專利名稱：高性能銦砷/鎵砷量子點(diǎn)材料有源區(qū)的外延生長方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，特別是指基于低維半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)量子點(diǎn)材料的量子器件，如銦砷/鎵砷
(InAs/GaAs)量子點(diǎn)激光器有源區(qū)的外延生長方法。
背景技術(shù)：
新一代高速光通信網(wǎng)的發(fā)展迫切需要低成本、高性能的長波長半導(dǎo)體激光器光源。鎵砷(GaAs )基1 .3微米銦砷(InAs )量子點(diǎn)激光器作為有力的候選者之 一 ，近年已吸引了國內(nèi)外科技人員們的極大注意力。由于半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)量子點(diǎn)材料的獨(dú)特物理特性，如有像原子 一 樣的分立電子能級和像5函數(shù) 一 樣的電子態(tài)密度，半導(dǎo)體量子點(diǎn)激光器被預(yù)計(jì)比傳統(tǒng)的量子阱激光器具有低的閾值電流密度、高的微分增益和好的溫度穩(wěn)定性等優(yōu)越性能。實(shí)際上，近年，隨著現(xiàn)代薄膜晶體生長技術(shù)的發(fā)展，特別是在晶格失配材料系通過應(yīng)變自組裝生長模式 (Stranski-Krastanov growthmode)形成半導(dǎo)體量子點(diǎn)技術(shù)的出現(xiàn)，上述預(yù)言的半導(dǎo)體量子點(diǎn)激光器優(yōu)越性能都己被相繼證明。
對于晶格失配材料系，例如，銦砷/鎵砷(InAs/GaAs)材料系，以應(yīng)變自'組裝生長模式形成的InAs量子點(diǎn)材料特性隨生長條件變化而變化，因此可以通過對生長參數(shù)的控制實(shí)現(xiàn)對InAs量子點(diǎn)材料特性(如量子點(diǎn)密度，均勻性和輻射波長等)在 一 定范圍內(nèi)進(jìn)行精確調(diào)控，以確定量子點(diǎn)材料的最佳生長條件及特性。此外，為了擴(kuò)展InAs量子點(diǎn)輻射波長，例如擴(kuò)展到1 . 3微米，通常在生長GaAs蓋層之前生長一層薄的 InGaAs應(yīng)力緩角率層(strain — reducing layer)。InAs量子點(diǎn)的輻射波長隨InGaAs應(yīng)力緩解層的In濃度(或厚度)增加而增加。對于GaAs蓋層，尤其是對于疊層結(jié)構(gòu)量子點(diǎn)有源區(qū)中的GaAs中間隔層，為了改進(jìn)量子點(diǎn)有源區(qū)的發(fā)光效率，通常采用兩溫過程生長技術(shù)。在這技術(shù)中，GaAs蓋層(或中間隔層)初始部分的生長溫度與量子點(diǎn)和InGaAs應(yīng)力緩解層的生長溫度相同?？墒?，GaAs蓋層的剩余部分則在經(jīng)歷 一 個升溫及在高溫下原位退火過程之后在高溫條件下進(jìn)行生長。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提供 一 種高性能銦砷/鎵砷量子點(diǎn)材料有源區(qū)的外延生長方法，通過適當(dāng)調(diào)低銦砷/
鎵砷量子點(diǎn)蓋層初始部分的生長溫度改進(jìn)量子點(diǎn)有源區(qū)的發(fā)光效率，從而改進(jìn)量子點(diǎn)器件的性能。
本發(fā)明提供 一 種高性能銦砷/鎵砷量子點(diǎn)材料有源區(qū)的外延生長方法，其特征在于，包括如下步驟
步驟1 :選擇 一 襯底；
步驟2 :在該襯底上生長 一 層緩沖層；
