阱層的生長保持上述的Zn、 Se、 Te源的溫度不變，先打開Te源，經(jīng)過 約5 10秒后關(guān)閉Te源，同時打開Zn源，并經(jīng)約5 10秒后關(guān)閉Zn源；重復(fù)上述Te源 和Zn源的操作1 3次，此時可將Te源的溫度降至150°C ，之后同時打開Zn源和Se源， 使Zn源和Se源同時照射在襯底表面上，并開始生長ZnSe勢阱層；當(dāng)ZnSe勢阱層生長的厚 度約為4 80ML時，有源層生長結(jié)束，之后先關(guān)閉Se源再關(guān)閉Zn源；上述生長過程能夠在 BeTe和ZnSe之間的界面處得到具有3個、5個或7個Te-Zn化學(xué)鍵形式的特殊結(jié)構(gòu)；
15.重復(fù)步驟11的隔離層的生長過程，可得到200 lOOOnm厚的 Zn。.77Mg。.15Be。.。8Se隔離層；生長結(jié)束時要先關(guān)閉Se、 Be、 Mg源，約10秒鐘后再關(guān)閉Zn源， 這樣可在樣品的頂部生長一層Zn作為覆蓋層，以保護(hù)樣品不受腐蝕；生長結(jié)束后，將襯底 溫度設(shè)為15(TC并使之降溫，同時也將Zn、Se、Be和Mg源的溫度分別設(shè)定為100、50、820和 15(TC并使之降溫；當(dāng)襯底溫度降至15(TC并確認(rèn)Se源的溫度降至IO(TC以下后，將樣品從 生長室中取出，即可得到完整的ZnSe/BeTe/ZnSe形式的量子阱材料。 通過上述生長過程，我們可以得到具有特殊界面結(jié)構(gòu)的ZnSe/BeTe/ZnSe形式的 量子阱(即，有源層中的兩個異質(zhì)界面處分別包含有3個、5個或7個Zn-Te和Te-Zn化學(xué) 鍵形式的特殊結(jié)構(gòu))。 本發(fā)明所使用的RHEED儀是反射高能電子衍射儀。 上述ML是英文字monolayer的縮寫，即分子層。對于BeTe或者ZnSe， 1ML約為 0. 28nm。 本發(fā)明用II-VI組化合物半導(dǎo)體(ZnSe和BeTe)通過分子束外延(MBE)生長方法 制備具有特殊界面結(jié)構(gòu)的II型量子阱結(jié)構(gòu)，所用的II-VI族化合物半導(dǎo)體ZnSe和BeTe具 有很寬的禁帶(分別約為2. 8eV和4. 2eV)和較強的離子性結(jié)合鍵。由它們組成的ZnSe/ BeTe/ZnSe量子阱結(jié)構(gòu)與其它傳統(tǒng)的異質(zhì)結(jié)構(gòu)相比，具有II型(type-II)能帶構(gòu)造，且導(dǎo)
6帶(或價帶)邊有一個大的能量落差(AECB : 2. 3eV， AEVB : 0. 8eV)。該結(jié)構(gòu)特點能 導(dǎo)致受激產(chǎn)生的電子和空穴發(fā)生空間分離，并分別處在不同的阱層中。本結(jié)構(gòu)由于界面處 具有特殊的化學(xué)鍵結(jié)構(gòu)(即多個Zn-Te或Te-Zn形式的特殊化學(xué)鍵結(jié)構(gòu))，所以更容易觀察 到高密度凝聚現(xiàn)象，同時也有利于對光生載流子的有效控制。因此該結(jié)構(gòu)更適合于理論研 究及光電器件的應(yīng)用。 本發(fā)明所用的生長系統(tǒng)有兩個生長室，分別用于III-V族的外延生長和II-VI族 的外延生長。