专利名称：具光磁性质含MnInAs/GaAs量子点样品的结构及制备方法
技术领域：
本发明涉及稀磁半导体量子点制备技术领域，特 别是一种具光磁性质含MnlnAs/GaAs量子点样品的结 构的制备方法。
背學技术
稀磁材料是近些年来研究热点，因为它可以用在
磁光、信息存储、巨磁阻等方面应用。m - V族半导体
5 是现在制备高速电子器件、激光器等的主要材料，开
发III - V稀磁半导体可以将稀磁性能与现在的电子器 件的光电性能结合在一起，而对GaAs、 InAs、 InSb而 言，Mn离子与阳离子原子半径相近，并且Mn具有大的 固有磁矩，因而被认为是III - V族半导体磁性掺杂离子 20 的首选。但Mn在III - V族半导体中的低溶解度使制备 III -Mn- V稀磁半导体很困难，直至U 1 9 8 9年，Hono 等人用低温外延的办法成功制成了InMiiAs ，自此
GaMnAs等稀磁半导体的结构、磁学、输运方面的研究 开展得非常多。 一 般制备III -Mn- V稀磁半导体的方法 主要是低温外延，这种方法制备的GaMnAs、 InMnAs晶 格周期性较好，Mn含量甚至可以达到1 0 %以上，研究 发现Mn在材料中取代阳离子的位置，并形成受主同时
电离出空穴，并且这些磁性Mn离子以空穴为媒介形成
铁磁有序而使材料获得低温铁磁性，通过适当的低温
退火处理，其居里转变温度可达到l 50 K左右。
但是由于在低温外延制备过程中，生长条件决定
必须在较大的As压和较低的温度下生长，因而材料中
存在+且 大里的As施主和缺陷，这使得低温外延生长出来
的GaMnAs量子阱或InMnAs量子点都不具备发光性育巨，
从而妨碍了这些材料的进一步的应用。
离子注入法是 一 种传统的掺杂方法这种方法操
15 作简单，离子掺杂的深度可控，在较高能量注入时
离子的分散度也较好，目前在微电子工艺中离子注入
方法应用较为普遍。但由于离子注入给基体来较大
的损伤，对于光电材料，如G a A s ，注入后的材料发光
性能难以保证。
20本发明利用到量子点材料较强的发光性能实现
了离子注入加退火后的量子点样品具有发光性能
原理是由于载流子被量，点>捕获后在三维方向上都受
到限制，不易逃逸出去，
流子或电激发载流子)被
注入过程给材料带来了缺
性能影响受到抑制，因而
能当选用适当的注入剂占 "、、材料就同时員有光学和
可能更广泛的应用到磁光
域当中。
从而减小了载流子(光生载 缺陷俘获的几率，这样虽然 陷，但缺陷对量子点的发光 材料仍然具有 一 定的发光性
量和退火工艺时，注Mn量子 磁学性能。这使得这种材料 、自旋注入、量子存储等领
发明内容
本发明的目的在于，提供一种具光磁性质含 MnlnAs/GaAs量子点样品的结构的制备方法，其可应用 于磁光、自旋注入、量子存储等技术领域中。
本发明一种具光磁性质含MnlnAs/GaAs量子点样 品的结构，其特征在于，包括
一衬底；
一缓冲层，该缓冲层沉积在衬底，它可以有效地 阻止衬底中的位错可能延伸到外延层中来； 一绝缘层，该绝缘层沉积在缓冲层上；
一量子点注入层，该量子点注入层沉积在绝缘层 3 0上，它具有良好的发光性质；
一表面盖层，该表面盖层沉积在量子点注入层上。
其中所述的衬底的材料为GaAs。
其中所述的缓冲层的材料为n + -GaAs，该缓冲层的厚度为5 0 0纳米。
其中所述的绝缘层的材料为GaAs ，该绝缘层的厚 度为5 0纳米。
其中所述的量子点注入层是为3个周期的量子点 注入层，每一周期包括2个分子单层含锰的InAs量子点层和2 0纳米厚的含锰的GaAs材料。
其中所述的表面盖层的材料为GaAs，厚度为4 5 纳米。
本发明一种具光磁性质含MnlnAs/G aAs结构的制备方法，其特征在于，包括如
步骤1:在衬底上沉积缓冲层
步骤2:在缓冲层上沉积绝缘层；
步骤3:在绝缘层上沉积 子点注入层
步骤4:在子点、注入层上沉积表面生 皿
步骤5:采用离子注入的方法，在量子点注入层 20 中注入Mn离子；
步骤6 :将注入后的样品快速退火，完成样品结 构的制作。
其中所述的衬底的材料为GaAs。
其中所述的缓冲层的材料为n + -GaAs，该缓冲层的
厚度为5 0 0纳米。
