專利名稱：寬光譜砷化銦/砷化鋁鎵量子點(diǎn)材料生長方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種寬光譜砷化銦/砷化鋁鎵量子點(diǎn)材料分子束外延生長方法，屬于半導(dǎo)體材料外延生長技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
自組織量子點(diǎn)在光電子器件，如激光器、探測器、光存儲(chǔ)等方面顯示出誘人的應(yīng)用前景。利用自組織量子點(diǎn)尺寸分布的非均勻性，可以制作具有非相干、寬光譜特性的光電子器件，如超輻射發(fā)光管。量子點(diǎn)材料的發(fā)光波長與量子點(diǎn)大小、量子點(diǎn)組分以及包圍量子點(diǎn)的勢壘組分緊密相關(guān)?？梢酝ㄟ^優(yōu)化生長參數(shù)增加量子點(diǎn)的尺寸非均勻性，達(dá)到展寬量子點(diǎn)發(fā)光光譜的目的。通常，在砷化鎵上生長砷化銦量子點(diǎn)多采用砷化鎵緩沖層。生長中，砷化銦在砷化鎵緩沖層上有較大的擴(kuò)散長度。大擴(kuò)散長度使得量子點(diǎn)趨于均勻，不利于量子點(diǎn)發(fā)光光譜的展寬。目前，在砷化鎵緩沖層上生長的砷化銦量子點(diǎn)發(fā)光光譜的最大寬度為110納米左右。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提供一種寬光譜砷化銦/砷化鋁鎵量子點(diǎn)材料生長方法，并給出了材料外延的核心生長參數(shù)(如生長溫度、砷二聚物分壓強(qiáng)、生長速率、生長厚度等)和材料結(jié)構(gòu)，本發(fā)明能實(shí)現(xiàn)砷化銦/砷化鋁鎵量子點(diǎn)材料具有良好的發(fā)光特性和寬達(dá)120納米以上的發(fā)光光譜。本發(fā)明能應(yīng)用于超輻射發(fā)光管等需要寬光譜特性的光電子器件有源區(qū)結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和外延生長。
本發(fā)明一種寬光譜砷化銦/砷化鋁鎵量子點(diǎn)材料生長方法，所述材料生長方法是基于分子束外延設(shè)備的掩埋自組織量子點(diǎn)材料的生長方法，其特征在于，包括如下步驟(1)取一襯底；(2)在襯底上制備砷化鋁鎵緩沖層，該緩沖層是下述有源區(qū)的下勢壘層；(3)在砷化鎵緩沖層上制備有源區(qū)，該有源區(qū)是該砷化銦/砷化鋁鎵量子點(diǎn)材料的核心部分，為該材料的光譜發(fā)射區(qū)；(4)在有源區(qū)上制備低溫砷化鋁鎵蓋層，該低溫砷化鋁鎵蓋層為上述有源區(qū)的上勢壘層；(5)在低溫砷化鋁鎵蓋層上制備高溫砷化鋁鎵蓋層，該高溫砷化鋁鎵蓋層是該砷化銦/砷化鋁鎵量子點(diǎn)材料的最外一層，具有保護(hù)作用，完成材料的生長。
其中有源區(qū)包括
3-10個(gè)周期砷化銦量子點(diǎn)，該砷化銦量子點(diǎn)具有本征的尺寸非均勻性，導(dǎo)致較寬的發(fā)光光譜；2-9個(gè)周期砷化鋁鎵間隔層，每個(gè)周期砷化鋁鎵間隔層制備在其下面一周期砷化銦量子點(diǎn)上及其上面一周期砷化銦量子點(diǎn)下，砷化鎵間隔層作為勢壘層，用來分隔相鄰周期的砷化銦量子點(diǎn)，避免了多周期量子點(diǎn)形成過大的應(yīng)力積累導(dǎo)致的光學(xué)質(zhì)量下降；采用多周期量子點(diǎn)及適當(dāng)厚度的間隔層是為了增加量子點(diǎn)的體密度，從而提高材料的發(fā)光強(qiáng)度。
