阅读说明：本技术 InAs/InSb复合型量子点及其生长方法 (InAs/InSb composite quantum dot and growth method thereof ) 是由 袁野 牛智川 苏向斌 杨成奥 张宇 于 2019-11-08 设计创作，主要内容包括：一种InAs/InSb复合型量子点及其生长方法,该生长方法包括对衬底进行脱氧处理,得到第一衬底；在第一衬底上生长缓冲层；在缓冲层上生长InAs/InSb复合型量子点层；在InAs/InSb复合型量子点层上生长盖层,即完成所述InAs/InSb复合型量子点的生长。本发明采用新型的外延方式生长InAs/InSb复合型量子点,有效规避了InAsSb量子点外延时带来的表面活性剂效应,获得了良好的量子点形貌,同时也实现了量子点的能级改善,便于实现获得发光质量良好的长波长量子点。(An InAs/InSb composite quantum dot and a growing method thereof are disclosed, the growing method comprises the steps of carrying out deoxidation treatment on a substrate to obtain a first substrate; growing a buffer layer on a first substrate; growing an InAs/InSb composite quantum dot layer on the buffer layer; and growing a cover layer on the InAs/InSb composite quantum dot layer to finish the growth of the InAs/InSb composite quantum dot. The InAs/InSb composite quantum dot is grown in a novel epitaxial mode, the surfactant effect caused by external time delay of the InAsSb quantum dot is effectively avoided, the good quantum dot appearance is obtained, the energy level improvement of the quantum dot is realized, and the long-wavelength quantum dot with good light-emitting quality is conveniently obtained.)

InAs/InSb复合型量子点及其生长方法

技术领域

本发明涉及涉及半导体技术领域，具体涉及一种InAs/InSb复合型量子点及其生长方法。

背景技术

随着光纤通讯和高速信息化的发展，半导体激光器作为光纤通信的光源，对其性能的要求越来越高。基于GaAs衬底材料外延的InAs量子点激光器由于三维量子限制效应，展现出了低阈值电流密度、高微分增益、高温度稳定性、高调制速度以及低的频率啁啾效应等优势，成为了光通讯传输光源的优秀选择。然而由于能带结构的限制，InAs量子点激光器的室温发光波长极限大约在1310nm附近，难以到达目前最佳的光纤传输低损耗窗口1550nm。因此，让量子点激光器的发光波长进一步红移成为了量子点研究的重要方向。

实现量子点发光波长红移的一种新型方式就是采用InAsSb量子点来取代InAs量子点，利用InAsSb更窄的带隙结构(0.106eV)来实现波长的红移，然而由于InAsSb相对于GaAs衬底更大的晶格失配度，当其作为量子点材料时，往往在淀积量较低时，量子点就达到了饱和，这一点也就限制了InAsSb作为量子点材料的发光波长，而且Sb的表面活性剂效应也会使量子点形貌恶化，形成量子短线削弱量子点的三维量子限制效应从而使得量子点的光学效应下降。因此，如何缓和释放InAsSb带来的大晶格失配和如何规避Sb元素带来的表面活性剂效应成为了InAsSb量子点研究的重要问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的之一在于提出一种InAs/InSb复合型量子点及其生长方法，以期至少部分地解决上述技术问题中的至少之一。

为了实现上述目的，作为本发明的一个方面，提供了一种InAs/InSb复合型量子点的生长方法，包括：

对衬底进行脱氧处理，得到第一衬底；

在第一衬底上生长缓冲层；

在缓冲层上生长InAs/InSb复合型量子点层；

在InAs/InSb复合型量子点层上生长盖层，即完成所述InAs/InSb复合型量子点的生长。

作为本发明的又一个方面，还提供了一种InAs/InSb复合型量子点，采用如上所述的生长方法获得。

基于上述技术方案可知，本发明的InAs/InSb复合型量子点及其生长方法相对于现有技术至少具有以下优势之一：

(1)本发明采用新型的外延方式生长InAs/InSb复合型量子点，有效规避了InAsSb量子点外延时带来的表面活性剂效应，获得了良好的量子点形貌，同时也实现了量子点的能级改善，便于实现获得发光质量良好的长波长量子点；

