专利名称：控制自组织铟镓砷量子点成核的生长方法
技术领域：
本发明涉及一种控制自组织铟镓砷量子点成核的生长方法。 更确切的说，是在生长量子点的过程中铟镓砷材料从层状生长到
岛状生长(2 D-3 D)转变的临界厚度附近引入一个超薄砷化铝 层来调控量子点的成核过程的生长方法。
背景技术：
由于纳米量子结构中的受限电子、光子呈现出许多与体材料 结构中十分不同的物理内涵、十分丰富的新量子现象和效应，这 也就为新原理的电子、光电子器件的发展提供了新机遇，如发展 基于不同应用目标、工作于不同波段的量子阱、量子线和量子点 激光器、调制器和探测器等，由于其多维的限制，产生很多优越 性，如量子点激光器则有窄发射线宽、高调制频率、高温度稳定 性和低阈值电流密度等独特的优越特性。
目前，以分子束外延技术和金属有机物化学气相淀积技术等 为代表的低维材料生长新技术获得了巨大进展，并成功地生长出 了一系列纳米结构材料。经多年的努力，在这两种技术的基础上，现已发展了多种半导体量子点材料的制备方法，归纳起来包括 "自上而下"、"自下而上"和两种相结合的制备技术。其中"自 上而下"的方法，是利用电子、离子或光学微细加工技术，通过 刻蚀直接制备量子点。这种方法制备的量子点，虽然其尺寸、形 状和密度可控，但加工带来的界面损伤以及工艺过程中引入的杂 质污染等，使其相关的器件性能与理论预期相差甚远。而这种方 法与"自下而上"的方法相结合后，虽然一定程度上提高了器件 性能，但还是与理论预期存在一定距离。"自下而上"的方法一 般又称为自组织生长方法。这种生长方法是利用SK
(Stranski-Krastanow)生长模式在晶格失配的衬底上生长量子 点，这种量子点几乎没有位错，具有较好的电学和光学性能。但 是自组织方法生长的量子点，由于在Sk转变(即从层状生长模 式转变到岛状生长模式(2 D-3 D))过程中量子点成核的随机性， 一般都存在一定的尺寸分布，这会造成量子点光谱的非均匀展宽
(2 0 — 1 0 0 meV)。这种尺寸不均匀效应破坏了基于量子点独 特的零维电子能态结构(6函数态密度)所带来的优异性能，故 如何提高量子点尺寸分布的均匀性成为了近年来的研究热点之
此外，低密度量子点可用于制备单光子源和单电子器件，也 成为了近年来研究热点之一。而光子能量在1 . 3 (ini和1 . 5 pm
附近(长波长)的单光子源在量子通讯领域尤其应用广泛。而采 用低生长速率、低砷压和较低的生长温度可以实现室温荧光在1 .3 pm左右的低密度量子点，但其生长条件范围极窄，细微的生 长条件的变化就可能导致实验的失败。
基于现有技术生长的铟镓砷量子点样品的生长方法也主要
分为两类，请参阅图1 (a)和(b)所示的现有技术结构A样品 和结构B样品的结构示意图。现有技术结构A样品的生长步骤为 在衬底1 0 '上采用分子束外延或金属有机物化学气相淀积的方 法淀积缓冲层2 0 ';在缓冲层2 0 '上淀积应力缓减层3 0 '; 在应力缓减层3 0'上淀积铟镓砷材料来形成铟镓砷浸润层4 0 '和铟镓砷量子点层5 0'。现有技术结构B样品的生长步骤 类似于图l (a)的步骤，只是缺少淀积应力缓减层3 0 '的步 骤，从图1 (a)禾P (b)可以看出量子点层5 0 ，是不均匀的凸 起。基于现有技术生长铟镓砷量子点时，通过调节量子点的生长 条件(如生长温度、生长速率和砷压等)和生长结构(dot-in-well
结构或迭层量子点.结构等)可以在 一 定范围内调控量子点的尺 寸、形状、密度以及组分等。比如采用生长停顿的方法，可以利 用量子点的尺寸自限制效用来提高量子点尺寸分布的均匀性；另 外采用迭层量子点结构也可以得到窄光谱的量子点。而本文提供 的这种在生长量子点的过程中引入一个超薄砷化铝层的方法(当 铟镓砷的厚度处于2 D- 3 D转变的临界厚度附近时引入超薄砷 化铝层)，利用了铝原子的迁移率低于镓原子的迁移率以及铝原 子加入铟镓砷表面会使表面能提高这两个性质，来改变生长前沿 的表面状况，使得从层状生长模式转变到岛状生长模式(2D-