其中所述的绝缘层的材料为GaAs ，该绝缘层的厚 度为5 0纳米。
其中所述的量子点注入层是为3个周期的量子点注入层，每一周期包括2个分子单层含锰的InAs量子 点层和2 0纳米厚的含锰的GaAs材料。
其中所述的表面盖层的材料为GaAs，厚度为4 5 纳米。
其中在衬底沉积缓冲层和绝缘层时的温度为5 8 15 0 °C 。
其中在绝缘层上沉积量子点注入层时的温度降低 至5 0 0 。C 。
其中 Mn离子注入时的能量为1 6 0 keV，注入剂 量为2 X 1 0 '5cm — 2至U 2 X 1 0 lficnT2之间。
其中所述的快速退火，其退火温度为7 5 0 °C - 8
5 0 °C之间，时间为5 - 3 0秒，退火的保护气氛为N2 。 与背景技术相比较所具有的意义
本发明具有以下意义
本发明首次制备了既具有磁学性能又具有发光性
5能的量子点材料。而生长方法与国际巨.、/ 刖低温生长的
GaMnA s等材料相比，具有工艺简单特点，并且可以在
一定范围内调节量子点样品的发光波长更加灵活，
适应不同用途的需要。
附图说 为明 进步说明本发明的具体技术内容，以下
实施例及附图详细说明如后，其中
图1是本发明量子点的材料的结构示意图2是Mn离子注入后样品的示意图。
子的量子点样品8 5 0 °C快速退 的光荧光谱图。
子的量子点样品在8 5 0 °C快速 退火后5K温度下在量子超导干涉仪上测得的磁滞回 线图。
具体实施例方式
离
M
入
图
测
温
7
7
火
离
M
图
请参阅图1所示，本发明 一 种具光磁性质含MnlnAs/GaAs量子点样品的结构，包括
一衬底1 0 ，该衬底10的材料为GaAs;
—缓冲层2 0 ，该缓冲层2 0沉积在衬底1 0 ，
它可以有效地阻止衬底中的位错可能延伸到外延层中 来，该缓冲层2 0的材料为n + -GaAS，该缓冲层的厚度 为5 0 0纳米；
一绝缘层3 0 ，该绝缘层3 0沉积在缓冲层2 0 上，该绝缘层3 0的材料为GaAs ，该绝缘层3 0的厚 度为5 0纳米；
一量子点注入层40 ，该量子点注入层4 Q沉积 在绝缘层3 0上，它具有良好的发光性质，该量子点 注入层4 0是为3个周期的量子点注入层，每 一 周期包括2个分子单层含锰的InAs量子点层和2 0纳米厚 的含锰的GaAs材料；
一表面盖层5 0 ，该表面盖层5 0沉积在量子点 注入层4 0上，该表面盖层5 Q的材料为GaAs，厚度 为4 5纟内米。
请再参阅图1并结合参阅图2所示，本发明 一 种具光磁性质含MnlnAs/GaAs量子点样品的结构的制备 方法，包括如下步骤
步骤1 :在衬底1Q上沉积缓冲层2Q ，该衬底
1 0的材料为GaAs，该缓冲层2 0的材料为n + -GaAs， 该缓冲层的厚度为5 0 Q纳米；
5
步骤2 :在缓冲层2 0上沉积绝缘层3 Q ，该绝
缘层3 0的材料为GaAs，该绝缘层3 0的厚度为5 0 纳米；
其中在该衬底1 0沉积缓冲层2 0和绝缘层3 0 时的温度为5 8 0 °C ;
io
步骤3 :在绝缘层3 0上沉积量子点注入层4 0 ，
该量子点注入层4 Q是为3个周期的量子点注入层， 每一周期包括2个分子单层含锰的InAs量子点层和2 0纳米厚的含锰的GaAs材料；
其中在绝缘层3 0上沉积量子点注入层4 0时的 15温度降低至5 0 0 °C ;
步骤4 :在量子点注入层4 0上沉积表面盖层5 0，该表面盖层5 0的材料为GaAs，厚度为4 5纳米；
步骤5:采用离子注入的方法，在量子点注入层 4 O中注入Mn离子；其中Mn离子注入时的能量为l 20 6 0 keV， 注入剂量为2 XI 0 "cnT2至U 2 XI 0 'BcrrT:
之间；
步骤6 :将注入后的样品快速退火，其退火温度
为7 5 0 °C - 8 5 0 °C之间，时间为5 - 3 0秒，退火 的保护气氛为N2 ，完成样品结构的制作(参阅图2 )。
5
以下结合附图对本发明再作进一步详细描述。
图1为本发明用的原生量子点样品结构示意图， 即自组织生长的三个周期InAs量子点。
所用自组织生长的InAs量子点样品是用分子束外 延设备(MBE)沉积在GaAs衬底1 0上制成的。具体