用分子束外延方法生長ZnSe/BeTe/ZnSe異質(zhì)結(jié)構(gòu)時，通過調(diào)節(jié)異質(zhì)結(jié)界面處 化學(xué)鍵的構(gòu)成，即能得到具有多個的Zn-Te或Te-Zn形式的特殊界面結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明方法的工作原理如下 選取具有寬禁帶的II-VI族化合物半導(dǎo)體ZnSe和BeTe，利用它們在導(dǎo)帶邊(或 價帶邊)處能帶不連續(xù)且有較大能量落差的特點，特別是利用不僅ZnSe的導(dǎo)帶底比BeTe 的導(dǎo)帶底低，同時ZnSe的價帶底也比BeTe的價帶底低的特點，來形成具有II型能帶結(jié)構(gòu) 特點的ZnSe/BeTe/ZnSe量子阱。這樣的結(jié)構(gòu)特點使得ZnSe層中受激產(chǎn)生的電子和空穴能 夠發(fā)生空間分離，即電子仍然留在原來的ZnSe層中，而空穴轉(zhuǎn)移到相鄰的BeTe層中。由于 界面處被生長成多個Zn-Te或Te-Zn化學(xué)鍵結(jié)構(gòu)(如附圖2所示該界面處有三個Zn-Te或 Te-Zn化學(xué)鍵)，使得界面兩側(cè)載流子間的距離加大，這樣一來不僅大大地削弱了結(jié)構(gòu)內(nèi)部 的內(nèi)秉電場，也使得空間間接躍遷的壽命變長，因此該結(jié)構(gòu)是觀察、研究凝聚態(tài)現(xiàn)象，以及 研制光電器件的理想結(jié)構(gòu)。 —種用于上述制備方法的設(shè)備，即雙生長室分子束外延系統(tǒng)，包括III-V族和
n-vi族兩個生長室，其特征在于每個生長室均帶有固體源蒸發(fā)器、五維可調(diào)樣品架、四極
質(zhì)譜儀以及反射式高能電子衍射儀等；其中III-V族生長室中的兩個固體源蒸發(fā)器是Ga 蒸發(fā)器和As蒸發(fā)器，II-VI族生長室中的五個固體源蒸發(fā)器是Te、 Zn、 Se、Mg和Be源蒸發(fā) 器；兩生長室之間用超高真空傳輸管道連接以便樣品的傳送；超高真空傳輸管道備有抽氣 裝置，且與兩端所連接的兩個生長室分別用插板閥隔開；樣品架和固體源蒸發(fā)器都分別接 有加熱絲，以滿足調(diào)溫的要求；生長室內(nèi)壁以及固體源蒸發(fā)器和襯底附近都配有液氮冷卻 裝置，以便吸附生長室室內(nèi)飄浮的原子和分子，從而降低生長室室內(nèi)的氣壓并保證樣品周 圍的清潔度。 本發(fā)明方法所生長的具有特殊界面結(jié)構(gòu)的ZnSe/BeTe/ZnSe量子阱，具有晶體質(zhì) 量高、界面處晶格匹配好、II型能帶結(jié)構(gòu)的特點。ZnSe和BeTe在界面處有很大的能帶 落差，能使電子和空穴很容易發(fā)生空間分離。同時由于兩個異質(zhì)結(jié)面具有多個Zn-Te和 Te-Zn化學(xué)鍵結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)的II型能帶結(jié)構(gòu)相比，具有更長的空間間接復(fù)合發(fā)光壽命，更 有利于觀察、研究高密度凝聚現(xiàn)象，如帶電激子、玻色-愛因斯坦凝聚，以及費米能端異常 (Fermi-nergyedge sigularity)現(xiàn)象等。另外，這個特殊界面結(jié)構(gòu)還能削弱結(jié)構(gòu)中的內(nèi)秉 電場，使導(dǎo)帶和價帶結(jié)構(gòu)變得平坦，從而避免了隧道效應(yīng)，有利于光電器件對正負(fù)電荷的獨 立控制。