73D)转变提前，并促使3D岛在富铝区域均匀成核，从而调节
量子点的成核密度以及提高量子点尺寸分布的均匀性。另外因为
此方法可以控制3 D岛在富铝区优先成核，所以可以通过控制超 薄砷化铝层的引入量这一个额外参数来拓宽室温荧光在1 . 3 拜左右的低密度量子点的生长条件的可选择范围。本方法思想 新颖，相应生长工艺便于掌握和优化。
发明内容
本发明的目的是提供一种控制自组织铟镓砷量子点成核的 生长方法，其可实现在InxGa卜xAs生长前沿上生长InyGai-yAS 量子点时量子点成核机制的改变(0《x〈y《1 )，促使量子点均 匀成核，从而实现自组织铟镓砷量子点尺寸均匀性的提高及其成 核密度的调控。
发明技术方案为
本发明提供一种控制自组织铟镓砷量子点成核的生长方法，
其特征在于，包括如下步骤 步骤1 :选择一衬底；
步骤2 :在衬底上釆用分子束外延或金属有机物化学气相淀 积的方法淀积缓冲层，来隔离衬底中的杂质和位错，并使生长表 面更加平整；
步骤3 :在缓冲层上淀积应力缓减层，来缓减缓冲层与铟镓砷材料之间的应变；
步骤4 :在应力缓减层上依序淀积第一层铟镓砷、超薄砷化 铝和第二层铟镓砷层，形成铟镓砷浸润层和铟镓砷量子点层，完 成生长的制备。
其中所述的衬底为砷化镓或磷化铟或硅衬底。
其中所述的铟镓砷层的化学式为InxGai-xAs，其中0<^《1。
其中所述的依序淀积的第一层铟镓砷的厚度与铟镓砷材料 生长在应力缓减层上时从层状生长模式转变到岛状生长模式的 临界厚度大致相同。
其中所述的超薄砷化铝的厚度小于1 ML。
本发明提供一种控制自组织铟镓砷量子点成核的生长方法， 其特征在于，包括如下步骤 步骤1:选择一衬底；
步骤2 :在衬底上采用分子束外延或金属有机物化学气相淀 积的方法淀积缓冲层，来隔离衬底中的杂质和位错，并使生长表 面更加平整；
步骤3 :在缓冲层上依序淀积第一层铟镓砷、超薄砷化铝和 第二层铟镓砷层，形成铟镓砷浸润层和铟镓砷量子点层，完成生 长的制备。
其中所述的衬底为砷化镓或磷化铟衬底。 其中所述的铟镓砷，其化学式为InxGai-xAs，其中0〈xSl。 其中所述的依序淀积的第 一 层铟镓砷的厚度与铟镓砷材料生长在缓冲层上时从层状生长模式转变到岛状生长模式的临界 厚度大致相同。
其中所述的超薄砷化铝的厚度小于1 ML。
本发明具有的意义
本发明采用引入超薄砷化铝层这一简单的方式提供了一种 改变自组织铟镓砷量子点成核机制的新方法，为控制量子点的尺 寸、形状和密度等提供了一个新的可调参数，提高了自组织铟 镓砷尺寸分布的均匀性，并拓宽了实现低密度量子点(室温荧光 位于1 . 3拜左右)的生长条件的可选择范围。
为进一步说明本发明的具体技术内容，以下结合实施例及附
图详细说明如后，其中
图1(a)是现有技术结构A样品的结构示意图；(b)是现
有技术结构B样品的结构示意图2是本发明第一实施例样品的结构示意图； 图3是本发明第二实施例样品的结构示意图； 图4 (a)是现有技术结构A样品的原子力照片(2 X 2 u m
2 )以及相应的高度分布柱状图；(b)是本发明第一实施例样品
的原子力照片(2 X 2 u m2 )以及相应的高度分布柱状图5 (a)是现有技术结构A样品中小量子点集的尺寸标度
10分布(实心方块)同理论标度函数"")(虚线)的比较；(b)是 现有技术样品B中大量子点集的尺寸标度分布(实心方块)同理
论标度函数^(")(虚线)的比较；
图6是本发明中所有量子点的尺寸标度分布(实心方块)同
理论标度函数《(")(虚线)的比较；
图7是本发明第二实施例样品的低温荧光光谱(8 0 K)，图
中虚线代表高斯拟合峰；
图8是现有技术结构B样品的低温荧光光谱(8 0 K)，图中
虚线代表高斯拟合峰。
具体实施例方式
