一种高密度高均匀性InAs/GaAs量子点的分子束外延制备方法与流程

一种高密度高均匀性inas/gaas量子点的分子束外延制备方法
技术领域
1.本发明涉及本发明涉及半导体光源领域，具体涉及高性能近红外特别是1.3微米波段inas/gaas量子点激光器和超辐射管(slds)等发光器件的核心区域(有源区)制备技术。


背景技术：

2.随着计算机的普及和互联网的发展，传统的局域网已逐渐不能满足用户大容量数据交换的需求，这促进了高速光通信局域网和光线到户的迅猛发展。作为光信号发生器的长波长半导体激光器是光通信系统的重要组成部分，由于半导体量子点三维限制载流子运动的能力，量子点激光器应比传统的量子阱激光器具有低的阈值电流度、高的微分增益、小的频率啁啾效应和好的温度稳定性等优越性能。基于这些优异的器件性能，具有高均匀性和高晶体质量的1.3微米波长inas/gaas量子点激光器被期待着用作下一代高速光通信系统、无制冷pon、相干光通信等的光源。21世纪初光电子技术迅速发展，量子点器件的应用向着性能要求更高和技术难度更难、器件种类更多等方向迅猛发展，对促进和推动科学技术现代化和仪器微型化起着十分重要的作用。
3.传统的stranski-krstanov-sk生长自组装量子点需要在高均匀性、高密度和高晶体质量之间进行权衡。例如，由于长迁移长度，高均匀度的sk生长条件降低了量子点密度。此外，sk生长的高密度量子点经常导致相邻量子点之间的合并，产生巨点引入位错，降低晶格质量。鉴于上述技术问题，为了克服上述现有技术的不足，本发明提出了一种同时提高inas/gaas量子点密度和均匀性的分子束外延(mbe)生长方法。


技术实现要素：

4.本发明的目的是解决背景技术中提到的问题，提供一种高密度高均匀性inas/gaas量子点的分子束外延制备方法。
5.为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案为：一种高密度高均匀性inas/gaas量子点的分子束外延制备方法，具体包括以下步骤：
6.1)升温脱氧：将完成除气的gaas衬底运送到生长室，升温至670℃进行脱氧，此过程rheed实时监测，脱氧条纹明显之后升温至690℃除气两分钟；
7.2)生长缓冲层：衬底温度降到630℃生长300nm gaas缓冲层，生长速率为0.6μm/h，
ⅴ
/ⅲ比值为15倍；
8.3)降温：衬底温度降至480℃，此过程程序设置时间为10分钟，全程开启as保护；
9.4)低温低速生长浸润层：低温低速生长形成wetting layer，采用inas生长速率为0.005mololayer(ml)，as压为6e-8torr，淀积量为1.4ml；
10.5)升温：衬底温度升至520℃，此过程程序设置时间为4分钟，全程开启as保护；
11.6)高温高速生长高质量的高密度inas量子点：高温高速生长形成量子点，采用
inas淀积速率为0.1mololayer(ml)，as压为1e-6torr，淀积量为1.2ml；
12.7)高温低速缓慢淀积使均匀扩散并且成熟：高温低速(生长停顿)生长使量子点均匀成熟，采用inas生长速率为0.1mololayer(ml)，as压为1e-6torr，生长1秒，停顿5秒，淀积量为0.5ml。
13.作为一种优选方案，生长所用设备为分子束外延(mbe)设备。
14.作为一种优选方案，衬底是gaas(001)。
15.作为一种优选方案，inas量子点的生长过程分为三步：第一步，低温低速；第二步，高温高速；第三步，高温低速。
16.本发明与现有技术相比的优点在于：步骤清晰明确，有效提高了inas/gaas量子点密度，量子点密度高达5
×
1010/cm2以上；在提高inas/gaas量子点密度的同时，具有高的均匀性，测得光致发光光谱(pl谱)半高全宽(fwhm)为31nm，高温生长也保证了晶格质量。
附图说明
17.图1是本发明中inas/gaas的的原子力显微镜图。
18.图2是本发明中3层inas/gaas光致发光光谱。
具体实施方式
19.下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
20.需要说明的是，附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。此外，以下实施例中提到的方向用语，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明。
21.一种高密度高均匀性inas/gaas量子点的分子束外延制备方法，具体包括以下步骤：
22.1)升温脱氧：将完成除气的gaas衬底运送到生长室，升温至670℃进行脱氧，此过程rheed实时监测，脱氧条纹明显之后升温至690℃除气两分钟；
23.2)生长缓冲层：衬底温度降到630℃生长300nm gaas缓冲层，生长速率为0.6μm/h，
ⅴ
/ⅲ比值为15倍；
24.3)降温：衬底温度降至480℃，此过程程序设置时间为10分钟，全程开启as保护；
25.4)低温低速生长浸润层：低温低速生长形成wetting layer，采用inas生长速率为0.005mololayer(ml)，as压为6e-8torr，淀积量为1.4ml；
26.5)升温：衬底温度升至520℃，此过程程序设置时间为4分钟，全程开启as保护；
27.6)高温高速生长高质量的高密度inas量子点：高温高速生长形成量子点，采用inas淀积速率为0.1mololayer(ml)，as压为1e-6torr，淀积量为1.2ml；
28.7)高温低速缓慢淀积使均匀扩散并且成熟：高温低速(生长停顿)生长使量子点均匀成熟，采用inas生长速率为0.1mololayer(ml)，as压为1e-6torr，生长1秒，停顿5秒，淀积
量为0.5ml。
29.生长所用设备为分子束外延(mbe)设备。
30.衬底是gaas(001)。
31.inas量子点的生长过程分为三步：第一步，低温低速；第二步，高温高速；第三步，高温低速。
32.本发明在具体实施时，mbe三步法生长高密度高均匀性inas/gaas量子点。将2英寸gaas衬底片由进样室进入mbe系统的intro腔室进行预除去，预除气温度200℃，预除气时间3小时左右。将完成预除气的2英寸gaas衬底片放入buffer腔中进行二次除气，除气温度420℃，除气时间为2小时左右。将完成除气的2英寸gaas衬底运送到生长室，升温至670℃进行脱氧，此过程rheed实时监测，脱氧条纹明显之后升温至690℃除气两分钟。完成脱氧工作后衬底温度降到630℃生长300nm gaas缓冲层，gaas生长速率为0.6μm/h，
ⅴ
/ⅲ比值为15倍。完成buffer生长以后衬底温度降至480℃，此过程程序设置时间为10分钟，全程开启as保护。
33.当温度稳定后开始三步法的inas量子点生长：第一步，低温低速生长形成wetting layer，采用inas生长速率为0.005mololayer(ml),as压为6e-8torr,淀积量为1.4ml；第二步，高温高速生长形成quantum dots，将衬底温度升至520℃，此过程程序设置时间为4分钟，全程开启as保护。采用inas生长速率为0.1mololayer(ml),as压为1e-6torr,淀积量为1.2ml；第三步，高温低速(生长停顿)生长进一步提高量子点均匀性，保持第二步的生长量子点生长温度、inas淀积速率和as压，通过加入生长中断的方法(生长1秒,停顿5秒，淀积量为0.5ml)间接地降低inas量子点的生长速率。
34.以上对本发明及其实施方式进行了描述，这种描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。总而言之如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。