圖1是本發(fā)明硒化鋅/碲化鈹/硒化鋅(ZnSe/BeTe/ZnSe)整個樣品的晶體結(jié)構(gòu) 及能帶示意圖。其中的下圖為包括有源層ZnSe/BeTe/ZnSe在內(nèi)的整個樣品結(jié)構(gòu)的截面圖，上圖是相應(yīng)于有源層和緩沖層的能帶結(jié)構(gòu)。C. B和V. B分別表示導(dǎo)帶和價帶，DT代表ZnSe 層中的空間直接躍遷(即I型躍遷)，IT代表ZnSe層與BeTe層之間的空間間接躍遷(即 II型躍遷)。 其中l(wèi)、GaAs襯底，2、GaAs緩沖層，3、BeTe緩沖層，4、 Zn。.77Mg。.15Be。.。8Se隔離層， 5、 ZnSe勢阱層，6、 BeTe勢壘層，7、 ZnSe勢阱層，8、 Zn。.77Mg。. 15Be。.。8Se隔離層，9、 Zn覆蓋層。
另外ES = 3. OeV (Zn。. 77Mg。. 15Be。. 。8Se的禁帶寬度)，EB = 4. 2eV (BeTe的禁帶寬 度)，Ew = 2.8eV(ZnSe的禁帶寬度)，A Ec = 2. 3eV (BeTe與ZnSe的導(dǎo)帶差)，AEV = 0. 8eV(BeTe與ZnSe的價帶差)，AEC1 = 0. 2eV(Zn。.77Mg。. 15Be。.。8Se與ZnSe的導(dǎo)帶差)，AEV1 =0. leV (ZnSe與Zn。. 77Mg。. 15Be。.。8Se的價帶差)。 圖2是本發(fā)明具有特殊界面結(jié)構(gòu)的硒化鋅/碲化鈹/硒化鋅(ZnSe/BeTe/ZnSe) 有源層部分的晶體結(jié)構(gòu)示意圖。 圖3是具有傳統(tǒng)界面結(jié)構(gòu)的硒化鋅/碲化鈹/硒化鋅(ZnSe/BeTe/ZnSe)有源層 部分的晶體結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖1和附圖2以及實施例對本發(fā)明(尤其是特殊界面的制作過程)做
進(jìn)一步說明，但不限于此。
實施例1 : —種用分子束外延(MBE)生長方法制備具有特殊界面結(jié)構(gòu)的ZnSe/BeTe/ZnSe II 型量子阱的方法，如圖l-2所示，步驟如下 1.將(001)取向的砷化鎵襯底用銦(In)固定在鉬(Mo)樣品托上;
2.通液氮冷卻生長室，在確認(rèn)III-V族生長室真空度為1X10—1QTorr以下后，通過 磁力傳送桿把樣品傳送到III-V族生長室里；將樣品托、裝有As固體源的K-cell容器和裝 有Ga固體源的K-cell容器加熱升溫，使之達(dá)到設(shè)定的溫度分別為30(TC、10(TC和750°C ;
3.調(diào)整As源K-cell容器的溫度，使之由IO(TC開始升溫到295"后，再將樣品托 和Ga源K-ce 11容器的溫度分別設(shè)定為550°C和915°C ，并開始升溫，同時打開As源K_ce 11 容器的擋板，As分子束照射在襯底上，以補償因襯底溫度升高而造成的襯底表面As的蒸 發(fā)，并使得襯底表面上As的蒸發(fā)與附著達(dá)到平衡； 4.待Ga源K-cell容器升至915。C后，再將樣品托升溫至620°C ，升溫期間可通過 反射式高能電子衍射(RHEED儀)儀在[110]方向上進(jìn)行觀察，如果能觀察到清晰的條紋出 現(xiàn)，則說明在此溫度下已經(jīng)去除襯底表面的氧化物并獲得清潔有序的襯底表面；
5. GaAs緩沖層的生成打開溫度已升至915°C的Ga源K-cell容器的擋板，Ga分 子束照射在襯底上；此時Ga和As的分子束同時照射在襯底表面，GaAs緩沖層的生長開始， 生長時間約為30分鐘，生長厚度約為250nm的砷化鎵緩沖層，此時將Ga源關(guān)掉，并將Ga源 K-cell容器的溫度由915"降至75(TC，之后再降至300°C ，并通過RHEED儀可觀察到此時 的襯底有一個清潔、平整和有序的表面； 6.穩(wěn)定5分鐘后，將襯底溫度由62(TC逐漸降至580°C，降溫方法為階梯式，即每