请参阅图2所示，为本发明的第一实施例。
本发明一种控制自组织铟镓砷量子点成核的生长方法，包括 如下步骤
步骤1 :选择一衬底1 0 ,所述的衬底1 0为砷化镓(0 0 1 )衬底；
步骤2:在衬底10上采用分子束外延的方法生长缓冲层2
0，本例样品的生长在Riber 3 2 p分子束外延设备中进行， 所述的缓冲层2 0为4 0 Q nm厚的砷化镓缓冲层，其生长温度 为6 1 0'C，高温生长的砷化镓缓冲层可以使生长表面尽量平 整，并可尽量减小衬底材料中杂质和位错对量子点层的光电性质 的影响；步骤3 :在缓冲层2 0上，淀积应力缓减层3 0 ，所述的应
力缓减层3 0为2 nm厚的In。. 15Ga。. 85As应力缓减层，其生长温 度降为5 1 0 'C，此应力缓减层的生长可以减小铟原子和镓原子
之间的互换作用；
步骤4 :在应力缓冲层3 0上，依序淀积第一层铟镓砷、超 薄砷化铝和第二层铟镓砷层，形成铟镓砷浸润层4 0和铟镓砷量 子点层5 0 ，完成生长的制备。所述的铟镓砷，所选为砷化铟(化
学式为InxGai-xAs， x=0)，所述的依序淀积的第 一 层铟镓砷的 厚度为0 . 9 ML，所述的超薄砷化铝的厚度为0 . 0 2 ML，所述的 第二层铟镓砷的厚度为0 . 2 ML，本步骤生长温度仍为5 1 0 °C， 铟镓砷和砷化铝的淀积速率均为0.01 ML/s。
本实施例每个步骤的生长均采用As2气压，并一直保持在3 . 6X1 0 —6 Torr。 .
为了比较，还生长了类似于本实施例样品结构的现有技术结 构A样品(请参阅图l (b))，两样品的每步生长条件一样，以 便于比较。
在生长样品之前，已经通过装配在分子束外延设备上的反射 式高能电子衍射装置(RHEED)事先确定了，衬底温度为5 1 0 。C时，2 nm-InQ.15Gao.85As/GaAs上砷化铟材料2 D-3 D转变的临 界厚度位于0 . 9 ML- 1 . 0 ML之间。
样品生长完成后，将衬底温度迅速冷却至室温，取出样品并 对其进行原子力测量，结果在图4中给出。根据图4 ，可以看出两个样品的表面形貌区别很大。现有技 术结构A样品的表面量子点由两组量子点构成一组是高度在0 .
9 - 3 . 5 nm的小量子点，密度约为9 . 7 X 1 0 9cm—2，另一组是 高度在7-1 4 nm的大量子点，密度约为5.3 X 1 0 、—2;而 本发明第一实施例样品的表面量子点只包含一个模式，其密度约 为5 . 5X 1 0 9cnT2，高度分布可用一个高斯峰来拟合。
引进动力学标度理论来分析两个样品的成核过程。按照经典 的成核理论，若3 D岛的尺寸分布服从一定的标度规律(scaling
1 aw)， 贝U
式中，e是外延层的有效覆盖度，"=^〈心，〈》是3D岛的平 均尺寸，W(")是尺寸为s的3D岛的数量密度，/(")是标度函数，
只依赖于"的大小。当""时，,(")达到最大值。动力学标度理 论起初被用来描述2 D岛的成核过程，并在同质外延和异质外延
中的理论模拟以及实验研究中得到了证实。只要比较实验测量的
量子点的尺寸分布同理论函数即可得出临界成核数/的大小。另
外经推导，当= 'a'""°'，其中^和^是常数。同时有 人将此方法应用到半导体异质结的3D岛生长分析中，并认为^ 即3 D岛的体积。
图5 (a)和(b)分别给出了现有技术结构A样品中小量子 点和大量子点的尺寸标度分布。小量子点的尺寸标度分布的最大值处，W<1，其形状介于/ = 0和/ = 1的标度函数之间。 一个系
统的临界成核数/ = 0，意味着In原子一旦沉积到生长表面则立
刻自发成核。这样的行为可能是因为生长表面中缺陷的存在，如
台阶等。而现有技术结构A样品中大量子点的尺寸标度分布与小
量子点的完全不一，其形状接近理论函数《(")。大小量子点的 尺寸标度分布的不同表明，两者处于不同的演进发展阶段并且不 可能同时成核。
