高密度InAs/GaAs量子点的生长方法及其产品和应用与流程

高密度inas/gaas量子点的生长方法及其产品和应用
技术领域
1.本发明属于半导体光电子材料和器件技术领域，具体涉及高密度inas/gaas量子点的生长方法及其产品和应用。


背景技术：

2.研究者们在理论上已经证明量子点激光器与量子阱、量子线等激光器相比，拥有更好的激射特性，会达到更低的阈值电流、更高的发光效率等特性。半导体量子点的最低的两个分立能级的能量差如果大于几倍的kt，增益函数会出现热依赖性，就会得到极好的温度稳定性，这样可得到更优良的性能、极低的阈值电流密度、超高微分增益和极高的调制带等。量子点激光器具有高速光源、大功率激光及红外探测器等方面的应用前景。对于不同的应用领域，需要不同波长的量子点器件，例如980nm量子点激光器的阈值电流密度低、输出功率大、工作寿命长，可应用于光纤放大器泵浦源、激光切割机、激光手术刀、材料加工等领域；1310nm量子点激光器有着独特的高特征温度特性，可以用作光纤通讯的高质量光源；大功率1270nm量子点激光器可以用于医疗美容等。半导体量子点的尺寸直接决定着其发光波长，因此，有效控制量子点的尺寸大小可以实现控制量子点激光器的发光波长。但是，如何制备得到波长为1100-1300nm的半导体量子点激光器仍然是目前的一大技术难题。