(2)本发明中，先外延生长2ML(ML指单原子层)的InAs量子点，再在已经成岛的InAs量子点上外延InAs/InSb复合型量子点，这一条思路解决了InAsSb量子点由于应力大而容易过早饱和的问题，实现了大淀积量的量子点外延，为波长进一步红移奠定了基础；

(3)本发明中选取的量子点生长温度515-525℃以及2ML InAs的淀积量以及盖层的GaAs低高温混合生长都是实验优化的结果，按照实验优化的生长参数进一步调节InAs/InSb复合型量子点中的InAs层厚度，InSb层厚度，生长周期数可以进一步改善该复合型量子点的发光波长以及发光效率。

附图说明

图1是本发明实施例中InAs/InSb复合型量子点的结构示意图；

图2是本发明实施例中InAs/InSb复合型量子点全结构示意图；

图3是本发明实施例中InAs/InSb复合型量子点的典型单点的AFM侧视图；

图4是本发明实施例中InAs/InSb复合型量子点全结构的PL光谱(77K)与2ML InAs量子点的PL光谱对比图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

本发明公开了一种InAs/InSb复合型量子点的生长方法，包括：

对衬底进行脱氧处理，得到第一衬底；

在第一衬底上生长缓冲层；

在缓冲层上生长InAs/InSb复合型量子点层；

在InAs/InSb复合型量子点层上生长盖层，即完成所述InAs/InSb复合型量子点的生长。

其中，所述InAs/InSb复合型量子点层的生长方法包括：在缓冲层上生长预淀积层，再在预淀积层上生长InAs/InSb复合型量子点，即得到所述InAs/InSb复合型量子点层。

其中，对所述衬底进行脱氧处理步骤中同时改变衬底温度观察衬底表面再构图样变化，记录表面再构由‘乘2’转变为‘乘4’的转变温度Tc；

所述InAs/InSb复合型量子点的生长温度低于转变温度Tc 10至20℃。

其中，所述InAs/InSb复合型量子点的结构为周期性的InAs/InSb层；

其中，所述InSb/InAs层中InSb层的生长时间为0.5至4.5秒；

其中，所述InSb/InAs层中InAs层的生长时间为0.5至4.5秒；

其中，所述预淀积层采用的材料包括2ML InAs。

其中，对所述衬底进行脱氧处理前先进行除气清洁处理。

其中，所述除气清洁处理步骤具体包括：将衬底在180至200℃的真空环境下除气清洁4小时以上，然后继续在真空环境中进行400至420℃预清洁处理1小时以上。

其中，所述脱氧处理步骤中脱氧温度至少高于衬底的脱氧点温度40℃；

其中，所述脱氧处理步骤在As环境下进行。

其中，所述衬底为N型GaAs(001)衬底；

其中，所述缓冲层采用的材料包括GaAs；

其中，所述缓冲层的厚度为200至300纳米；

其中，所述缓冲层的生长温度为610至630℃；

其中，所述盖层采用的材料包括GaAs。

其中，所述盖层包括第一GaAs盖层和第二GaAs盖层；

其中，所述第一GaAs盖层的生长温度为515至525℃；

其中，所述第一GaAs盖层的厚度为20至25纳米；

其中，所述第二GaAs盖层的生长温度为620至640℃；

其中，所述第二GaAs盖层的厚度为20至25纳米。

本发明还公开了一种InAs/InSb复合型量子点，采用如上所述生长方法获得。

在一个示例性实施例中，本发明的利用数字合金的生长方式外延生长InAs/InSb复合型量子点的生长方法，包括如下步骤：

A.准备GaAs衬底，进行除气清洁处理；

B.对衬底进行脱氧处理并改变衬底温度观察表面再构图样变化，记录表面再构由‘乘2’转变为‘乘4’的温度Tc；

C.生长缓冲层；

D.生长InAs/InSb的复合型量子点层；

E.生长GaAs盖层。

其中，该衬底类型为N型GaAs(001)衬底。

其中，缓冲层材料为GaAs。

其中，该InAs/InSb的复合型量子点层的生长方法包括：在缓冲层上生长2ML(ML指单原子层)InAs预淀积层，再在InAs预淀积层上依次周期生长InSb/InAs，最后生长40-50nm的GaAs盖层。