步驟3 :在緩沖層上生長銦砷量子點(diǎn)；步驟4:以低于銦砷量子點(diǎn)生長溫度的條件，在銦砷量子點(diǎn)上淀積蓋層初始部分；
步驟5 :升溫并進(jìn)行原位退火；
步驟6 :以高于銦砷量子點(diǎn)生長溫度的條件，在蓋層初始部分上生長高溫蓋層，完成銦砷/鎵砷量子點(diǎn)材料有源區(qū)的制作。
其中所述的襯底是鎵砷襯底。
其中所述的緩沖層是鎵砷緩沖層。
其中所述的外延生長方法包括分子束外延法和金屬有機(jī)化學(xué)沉積法。
其中所述蓋層初始部分包括銦鎵砷蓋層和鎵砷蓋層所述的蓋層初始部分的厚度為《2 0 nm。
中所述蓋層初始部分的生長溫度高于42 5
°c 。
苴 z 、中步驟5所述的升溫溫度低于6 3 0 °C ;原位
退火的時間為幾分鐘至十幾分鐘之間。
苴 z 、中步驟7所述的生長溫度低于6 3 0°C，局溫
蓋層50的厚度《1 0 0 nm。


為了進(jìn)一步說明本發(fā)明的具體技術(shù)內(nèi)容，以下結(jié)
合分子束外延法生長實(shí)例和附圖詳細(xì)說明如下，，實(shí)中
圖1是外延結(jié)構(gòu)示意圖2是隨蓋層初始部分生長溫度變化的銦砷/鎵砷量子點(diǎn)、有源區(qū)的光致熒光譜(PL)圖。
中
10:襯底
20:緩沖層
30:銦砷量子點(diǎn)
40:蓋層初始部分
41:銦鎵砷蓋層
74 2 :鎵砷蓋層
5 0 : 高溫蓋層
具體實(shí)施例方式
請結(jié)合參閱圖1所示，本發(fā)明涉及 一 種高性能銦 砷/鎵砷量子點(diǎn)材料有源區(qū)的外延生長方法，包括如下 步驟
步驟1 :選擇一 (0 0 1 )鎵砷襯底1 0 ，
步驟2 :在該鎵砷襯底1 0上生長 一 層鎵砷緩沖 層2 0，其厚度為2 5 0nm，生長溫度為5 8 0。C;
步驟3 :在鎵砷緩沖層2 0上生長銦砷量子點(diǎn)3 0 ，生長溫度為4 8 5 。C ，生長時間為3 2秒，厚度 為0 . 7 4 nm;
步驟4 :在銦砷量子點(diǎn)3 0上淀積蓋層初始部分 4 0 ，蓋層初始部分4 0由6 nm厚的InxGa 1 -xAs應(yīng) 力緩解層4 1禾B 5 nm厚的GaAs層4 2構(gòu)成，InxGa 1 -xAs應(yīng)力緩解層4 1的 In組分約為1 5 %， InxGa 1 -x A s應(yīng)力緩解層4 1的作用是擴(kuò)展銦砷量子點(diǎn)3 0的 輻射波長到1 . 3微米波段，為了說明蓋層初始部分4 0的生長溫度效應(yīng)，蓋層初始部分4 0生長溫度分別 為485。C、 475 °C、 465 °C、 455 °C、 44 0 °C 、禾H 4 2 5 °C的樣品被制備；步驟5 :升溫并進(jìn)行原位退火，升溫的速率為3
0 °C /分，升溫溫度為5 8 0 °C ，升溫和進(jìn)行原位退火
的時間為1 0分鐘，升溫和進(jìn)行原位退火時生長室 (chamber)的石申壓為4. 5 XI 0—6 Torr;
步驟6:在5 8 0 。C的條件，生長鎵砷高溫蓋層 5 0，鎵砷高溫蓋層5 0的厚度為9 Onm，完成銦砷/ 鎵砷量子點(diǎn)材料有源區(qū)的制作。
參閱圖2 ，圖2是具有不同量子點(diǎn)蓋層初始部分 4 0生長溫度的銦砷/鎵砷量子點(diǎn)有源區(qū)的光致熒光 譜(PL )，峰值強(qiáng)度隨量子點(diǎn)蓋層初始部分4 0的生長 溫度而發(fā)生變化，峰值波長在1 . 3 0微米和1 3 5 微米之間。圖中標(biāo)明A 、 B 、 C 、 D 、 E 、 F的PL峰值分 別對應(yīng)蓋層初始部分4 0的生長溫度為4 8 5 °C 、 4 75°C、 465 °C、 455 。C、 440 °C、 425 °C。 其中蓋層初始部分4 0的生長溫度為4 5 5 °C時銦砷 /鎵砷量子點(diǎn)有源區(qū)的發(fā)光強(qiáng)度最高，其峰值強(qiáng)度分別 約是4 8 5 °C和4 2 5 °C的1 1倍禾Q 5 . 7倍。這 一 顯