技术实现要素：

3.为解决现有技术中存在的技术问题，本发明的目的在于提供高密度inas/gaas量子点的生长方法及其产品和应用。
4.为实现上述目的，达到上述技术效果，本发明采用的技术方案为：
5.高密度inas/gaas量子点的生长方法，包括以下步骤：
6.1)提供一衬底，对衬底进行除气和脱氧处理；
7.2)在步骤1)所得衬底上生长gaas缓冲层；
8.3)生长inas/gaas量子点，控制inas的淀积速率；
9.4)生长gaas薄膜盖层；
10.5)as保护环境中升高衬底温度进行inas/gaas量子点消峰；
11.6)生长in
x
ga
1-x
as/gaas盖层，其中，x表示ingaas材料中in组份。
12.在本发明提供的高密度inas/gaas量子点的生长方法中，步骤1)中，对衬底进行两次除气处理，第一次除气温度为150℃-200℃，第一次除气时间为2-4h，第二次除气温度为380℃-420℃，第二次除气时间为1.5-3h。
13.在本发明提供的高密度inas/gaas量子点的生长方法中，步骤1)中，对衬底进行脱氧处理时的脱氧温度为590℃-680℃，脱氧时间为10-20min。
14.在本发明提供的高密度inas/gaas量子点的生长方法中，步骤3)中，生长inas/gaas量子点，控制inas的淀积速率的步骤包括：
15.将完成gaas缓冲层生长的衬底降温至490℃，降温速率为30℃/min，降温时间为
5min；随后，在gaas缓冲层上生长淀积量2.3ml-2.7ml的inas/gaas量子点，精确控制inas淀积速率为0.1ml/s、gaas淀积速率为0.6ml/s，as压均为2e-6torr。
16.在本发明提供的高密度inas/gaas量子点的生长方法中，步骤5)中，as保护环境中升高衬底温度进行inas/gaas量子点消峰的步骤包括：
17.升高温度至inas解吸附温度，在as保护下原位消峰一段时间，得到与gaas盖层厚度相同的inas/gaas量子点结构。
18.本发明还提供了高密度inas/gaas量子点，采用如上所述的高密度inas/gaas量子点的生长方法制备得到，所述高密度inas/gaas量子点包括由下至上依次设置的衬底、gaas缓冲层和in
x
ga
1-x
as/gaas盖层，所述gaas缓冲层上依次生长inas/gaas量子点和gaas盖层，所述inas/gaas量子点经消峰后与gaas盖层厚度相同。
19.所述gaas盖层的厚度为2nm-10nm。
20.所述in
x
ga
1-x
as/gaas盖层的厚度为40nm-50nm。
21.所述衬底为gaas(001)。
22.本发明还提供了高密度inas/gaas量子点在量子点激光器中的应用，所述量子点激光器的发光波长为1100nm-1310nm。
23.与现有技术相比，本发明的有益效果为：
24.本发明公开了高密度inas/gaas量子点的生长方法及其产品和应用，该方法利用分子束外延(mbe)技术生长出高密度inas/gaas量子点，能够有效的对inas/gaas量子点进行原位削峰，实现量子点尺寸的调控，从而改变inas/gaas量子点激光器的发光波长，使得响应波长蓝移，可以很好的应用于1100nm-1310nm波段的器件调控。
附图说明
25.图1为本发明的高密度inas/gaas量子点的生长方法的流程图；
26.图2为本发明实施例1进行inas/gaas量子点消峰后的tem图；其中，图2a为图2b的局部放大图；
27.图3为对比例1的inas/gaas量子点的afm图；
28.图4为本发明的实施例1与对比例1的光致发光图谱。
具体实施方式
29.下面对本发明进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
30.以下给出一个或多个方面的简要概述以提供对这些方面的基本理解。此概述不是所有构想到的方面的详尽综览，并且既非旨在指认出所有方面的关键性或决定性要素亦非试图界定任何或所有方面的范围。其唯一的目的是要以简化形式给出一个或多个方面的一些概念以为稍后给出的更加详细的描述之序。
31.如图1、图2和图4所示，高密度inas/gaas量子点的生长方法，采用分子束外延(mbe)技术进行生长所需高密度inas/gaas量子点，该方法主要包括以下步骤：
32.1)提供一合适的衬底，对衬底进行除气处理和脱氧处理；其中，除气处理分两次进行，第一次除气温度为150℃-200℃，第一次除气时间为2-4h，第二次除气温度为380℃-420
℃，第二次除气时间为1.5-3h；对衬底进行脱氧处理时的脱氧温度为590℃-680℃，脱氧时间为10-20min；
33.2)在步骤1)所得衬底上生长合适厚度的gaas缓冲层；
34.3)在gaas缓冲层上生长inas/gaas量子点
35.将完成gaas缓冲层生长的衬底降温至490℃，降温速率为30℃/min，降温时间为5min；随后，在gaas缓冲层上生长淀积量2.3ml-2.7ml的inas/gaas量子点，精确控制inas淀积速率为0.1ml/s、gaas淀积速率为0.6ml/s，as压均为2e-6torr，得到如图1a所示的结构；
36.4)生长gaas盖层，gaas盖层的厚度控制在2nm-10nm，得到如图1b所示的结构；
37.5)as保护环境中升高衬底温度进行inas/gaas量子点消峰