其中，40-50nm厚的GaAs盖层包括20-25nm厚的低温(515-525℃)生长的第一GaAs盖层和20-25nm厚的高温(620-640℃)生长的第二GaAs盖层，第一GaAs盖层层起到保护量子点的作用，避免低温生长量子点后升温导致In的脱附，同时也起到了抑制量子点与盖层界面处产生的In与Ga互混的现象。

其中，所述的对衬底进行脱氧处理并改变衬底温度观察表面再构图样变化，记录表面再构由‘乘2’转变为‘乘4’的温度Tc，衬底的脱氧点温度在610-630℃，然后升温至650-670℃对衬底进行脱氧除气，5分钟后，温度降至610-630℃，生长5分钟GaAs缓冲层，然后温度降低至500℃通过反射式高能电子衍射仪(RHEED)观察表面再构图样从‘乘2’到‘乘4’的变化，并记录再构转变温度Tc。

其中，在InAs预淀积层上依次周期生长InSb/InAs；InSb层、InAs层的生长时间分别为4s和1s。

以下通过具体实施例结合附图对本发明的技术方案做进一步阐述说明。需要注意的是，下述的具体实施例仅是作为举例说明，本发明的保护范围并不限于此。

本实施例的利用数字合金的生长方式外延生长InAs/InSb复合型量子点的生长方式，包括：

A.准备GaAs衬底，进行除气清洁处理；

B.对衬底进行脱氧处理并观察表面再构；

C.生长缓冲层；

D.生长InAs/InSb的复合型量子点；

E.生长GaAs盖层。

其中，步骤A中的衬底类型为N型GaAs(001)衬底。

其中，步骤A中的衬底在190℃的真空环境(低于10^-8Torr)下除气清洁4小时以上，然后继续在真空环境中进行420℃预清洁处理1小时以上。

其中，步骤B中的脱氧温度为脱氧点温度以上40℃，脱氧处理在As环境下进行。

其中，上述的As压为3E-6Torr，脱氧温度在660℃保持5分钟。5分钟后，温度降至620℃，生长5分钟GaAs层，然后温度降低至500℃观察表面再构图样变化，记录表面再构由‘乘2’转变为‘乘4’的温度Tc。

其中，步骤C中的GaAs缓冲层外延厚度为200nm，生长温度为620℃，采用V/III(即V族元素与III族元素的束流比)比为20倍。

其中，InAs/InSb的复合型量子点结构如图1所示，步骤D中采用的结构为2ML InAs预淀积层，再在InAs预淀积层上依次周期生长InSb/InAs，最后生长40nm的GaAs盖层。

其中，上述的2ML InAs预淀积层的生长温度为520℃，InAs的生长速度为0.05ML/s，其成岛时间为34s，V/III比为25倍，生长时间为40s。

其中，InAs/InSb的复合型量子点层的结构包括N层的aML InSb/bML InAs(其中a，b，N理论可以为任意值)

其中，本实施例取N＝5，a＝0.2，b＝0.05。

其中，上述的InAs/InSb复合型量子点的生长温度为520℃，其中InSb层的V/III比为10倍，InAs层的V/III比为25倍。

其中，GaAs盖层厚度为40nm。

其中，上述40nmGaAs盖层采用20nm第一GaAs盖层(生长温度520℃)和20nm第二GaAs盖层(生长温度630℃)组成。

其中，本实施例生长的InAs/InSb的复合型量子点全结构，采用三层量子点结构，并在表层再次生长一层裸露的量子点用以测试量子点性能，如图2所示。

在本实施例的InAs/InSb复合型量子点的AFM图(如图3所示)与77K荧光光谱图(如图4所示)中可以看到InAs/InSb复合型量子点已经很有效的规避了Sb引进的量子短线效应，其AFM结果为大致半椭圆的结构，而且荧光光谱的波长对比常规的InAs量子点而言，其峰值波长也由1040nm附近红移至1200nm，实现了很好的波长红移效应。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。