次降溫設(shè)定為降5t:，達(dá)到設(shè)定溫度時再設(shè)定下一次，分8次完成降溫；降溫開始后，通過
RHEED儀觀察圖像沒有什么異常變化時，將As源關(guān)掉，并將As源溫度由295tH周至IO(TC ;
7.將襯底溫度由58(TC逐漸降至500°C，降溫方法為階梯式，每次降l(TC;之后，再 將襯底溫度由50(TC逐漸降至30(TC，整個降溫過程分10次進(jìn)行，每次降溫間隔為20°C ;
8.觀察RHEED儀圖像沒有什么異常變化，此時可將RHEED儀關(guān)掉，在確定III-V族 生長室的真空度變?yōu)?. 5X10—9T0rr以下后，將用來加熱襯底的電源關(guān)掉，并準(zhǔn)備將襯底通 過高真空傳輸管道傳向II-VI族生長室； 9.在確定II-VI族生長室的真空度為1X10—1QTorr以下且II_VI族生長室里的 Zn、Be、Te、Se和Mg源的溫度分別加熱到150、820、 150、50和200°C以后，再把襯底由III-V 族生長室通過超高真空傳輸管道傳送到II-VI族生長室；將襯底升溫至32(TC，并將Zn、Be、 Te、 Se和Mg源的溫度再分別升溫至307、 1065 、320 、202和322. 5°C ; 10. BeTe緩沖層的生成當(dāng)Be、 Te源的溫度分別達(dá)到1065和32(TC后，穩(wěn)定30分 鐘，打開Be、Te源的擋板，Be分子束和Te分子束照射在襯底的表面，此時開始生長BeTe緩 沖層；用RHEED儀進(jìn)行實時監(jiān)控(或者根據(jù)生長前預(yù)先測得的各個固體源的生長率，用計算 機進(jìn)行設(shè)定、控制，下同)，當(dāng)BeTe緩沖層的生長厚度約為5ML時，生長結(jié)束，然后先關(guān)掉Be 源，隨后再關(guān)掉Te源； 11. Zn。^Mg。^Be。.。sSe隔離層的生長先打開Zn源的擋板，再打開Se、Be和Mg源的 擋板進(jìn)行Zn。.77Mg。.15Be。.。8Se隔離層的生長，此時分別有Zn分子束、Se分子束、Be分子束和 Mg分子束同時照射在襯底的表面，當(dāng)隔離層生長厚度約為200nm時，結(jié)束生長，先關(guān)閉Se、 Be、 Mg源，約5秒鐘后再關(guān)閉Zn源； 12. ZnSe勢阱層的生長打開Zn、 Se源，使二者同時照射在襯底表面上，Zn、 Se固 體源的溫度分別保持在307和202°C，當(dāng)ZnSe層生長的厚度為14ML時，生長結(jié)束，先關(guān)閉 Se源，經(jīng)過約5秒后再關(guān)閉Zn源，以便形成富Zn表面層； 13.BeTe勢壘層的生長Be、Te源的溫度分別保持在1065和320°C ，先打開Zn源， 經(jīng)過約5秒后關(guān)閉Zn源，同時打開Te源，并經(jīng)約5秒后關(guān)閉Te源；重復(fù)上述Zn源和Te源 的操作1次，之后再打開Te源和Be源，使Te源和Be源同時照射在襯底表面上，并開始生 長BeTe勢壘層，當(dāng)BeTe勢壘層生長的厚度約為10ML時，先關(guān)閉Be源再關(guān)閉Te源，BeTe勢 壘層的生長結(jié)束；上述生長過程能夠在ZnSe和BeTe之間的界面處得到具有3個Zn-Te化 學(xué)鍵形式的特殊結(jié)構(gòu)； 14. ZnSe勢阱層的生長保持上述的Zn、 