本发明第 一 实施例样品中的量子点的尺寸标度分布在图4
中给出，其形状也是一个类/ = 3的函数，这说明本发明第一实施 例样品中所有量子点都处于同一个演进阶段，可能同时成核。
现有技术结构A样品和本发明第一实施例样品中量子点的 原子力形貌直观表现的差异及其尺度标度分布的区别，说明超薄 砷化铝确实改变了自组织铟镓砷量子点在2 D- 3 D转变初级阶 段的成核过程，改变了量子点的成核密度，并促使量子点均匀成 核，提高了量子点尺寸分布的均匀性。
请参阅图3 ，为本发明的第二实施例(其中第二实施例与第
一实施例的相同部分采用了相同标号)。
本发明一种控制自组织铟镓砷量子点成核的生长方法，包括 如下步骤
步骤1 :选择一衬底1 0 ，所述的衬底1 0为砷化镓(0 0 1 )衬底；
步骤2 :在衬底1 0上釆用分子束外延淀积缓冲层2 0 ，本例样品的生长在Riber 3 2p分子束外延设备中进行，所述的 缓冲层2 0为4 0 0 nm厚的砷化镓缓冲层，其生长温度为6 1 0 °C，高温生长的砷化镓缓冲层可以使生长表面尽量平整，并可 尽量减小衬底材料中杂质和位错对量子点层的光电性质的影响；
步骤3 :在缓冲层2 0上依序淀积第一层铟镓砷、超薄砷化 铝和第二层铟镓砷层，形成铟镓砷浸润层4 0和铟镓砷量子点层 5 0 。所述的铟镓砷，所选为砷化铟(化学式为InxGa卜xAs， x= 0 )，所述的依序淀积的第一层铟镓砷的厚度为1 . 6 ML，所述的 超薄砷化铝的厚度为0 . Q 2 ML，所述的第二层铟镓砷的厚度为 0 . 3 ML本步骤生长温度仍为4 9 0 °C,铟镓砷淀积速率为0 . 0 0 3 7 5 ML/s，砷化铝的淀积速率为0.01 ML/s。
完成步骤3的生长后，依序在生长温度为4 9 0 。C时继续生
长了 5 nm厚的InQ.i5GaD.85As和1 0 nm厚的砷化镓低温盖层，接 着温度升至6 1 0 °C继续生长了 2 4 0 nm的砷化镓高温间隔
层，完成样品的制备。本步生长其目的在于使样品更利于研究本 发明量子点的光学性质的研究。
本实施例每个步骤的生长均采用AS2气压，除步骤3中As2
气压保持在0.9X1 0 —6Torr之外，其他步骤都保持在4 X 1 0 6Torr左右。
为了比较，还生长了类似于本实施例样品结构的现有技术结 构B样品(请参阅图l (b))，两样品的每步生长条件一样，以 便于比较。在生长样品的同时，通过装配在分子束外延设备上的反射式
高能电子衍射装置(RHEED)观察，知道衬底温度为4 9 0。C时， 砷化镓上砷化铟材料2D-3D转变的临界厚度略大于1 . 6ML。
样品生长完成后，将衬底温度迅速冷却至室温，取出样品并 对其进行平面透射电镜和低温光致发光测量(8 OK)。
本实施例中铟镓砷浸润层4 0和铟镓砷量子点层5 O的生
长采甩了低生长温度、低生长速專和低砷压条件，其目的在于研 究本发明控制自组织铟镓砷量子点成核的生长方法在生长长波 长低密度量子点方面的作用。
对样品进行平面透射电镜测试后，发现本发明第二实施例样 品中量子点的面密度约为5 XI 09cnT2，而现有技术结构B样 品中量子点的面密度约为1.5X10 "cm—2。可见后者的密度约 为前者的三倍，超薄砷化铝的引入有效的降低了量子点的面密 度。
图7给出了本发明第二实施例样品的低温荧光光谱(8 0 K， 激发功率为1 0 mW)，经高斯拟合发现光谱包含EO (峰位=1 . 2 6 pm，半高宽二2 8 meV)禾B E 1 (峰位二 1 . 1 8 ^n)两个峰， 通过与高激发功率下的光谱比较，发现EQ为量子点基态发光， El为量子点激发态发光，这说明第二实施例样品只存在单模分 布的量子点。
图8给出了现有技术结构B样品的低温荧光光谱(8 0 K， 激发功率为1 0 mW)，经高斯拟合发现，光谱包含EO (峰位二l .