38.升高温度至inas解吸附温度，在as保护下原位消峰一段时间，调控量子点尺寸，由于gaas的解吸附温度远高于inas，因此能得到与gaas盖层厚度相同的inas/gaas量子点结构，如图1c所示；
39.6)生长in
x
ga
1-x
as/gaas盖层
40.保持温度不变，在步骤5)所得产品上生长in
x
ga
1-x
as/gaas盖层，其中，x表示ingaas材料中in组份，in
x
ga
1-x
as/gaas盖层的厚度控制在40nm-50nm，得到如图1d所示的结构。
41.本发明公开的高密度inas/gaas量子点，包括由下至上依次设置的衬底、gaas缓冲层和in
x
ga
1-x
as/gaas盖层，gaas缓冲层上依次生长inas/gaas量子点和gaas盖层，inas/gaas量子点经消峰后与gaas盖层厚度相同，gaas盖层的厚度为2nm-10nm，in
x
ga
1-x
as/gaas盖层的厚度为40nm-50nm。
42.实施例1
43.如图1、图2和图4所示，高密度inas/gaas量子点的生长方法，包括以下步骤：
44.1)将2英寸gaas衬底由进样室进入mbe系统的intro腔室进行第一次除气，温度控制在200℃，除气时间控制在4h左右；
45.将完成第一次除气的2英寸gaas衬底放入buffer腔中进行第二次除气，除气温度控制在420℃，除气时间控制在2h左右；
46.将完成两次除气的gaas衬底从buffer腔转到生长室，以650℃温度进行脱氧10min。
47.2)在完成脱氧的gaas衬底上采用常规生长方法生长厚度为500nm的gaas缓冲层，其中gaas的生长速率为500nm/h，as压为3.2e-6torr。
48.3)将完成gaas缓冲层生长的gaas衬底降温至490℃，降温速率为30℃/min，降温时间为5min；
49.在完成降温的gaas衬底上生长inas/gaas量子点，精确控制inas淀积速率为0.1ml/s、gaas淀积速率为0.6ml/s，as压均为2e-6torr，淀积量为2.5ml。
50.4)将完成inas/gaas量子点生长的gaas衬底保持原温度，生长与所需量子点尺寸相同厚度的gaas盖层，厚度为3nm，其中gaas的生长速率为500nm/h，as压为3.2e-6torr,生长温度为490℃。
51.5)继续将gaas衬底的温度升至550℃，进行inas/gaas量子点原位削峰，此过程控制在170s，全程开启as保护。
52.6)将完成量子点原位削峰的gaas衬底的温度保持在550℃，生长in
0.15
ga
0.85
as/gaas盖层，其中in
0.15
ga
0.85
as的生长速率为0.7ml/s，厚度为45nm，as压为4.2e-6torr，gaas生长速率为0.6ml/s，as压为3.2e-6torr。
53.对比例1
54.本对比例为常规inas/gaas量子点的生长方法，为本领域技术人员公知的生长方法，本对比例与实施例1的区别在于，本对比例未进行inas/gaas量子点消峰处理。
55.本对比例的生长方法主要包括以下步骤：
56.1)将2英寸gaas(001)衬底由进样室进入mbe系统的intro腔室进行第一次除气，温度控制在200℃，除气时间控制在4h左右；
57.将完成第一次除气的2英寸gaas衬底放入buffer腔中进行第二次除气，除气温度控制在420℃，除气时间控制在2h左右；
58.将完成两次除气的gaas衬底从buffer腔转到生长室，以650℃温度进行脱氧10min。
59.2)在完成脱氧的gaas衬底上采用常规生长方法生长厚度为500nm的gaas缓冲层，其中gaas的生长速率为500nm/h，as压为3.2e-6torr。
60.3)将完成gaas缓冲层生长的gaas衬底降温至490℃，降温速率为30℃/min，降温时间为5min；
61.在完成降温的gaas衬底上生长inas/gaas量子点，inas淀积速率为0.1mololayer(ml)/s，gaas淀积速率为0.6ml/s，as压为2e-6torr，淀积量为2.5ml。
62.4)将完成inas/gaas量子点生长的gaas衬底保持原温度，生长in
0.15
gaas/gaas盖层，其中，in
0.15
ga
0.85
as的生长速率为0.7ml/s，as压为4.2e-6torr，gaas生长速率为0.6ml/s，生长厚度为45nm，as压为3.2e-6torr。
63.余同实施例1。
64.对实施例1与对比例1所得结构进行电镜分析和光致发光测试，结果见图2-4。其中，图2为实施例1进行inas/gaas量子点消峰后的tem图，量子点尺寸可达到2nm-8nm，图3为对比例1生长得到的inas/gaas量子点的afm图，inas/gaas量子点尺寸为6nm-10nm，实施例1与对比例1的光致发光图谱如图4所示。
65.由图2-4可知，本发明利用inas与gaas两种材料的解吸附温度差，通过对inas/gaas量子点进行原位削峰，有效控制inas/gaas量子点的尺寸，得到了与gaas盖层厚度相同的inas/gaas量子点结构，实现了inas/gaas量子点激光器波长的调控，波长由1295nm调控为1187nm，波长蓝移，可以很好的应用于1100nm-1310nm波段的器件。
66.本发明未具体描述的部分采用现有生长方法，只需根据实际需求进行灵活调整，在此不做赘述。
67.以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。