Se、 Te源的溫度不變，先打開Te源，經(jīng)過 約5秒后關(guān)閉Te源，同時打開Zn源，并經(jīng)約5秒后關(guān)閉Zn源；重復(fù)上述Te源和Zn源的操 作1次，此時可將Te源的溫度降至150°C ，之后同時打開Zn源和Se源，使Zn源和Se源同 時照射在襯底表面上，并開始生長ZnSe勢阱層；當(dāng)ZnSe勢阱層生長的厚度約為14ML時，有 源層生長結(jié)束，之后先關(guān)閉Se源再關(guān)閉Zn源；上述生長過程能夠在BeTe和ZnSe之間的界 面處得到具有3個Te-Zn化學(xué)鍵形式的特殊結(jié)構(gòu)； 15.重復(fù)步驟ll的隔離層的生長過程，可得到200nm厚、禁帶寬度為3.0eV的 Zn。.77Mg。.15Be。.。8Se隔離層；生長結(jié)束時要先關(guān)閉Se、 Be、 Mg源，約10秒鐘后再關(guān)閉Zn源， 這樣可在樣品的頂部生長一層Zn作為覆蓋層，以保護(hù)樣品不受腐蝕；生長結(jié)束后，將襯底 溫度設(shè)為15(TC并使之降溫，同時也將Zn、Se、Be和Mg源的溫度分別設(shè)定為100、50、820和 15(TC并使之降溫；當(dāng)襯底溫度降至15(TC并確認(rèn)Se源的溫度降至IO(TC以下后，將樣品從 生長室中取出，即可得到完整的ZnSe/BeTe/ZnSe形式的量子阱材料。
實施例2 : 本發(fā)明實施例2和實施例1相同，只是 步驟5中的砷化鎵緩沖層的生長時間是38分鐘，生長厚度約為320nm ;
步驟9中的襯底升溫至330°C ; 步驟ll中的隔離層生長厚度為300nm時，結(jié)束生長，先關(guān)閉Se、Be、Mg源，約7秒 鐘后再關(guān)閉Zn源； 步驟12中的ZnSe層生長的厚度約為20ML時，生長結(jié)束，先關(guān)閉Se源，經(jīng)過約7 秒后再關(guān)閉Zn源，以便形成富Zn表面層； 步驟13中的BeTe層生長之前，先打開Zn源，經(jīng)過約7秒后關(guān)閉Zn源，同時打開 Te源，并經(jīng)約7秒后關(guān)閉Te源。重復(fù)上述Zn源和Te源的操作2次。BeTe勢壘層生長的 厚度約為10ML時生長結(jié)束，先關(guān)閉Be源，經(jīng)過約7秒后再關(guān)閉Te源；上述生長過程能夠在 ZnSe和BeTe之間的界面處得到具有5個Zn-Te化學(xué)鍵形式的特殊結(jié)構(gòu)。
步驟14中的ZnSe勢阱層生長之前，要先打開Te源，經(jīng)過約7秒后關(guān)閉Te源，同 時打開Zn源，并經(jīng)約7秒后關(guān)閉Zn源。重復(fù)上述Te源和Zn源的操作2次。ZnSe勢阱層 生長的厚度約為20ML， ZnSe勢阱層生長結(jié)束，之后先關(guān)閉Se源再關(guān)閉Zn源；上述生長過程 能夠在BeTe和ZnSe之間的界面處得到具有5個Te-Zn化學(xué)鍵形式的特殊結(jié)構(gòu)。
步驟15中的隔離層厚度為300nm。
實施例3 : 本發(fā)明實施例3和實施例1相同，只是 步驟5中的砷化鎵緩沖層的生長時間是43分鐘，生長厚度約為360nm ;