162 7 fxm，半高宽=2 9 meV)、 E、 0 (峰位二 1 . 1 6 nm，半高宽= 1 7 meV)、 E 1(峰位=1.19 禾口 E、 1 (峰位=1.16 |um)
两个峰，通过与高激发功率下的光谱比较，发现E 0和E' 0分别 为样品中两个量子点集的基态发光，E 1和E' 1分别为样品中 两个量子点集的激发态发光，这说明现有技术结构B样品中量子 点的分布是双模的。
经过以上分析，可以说明超薄砷化铝的引入确实有效地降低 了量子点的面密度并提高了量子点尺寸分布的均匀性，有利于实 现长波长低密度量子点。
虽然参照上述实施例详细地描述了本发明，但是应该理解本 发明并不限于所公开的实施例，对于本专业领域的技术人员来 说，可对其形式和细节进行各种改变。本发明意欲涵盖所附权利 要求书的精神和范围内的各种变形。
权利要求
1、一种控制自组织铟镓砷量子点成核的生长方法，其特征在于，包括如下步骤步骤1选择一衬底；步骤2在衬底上采用分子束外延或金属有机物化学气相淀积的方法淀积缓冲层，来隔离衬底中的杂质和位错，并使生长表面更加平整；步骤3在缓冲层上淀积应力缓减层，来缓减缓冲层与铟镓砷材料之间的应变；步骤4在应力缓减层上依序淀积第一层铟镓砷、超薄砷化铝和第二层铟镓砷层，形成铟镓砷浸润层和铟镓砷量子点层，完成生长的制备。
2 、根据权利要求1所述的控制自组织铟镓砷量子点成核的 生长方法，其特征在于，其中所述的衬底为砷化镓或磷化铟或硅 衬底。
3 、根据权利要求1所述的控制自组织铟镓砷量子点成核的 生长方法，其特征在于，其中所述的铟镓砷层的化学式为 InxGai —xAs，其中0〈^《1。
4 、根据权利要求1所述的控制自组织铟镓砷量子点成核的 生长方法，其特征在于，其中所述的依序淀积的第一层铟镓砷的厚度与铟镓砷材料生长在应力缓减层上时从层状生长模式转变 到岛状生长模式的临界厚度大致相同。
5 、根据权利要求1所述的控制自组织铟镓砷量子点成核的生长方法，其特征在于，其中所述的超薄砷化铝的厚度小于1 ML。
6 、 一种控制自组织铟镓砷量子点成核的生长方法，其特征在于，包括如下步骤步骤1 :选择一衬底；步骤2 :在衬底上采用分子束外延或金属有机物化学气相淀 积的方法淀积缓冲层，来隔离衬底中的杂质和位错，并使生长表 面更加平整；步骤3 :在缓冲层上依序淀积第一层铟镓砷、超薄砷化铝和 第二层铟镓砷层，形成铟镓砷浸润层和铟镓砷量子点层，完成生 长的制备。
7 、根据权利要求6所述的控制自组织铟镓砷量子点成核的 生长方法，其特征在于，其中所述的衬底为砷化镓或磷化铟衬底。
8 、根据权利要求6所述的控制自组织铟镓砷量子点成核的 生长方法，其特征在于，其中所述的铟镓砷，其化学式为 InxGai—xAs，其中0<x^l。
9 、根据权利要求6所述的控制自组织铟镓砷量子点成核的 生长方法，其特征在于，其中所述的依序淀积的第一层铟镓砷的 厚度与铟镓砷材料生长在缓冲层上时从层状生长模式转变到岛 状生长模式的临界厚度大致相同。
10 、根据权利要求6所述的控制自组织铟镓砷量子点成核 的生长方法，其特征在于，其中所述的超薄砷化铝的厚度小于1ML。
全文摘要
本发明一种控制自组织铟镓砷量子点成核的生长方法，其特征在于，包括如下步骤步骤1选择一衬底；步骤2在衬底上采用分子束外延或金属有机物化学气相淀积的方法淀积缓冲层，来隔离衬底中的杂质和位错，并使生长表面更加平整；步骤3在缓冲层上淀积应力缓减层，来缓减缓冲层与铟镓砷材料之间的应变；步骤4在应力缓减层上依序淀积第一层铟镓砷、超薄砷化铝和第二层铟镓砷层，形成铟镓砷浸润层和铟镓砷量子点层，完成生长的制备。
文档编号H01L33/00GK101540357SQ200810102198
公开日2009年9月23日 申请日期2008年3月19日 优先权日2008年3月19日
发明者叶小玲, 波 徐, 梁凌燕, 王占国, 鹏 金, 陈涌海 申请人:中国科学院半导体研究所