io方法是，在5 8 0 °C温度下首先在衬底1 0上沉积5 0 0纳米的n + -GaAs缓冲层2 0 ，由于分子束外延设 备的精密特性，缓冲层2 Q具有高度的晶格完整性， 位错极低，它可以有效的阻止衬底1 Q中的位错可能 延伸到外延层中来，尤其是延伸到量子点注入层中来，
15影响含Mn量子点的发光性质，因而其生长温度较高， 选定为5 8 0 °C 。在缓冲层2 0上再沉积5 0 纳米 GaAs绝缘层3 0 ，绝缘层3 0可以有效的阻止样品注 入Mn后缓冲层2 0中的电子扩散到量子点注入层4 0 去。绝缘层3 0沉积结束后，将温度降低到5 0 Q °C ，
20 沉积3个周期的I n A s量子点注入层4 Q 。每层量子点 注入层4 Q的结构包括2个分子单层的InAs量子点层 禾口 2 0纳米厚的GaAs盖层(未图示)，由于InAs禾口 GaAs
具有较大的晶格失配，进行沉积时如果I nAs厚度较厚， 可以通过岛状结构来降低能量，从而形成InAs量子点。
其中InAs量子点层是先沉积2个InAs单层后，停顿
二十秒后再生长20 nm的GaAs盖层。为了获得更强的
5发光强度，共沉积了三个周期的量子点、层形成量子点、
注入层4 0 。量子点注入层4 0沉积完成后，将温度
升咼至廿5 8 0 °C，在3个周期的量子点、层上沉积45
纳米厚的 GaAs生 皿层50 ， GaAs 盖层50的厚度是幺士
合注入能量计算得到的。Mn离子以160ke的能量
10 垂直注入到样品中时，用计算机模拟软件计算得到
Mn离子将分布在表面8 0纳米附近，纵向分布宽度为
80纳米，因而Mn离子基本分布在三层量子点附近，
即子点注入层4 0附近。
图2是本发明掺杂量子点时，高能Mn离子注入的
样口 口卩退火后Mn +离子分布示意图，其中点的大小不代表
任何思义，只标示Mn离子分布的区域位置。
Mn离子注入能量选用1 6 0 keV，在室温条件下垂
直注入到量子点样品中，忽略注入过程中的沟道效应，
用计算机模拟软件估算出1 6 0 keV注入能量下离子 20注入的深度为8 O纳米，分布宽度为4 O纳米，因而 可以看到注入的Mn离子基本上分布在3个周期的量子 点层附近，即量子点注入层4 0附近。注入剂量可在
2X10 "cm —2至IJ 2 X 1 0 "cm —2之间，样品快速退火后
将同时具有低温铁磁性和光学性质，发光和磁学性能 来源于量子点注入层4 0 。
图3是本发明制备的 一 个样品E样品(样品Mn注 5入剂量为1 X 1 0 lsCm—2)经过8 5 0 °C温度快速退火 5秒后，在7 7 K温度下测得的PL谱(含注入Mn离子 以前样品的PL谱)。
由于注入带来大量的非复合中心，要获得注入后 样品的发光，对注入Mn离子的样品进行退火处理是必
io要的。为了避免退火时间长引起MnAs团簇的形成，选 用高温快速退火是必要的。退火温度可选7 5 0 °C到 8 5 0 °C ，退火时间为5 - 3 0秒。退火时用N2作保护 气氛，并可以在样品上盖上干净的GaAs片子，以减少 As的挥发破坏样品的性能。光荧光测试实验(PL )设
15 备为付立叶变换红外光谱仪(FT I R )，探测器为I riGaA s 光二极管，激发光源为氩离子激光，波长为5 1 4nm， 激发能量为 10 二l 0 0 mW，光斑直径尺寸在l Q Q um 范围内。图3给出注入Mn离子剂量为1 X 1 0 'HcnT2 的E样品退火后的PL谱，从图可以看到退火后的E样
20品的PL发光性能较好，峰位较原生样品蓝移。
图4是注入Mn离子(剂量为1 E 1 6 cm —2)的量子 点样品7 5 0 °C 、 8 5 0 °C快速退火后5 K温度下在量
子超导干涉仪上测得的磁滞回线。
磁学性能是在量子超导千涉仪(SQU I D )上测量的，
样品保持清洁，大小为5 X 5 mm2 ，测量是非接触式的， 外加磁场方向平行于膜表面，样品测得的低温磁滞回 5线都扣除了衬底的抗磁性信号。
权利要求
1.一种具光磁性质含MnInAs/GaAs量子点样品的结构，其特征在于，包括一衬底；一缓冲层，该缓冲层沉积在衬底，它可以有效地阻止衬底中的位错可能延伸到外延层中来；一绝缘层，该绝缘层沉积在缓冲层上；一量子点注入层，该量子点注入层沉积在绝缘层30上，它具有良好的发光性质；一表面盖层，该表面盖层沉积在量子点注入层上。