步驟9中的襯底升溫至340°C ; 步驟ll中的隔離層生長厚度為330nm時，結(jié)束生長，先關(guān)閉Se、Be、Mg源，約9秒 鐘后再關(guān)閉Zn源； 步驟12中的ZnSe層生長的厚度約為28ML時，生長結(jié)束，先關(guān)閉Se源，經(jīng)過約9 秒后再關(guān)閉Zn源，以便形成富Zn表面層； 步驟13中的BeTe層生長之前，先打開Zn源，經(jīng)過約9秒后關(guān)閉Zn源，同時打開 Te源，并經(jīng)約9秒后關(guān)閉Te源。重復(fù)上述Zn源和Te源的操作3次。BeTe勢壘層生長的 厚度約為10ML時生長結(jié)束，先關(guān)閉Be源，經(jīng)過約6秒后再關(guān)閉Te源；上述生長過程能夠在 ZnSe和BeTe之間的界面處得到具有7個Zn-Te化學(xué)鍵形式的特殊結(jié)構(gòu)。
步驟14中的ZnSe勢阱層生長之前，要先打開Te源，經(jīng)過約9秒后關(guān)閉同時打開 Zn源，并經(jīng)約9秒后關(guān)閉Zn源。重復(fù)上述Te源和Zn源的操作3次。ZnSe勢阱層生長的 厚度約為28ML， ZnSe勢阱層生長結(jié)束，之后先關(guān)閉Se源再關(guān)閉Zn源；上述生長過程能夠在 BeTe和ZnSe之間的界面處得到具有7個Te-Zn化學(xué)鍵形式的特殊結(jié)構(gòu)。
步驟15中的隔離層厚度為330nm。
實施例4 : 本發(fā)明實施例4和實施例1相同，只是 步驟5中的砷化鎵緩沖層的生長時間是50分鐘，生長厚度約為420nm ;
步驟9中的襯底升溫至310°C ; 步驟ll中的隔離層生長厚度為350nm時，結(jié)束生長，先關(guān)閉Se、Be、Mg源，約10秒
10鐘后再關(guān)閉Zn源； 步驟12中的ZnSe層生長的厚度約為40ML時，生長結(jié)束，先關(guān)閉Se源，經(jīng)過約10 秒后再關(guān)閉Zn源，以便形成富Zn表面層； 步驟13中的BeTe層生長之前，先打開Zn源，經(jīng)過約10秒后關(guān)閉Zn源，同時打開 Te源，并經(jīng)約10秒后關(guān)閉Te源。重復(fù)上述Zn源和Te源的操作1次。BeTe勢壘層生長的 厚度約為10ML時生長結(jié)束，先關(guān)閉Be源，經(jīng)過約10秒后再關(guān)閉Te源；上述生長過程能夠 在ZnSe和BeTe之間的界面處得到具有3個Zn-Te化學(xué)鍵形式的特殊結(jié)構(gòu)。
步驟14中的ZnSe勢阱層生長之前，要先打開Te源，經(jīng)過約10秒后關(guān)閉同時打開 Zn源，并經(jīng)約10秒后關(guān)閉Zn源。重復(fù)上述Te源和Zn源的操作1次。ZnSe勢阱層生長的 厚度約為40ML， ZnSe勢阱層生長結(jié)束，之后先關(guān)閉Se源再關(guān)閉Zn源；上述生長過程能夠在 BeTe和ZnSe之間的界面處得到具有3個Te-Zn化學(xué)鍵形式的特殊結(jié)構(gòu)。
步驟15中的隔離層厚度為350nm。
權(quán)利要求
一種用分子束外延工藝制備具有特殊界面的II型量子阱的方法，步驟如下1)將(001)取向的砷化鎵襯底用銦固定在鉬樣品托上；2)通液氮冷卻生長室，在確認(rèn)III-V族生長室真空度為1×10-10Torr以下后，通過磁力傳送桿把樣品傳送到III-V族生長室里；將樣品托、裝有As固體源的K-cell容器和裝有Ga固體源的K-cell容器加熱升溫，使之達(dá)到設(shè)定的溫度分別為300℃、100℃和750℃；3)調(diào)整As源K-cell容器的溫度，使之由100℃開始升溫到295℃后，再將樣品托和Ga源K-cell容器的溫度分別設(shè)定為550℃和915℃，并開始升溫，同時打開As源K-cell容器的擋板，As分子束照射在襯底上