著強(qiáng)度或量子點(diǎn)發(fā)光效率的提高主要是由于優(yōu)化量子 點(diǎn)蓋層初始部分4 Q的生長溫度使銦鎵砷蓋層4 1和 鎵砷蓋層之間4 2的界面獲得顯著改進(jìn)，導(dǎo)致晶體缺 陷密度明顯減少造成的。
上述實(shí)施例僅是為了方便說明而舉例而已，本發(fā)明所主張的權(quán)利范圍自應(yīng)以權(quán)利要求范圍所述為準(zhǔn)， 而非僅限于上述實(shí)施例。
權(quán)利要求
1、一種高性能銦砷/鎵砷量子點(diǎn)材料有源區(qū)的外延生長方法，其特征在于，包括如下步驟步驟1選擇一襯底；步驟2在該襯底上生長一層緩沖層；步驟3在緩沖層上生長銦砷量子點(diǎn)；步驟4以低于銦砷量子點(diǎn)生長溫度的條件，在銦砷量子點(diǎn)上淀積蓋層初始部分；步驟5升溫并進(jìn)行原位退火；步驟6以高于銦砷量子點(diǎn)生長溫度的條件，在蓋層初始部分上生長高溫蓋層，完成銦砷/鎵砷量子點(diǎn)材料有源區(qū)的制作。
2 、根據(jù)權(quán)利要求1所述的高性能銦砷/鎵砷量子點(diǎn)材料有源區(qū)的外延生長方法，其特征在于，其中所述的襯底是鎵砷襯底。
3 、根據(jù)權(quán)利要求1所述的高性能銦砷/鎵砷量子點(diǎn)材料有源區(qū)的外延生長方法，其特征在于，其中所述的緩沖層是鎵砷緩沖層。
4 、根據(jù)權(quán)利要求1所述的高性能銦砷/鎵砷量子點(diǎn)材料有源區(qū)的外延生長方法，其特征在于，其中所述的外延生長方法包括分子束外延法和金屬有機(jī)化學(xué)沉積法。
5 、根據(jù)權(quán)利要求1所述的高性能銦砷/鎵砷量子點(diǎn)材料有源區(qū)的外延生長方法，其特征在于，其中所述蓋層初始部分包括銦鎵砷蓋層和鎵砷蓋層；所述的蓋層初始部分的厚度為《2 0 nm。
6 、根據(jù)權(quán)利要求1所述的高性能銦砷/鎵砷量子點(diǎn)材料有源區(qū)的外延生長方法，其特征在于，其中所述蓋層初始部分的生長溫度高于4 2 5 'C。
7 、根據(jù)權(quán)利要求1所述的高性能銦砷/鎵砷量子點(diǎn)材料有源區(qū)的外延生長方法，其特征在于，其中步驟5所述的升溫溫度低于6 3 0 °C ;原位退火的時間為幾分鐘至十幾分鐘之間。
8 、根據(jù)權(quán)利要求1所述的高性能銦砷/鎵砷量子點(diǎn)材料有源區(qū)的外延生長方法，其特征在于，其中步驟7所述的生長溫度低于6 3 0°C，高溫蓋層5 0的厚度《1 0 0 nm。
全文摘要
本發(fā)明一種高性能銦砷/鎵砷量子點(diǎn)材料有源區(qū)的外延生長方法，其特征在于，包括如下步驟步驟1選擇一襯底；步驟2在該襯底上生長一層緩沖層；步驟3在緩沖層上生長銦砷量子點(diǎn)；步驟4以低于銦砷量子點(diǎn)生長溫度的條件，在銦砷量子點(diǎn)上淀積蓋層初始部分；步驟5升溫并進(jìn)行原位退火；步驟6以高于銦砷量子點(diǎn)生長溫度的條件，在蓋層初始部分上生長高溫蓋層，完成銦砷/鎵砷量子點(diǎn)材料有源區(qū)的制作。
文檔編號H01S5/00GK101533768SQ20081010176
公開日2009年9月16日 申請日期2008年3月12日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月12日
發(fā)明者季海銘, 濤 楊 申請人:中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所