2 .按权利要求1所述的具光磁性质含 MnlnAs/GaAs量子点样品的结构，其特征在于，其中所述的衬底的材料为GaAs 。
3 .按权利要求1所述的具光磁性质含 MnlnAs/GaAs量子点样品的结构，其特征在于，其中所 述的缓冲层的材料为n + -GaAs，该缓冲层的厚度为5 0 0纳米。
4 .按权利要求1所述的具光磁性质含MnlnAs/GaAs量子点样品的结构，其特征在于，其中所述的绝缘层的材料为GaAs，该绝缘层的厚度为5 0纳 米。
5 .按权利要求1所述的具光磁性质含 MnlnAs/GaAs量子点样品的结构，其特征在于，其中所5述的量子点注入层是为3个周期的量子点注入层，每 一周期包括2个分子单层含锰的InAs量子点层和2 0 纳米厚的含锰的GaAs材料。
6 .按权利要求1所述的具光磁性质含 MnlnAs/GaAs量子点样品的结构，其特征在于，其中所 述的表面盖层的材料为GaAs，厚度为4 5纳米。
7 .—种具光磁性质含MnlnAs/GaAs量子点样品的 结构的制备方法，其特征在于，包括如下步骤步骤1 :在衬底上沉积缓冲层；步骤2 :在缓冲层上沉积绝缘层；15 步骤3 :在绝缘层上沉积量子点注入层；步骤4 :在量子点注入层上沉积表面盖层；步骤5:釆用离子注入的方法，在量子点注入层 中注入Mn离子；步骤6 :将注入后的样品快速退火，完成样品结 20构的制作。
8 .按权利要求7所述的具光磁性质含MnlnAs/GaAs量子点样品的结构的制备方法，其特征在 于，其中所述的衬底的材料为GaAs。
9 .按权利要求7所述的具光磁性质含 MnlnAs/GaAs量子点样品的结构的制备方法，其特征在 5于，其中所述的缓冲层的材料为n + -GaAs，该缓冲层的 厚度为5 0 0纳米。
10 .按权利要求7所述的具光磁性质含 MnlnAs/GaAs量子点样品的结构的制备方法，其特征在 于，其中所述的绝缘层的材料为GaA s ，该绝缘层的厚 io度为5 0纳米。
11 .按权利要求7所述的具光磁性质含 MnlnAs/GaAs量子点样品的结构的制备方法，其特征在 于，其中所述的量子点注入层是为3个周期的量子点 注入层，每一周期包括2个分子单层含锰的InAs量子 15点层和2 0纳米厚的含锰的GaAs材料。
12 .按权利要求1所述的具光磁性质含 MnlnAs/GaAs量子点样品的结构的制备方法，其特征在 于，其中所述的表面盖层的材料为GaAs，厚度为4 5 纳米。20
13 .按权利要求7所述的具光磁性质含MnlnAs/GaAs量子点样品的结构的制备方法，其特征在 于，其中在衬底沉积缓冲层和绝缘层时的温度为5 8 0 °c 。
14 .按权利要求7所述的具光磁性质含 MnlnAs/GaAs量子点样品的结构的制备方法，其特征在 于，其中在绝缘层上沉积量子点注入层时的温度降低 至5 0 0 °C 。
15 .按权利要求7所述的具光磁性质含 MnlnAs/GaAs量子点样品的结构的制备方法，其特征在 于，其中Mn离子注入时的能量为1 6 0 keV ，注入剂 量为2 X 1 0 15cnT2至U 2 X 1 0 16cnT2之间。
16 .按权利要求7所述的具光磁性质含 MnlnAs/GaAs量子点样品的结构的制备方法，其特征在 于，其中所述的快速退火，其退火温度为7 5 0"C-8 5 0 °C之间，时间为5 - 3 0秒，退火的保护气氛为N2 。
全文摘要
本发明一种具光磁性质含MnInAs/GaAs量子点样品的结构，包括一衬底；一缓冲层，该缓冲层沉积在衬底，它可以有效地阻止衬底中的位错可能延伸到外延层中来；一绝缘层，该绝缘层沉积在缓冲层上；一量子点注入层，该量子点注入层沉积在绝缘层30上，它具有良好的发光性质；一表面盖层，该表面盖层沉积在量子点注入层上。
文档编号C09K11/74GK101195743SQ200610164880
公开日2008年6月11日 申请日期2006年12月7日 优先权日2006年12月7日
发明者叶小玲, 王占国, 胡良均, 陈涌海 申请人:中国科学院半导体研究所