，以補償因襯底溫度升高而造成的襯底表面As的蒸發(fā)，并使得襯底表面上As的蒸發(fā)與附著達(dá)到平衡；4)待Ga源K-cell容器升至915℃后，再將樣品托升溫至620℃，升溫期間可通過反射式高能電子衍射儀在[110]方向上進(jìn)行觀察，如果能觀察到清晰的條紋出現(xiàn)，則說明在此溫度下已經(jīng)去除襯底表面的氧化物并獲得清潔有序的襯底表面；5)GaAs緩沖層的生成打開溫度已升至915℃的Ga源K-cell容器的擋板，Ga分子束照射在襯底上；此時Ga和As的分子束同時照射在襯底表面，GaAs緩沖層的生長開始，生長時間為24～120分鐘，GaAs緩沖層的厚度可達(dá)到200～1000nm，此時將Ga源關(guān)掉，并將Ga源K-cell容器的溫度由915℃降至750℃，之后再降至300℃，并通過RHEED儀可觀察到此時的襯底有一個清潔、平整和有序的表面；6)穩(wěn)定5分鐘后，將襯底溫度由620℃逐漸降至580℃，降溫方法為階梯式，即每次降溫設(shè)定為降5℃，達(dá)到設(shè)定溫度時再設(shè)定下一次，分8次完成降溫；降溫開始后，通過RHEED儀觀察圖像沒有什么異常變化時，將As源關(guān)掉，并將As源溫度由295℃調(diào)至100℃；7)將襯底溫度由580℃逐漸降至500℃，降溫方法為階梯式，每次降10℃；之后，再將襯底溫度由500℃逐漸降至300℃，整個降溫過程分10次進(jìn)行，每次降溫間隔為20℃；8)觀察RHEED儀圖像沒有什么異常變化，此時可將RHEED儀關(guān)掉，在確定III-V族生長室的真空度變?yōu)?.5×10-9Torr以下后，將用來加熱襯底的電源關(guān)掉，并準(zhǔn)備將襯底通過高真空傳輸管道傳向II-VI族生長室；9)在確定II-VI族生長室的真空度為1×10-10Torr以下且II-VI族生長室里的Zn、Be、Te、Se和Mg源的溫度分別加熱到150、820、150、50和200℃以后，再把襯底由III-V族生長室通過超高真空傳輸管道傳送到II-VI族生長室；將襯底升溫至300℃～350℃，并將Zn、Be、Te、Se和Mg源的溫度再分別升溫至307、1065、320、202和322.5℃；10)BeTe緩沖層的生成當(dāng)Be、Te源的溫度分別達(dá)到1065和320℃后，穩(wěn)定30分鐘，打開Be、Te源的擋板，Be分子束和Te分子束照射在襯底的表面，此時開始生長BeTe緩沖層；用RHEED儀進(jìn)行實時監(jiān)控，當(dāng)BeTe緩沖層的生長厚度約為5ML時，生長結(jié)束，然后先關(guān)掉Be源，隨后再關(guān)掉Te源；11)Zn0.77Mg0.15Be0.08Se隔離層的生長先打開Zn源的擋板，再打開Se、Be和Mg源的擋板進(jìn)行Zn0.77Mg0.15Be0.08Se隔離層的生長，此時分別有Zn分子束、Se分子束、Be分子束和Mg分子束同時照射在襯底的表面，當(dāng)隔離層生長厚度為200～1000nm時，結(jié)束生長，先關(guān)閉Se、Be、Mg源，約5～10秒鐘后再關(guān)閉Zn源；12)ZnSe勢阱層的生長打開Zn、Se源，使二者同時照射在襯底表面上，Zn、Se固體源的溫度分別保持在307和202℃，當(dāng)ZnSe層生長的厚度為4～80ML時，生長結(jié)束，先關(guān)閉Se源，經(jīng)過約5～10秒后再關(guān)閉Zn源，以便形成富Zn表面層；13)BeTe勢壘層的生長Be、Te源的溫度分別保持在1065和320℃，先打開Zn源，經(jīng)過約5～10秒后關(guān)閉Zn源，同時打開Te源，并經(jīng)約5～10秒后關(guān)閉Te源；重復(fù)上述Zn源和Te源的操作1～3次，之后再打開Te源和Be源，使Te源和Be源同時照射在襯底表面上，并開始生長BeTe勢壘層，當(dāng)BeTe勢壘層生長的厚度約為10ML時，先關(guān)閉Be源再關(guān)閉Te源，BeTe勢壘層的生長結(jié)束；上述生長過程能夠在ZnSe和BeTe之間的界面處得到具有3個、5個或7個Zn-Te化學(xué)鍵形式的特殊結(jié)構(gòu)；14)ZnSe勢阱層的生長保持上述的Zn、Se、Te源的溫度不變，先打開Te源，經(jīng)過約5～10秒后關(guān)閉Te源，同時打開Zn源，并經(jīng)約5～10秒后關(guān)閉Zn源；重復(fù)上述Te源和Zn源的操作1～3次，此時可將Te源的溫度降至150℃，之后同時打開Zn源和Se源，使Zn源和Se源同時照射在襯底表面上，并開始生長ZnSe勢阱層；當(dāng)ZnSe勢阱層生長的厚度約為4～80ML時，有源層生長結(jié)束，之后先關(guān)閉Se源再關(guān)閉Zn源；上述生長過程能夠在BeTe和ZnSe之間的界面處得到具有3個、5個或7個Te-Zn化學(xué)鍵形式的特殊結(jié)構(gòu)；15)重復(fù)步驟11的隔離層的生長過程，可得到200～1000nm厚的Zn0.77Mg0.15Be0.08Se隔離層；生長結(jié)束時要先關(guān)閉Se、Be、Mg源，約10秒鐘后再關(guān)閉Zn源，這樣可在樣品的頂部生長一層Zn作為覆蓋層，以保護(hù)樣品不受腐蝕；生長結(jié)束后，將襯底溫度設(shè)為150℃并使之降溫，同時也將Zn、Se、Be和Mg源的溫度分別設(shè)定為100、50、820和150℃并使之降溫；當(dāng)襯底溫度降至150℃并確認(rèn)Se源的溫度降至100℃以下后，將樣品從生長室中取出，即可得到完整的ZnSe/BeTe/ZnSe形式的量子阱材料。
全文摘要
消除ZnSe/BeTe II量子阱中內(nèi)秉電場的方法，屬光電材料制備技術(shù)領(lǐng)域，用分子束外延工藝制備II型量子阱材料，在襯底上生長緩沖層、隔離層、勢阱-勢壘-勢阱層等；本發(fā)明所生長界面結(jié)構(gòu)的量子阱材料具有質(zhì)量高、界面處晶格匹配好、II型能帶結(jié)構(gòu)特點。材料界面處有大的能帶落差，使電子、空穴很容易發(fā)生空間分離。兩異質(zhì)結(jié)界面具有多個Zn-Te和Te-Zn化學(xué)鍵結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)的II型能帶結(jié)構(gòu)相比有更長的空間間接復(fù)合發(fā)光壽命，更有利于觀察、研究高密度凝聚現(xiàn)象，能削弱結(jié)構(gòu)中的內(nèi)秉電場，使導(dǎo)帶和價帶結(jié)構(gòu)變得平坦，避免了隧道效應(yīng)，利于光電器件對正負(fù)電荷的獨立控制。本發(fā)明可用于高密度現(xiàn)象的觀察、光電器件的研制等領(lǐng)域。
文檔編號B82B3/00GK101712456SQ20091023007
公開日2010年5月26日 申請日期2009年11月13日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月13日
發(fā)明者冀子武, 徐現(xiàn)剛, 趙雪琴, 鄭雨軍 申請人:山東大學(xué)