其中砷化鋁鎵緩沖層的制備生長參數(shù)為生長溫度為600攝氏度；砷化鋁鎵生長速率為0.6-1.0微米/小時(shí)；砷化鋁鎵中鋁的組分為0.15至0.20；砷化鋁鎵緩沖層厚度大于100納米。
其中制備砷化銦量子點(diǎn)的生長參數(shù)為生長溫度為500攝氏度；砷化銦生長速率為0.1單分子層/秒；砷化銦量子點(diǎn)沉積厚度為2.0單分子層。
其中砷化鋁鎵間隔層的生長參數(shù)為生長溫度為500攝氏度；砷化鋁鎵生長速率為0.6-1.0微米每小時(shí)；砷化鋁鎵中鋁的組分為0.15至0.20；砷化鋁鎵間隔層厚度為15納米至20納米。
其中低溫砷化鋁鎵蓋層的生長參數(shù)包括生長溫度為500攝氏度；砷化鋁鎵生長速率為0.6-1.0微米每小時(shí)；砷化鋁鎵中鋁的組分為0.15至0.20；低溫砷化鋁鎵蓋層厚度為10納米；其中高溫砷化鋁鎵蓋層的生長參數(shù)包括生長溫度為600攝氏度；砷化鋁鎵生長速率為0.6-1.0微米每小時(shí)；砷化鋁鎵中鋁的組分為0.15至0.20；高溫砷化鋁鎵蓋層厚度大于90納米；其中所選用的襯底是砷化鎵襯底。
其中采用上述方法得到的砷化銦/砷化鋁鎵量子點(diǎn)材料，其發(fā)光光譜寬度大于120納米。
其中采用上述方法得到的砷化銦/砷化鋁鎵量子點(diǎn)材料，可以應(yīng)用于超輻射發(fā)光管以及需要寬光譜特性的半導(dǎo)體光電子器件有源區(qū)結(jié)構(gòu)的制作。


為進(jìn)一步說明本發(fā)明的內(nèi)容，以下結(jié)合附圖和具體實(shí)例對其做進(jìn)一步的描述，其中圖1是砷化銦/砷化鋁鎵量子點(diǎn)材料結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是砷化銦/砷化鋁鎵量子點(diǎn)材料電致發(fā)光譜圖。
具體實(shí)施例方式
請結(jié)合參閱圖1，本發(fā)明涉及一種寬光譜砷化銦/砷化鋁鎵量子點(diǎn)材料分子束外延生長方法，具體實(shí)施如下
生長砷化鋁鎵緩沖層1，砷化鋁鎵緩沖層1生長在砷化鎵襯底6上面，該砷化鋁鎵緩沖層1是下述砷化銦量子點(diǎn)2的勢壘層，具有限制載流子的作用。生長參數(shù)為，具體包括襯底溫度為600攝氏度；砷化鋁鎵生長速率為0.6-1.0微米/小時(shí)；砷化鋁鎵中鋁的組分為0.15至0.20；砷化鋁鎵緩沖層厚度大于100納米。
采用上述參數(shù)生長的砷化鋁鎵緩沖層1具有很高的結(jié)構(gòu)和光學(xué)質(zhì)量，其表面起伏在1-2個(gè)單分子層范圍內(nèi)。
生長三至十個(gè)周期的砷化銦量子點(diǎn)2，最下面一層砷化銦量子點(diǎn)2生長在砷化鋁鎵緩沖層1上面，生長參數(shù)為，具體包括襯底溫度為500攝氏度；砷化銦生長速率為0.1單分子層/秒；砷化銦量子點(diǎn)沉積厚度為2.0單分子層。
采用上述的優(yōu)化生長參數(shù)，可以獲得具有較大尺寸非均勻性的高質(zhì)量量子點(diǎn)，從而提高材料的發(fā)光強(qiáng)度和光譜寬度。
生長二至九個(gè)周期的砷化鋁鎵間隔層3，該砷化鋁鎵間隔層3均生長在兩相鄰周期的砷化銦量子點(diǎn)2中間。該砷化鋁鎵間隔層作為勢壘層，用來分隔相鄰周期的砷化銦量子點(diǎn)2，避免了多周期量子點(diǎn)2形成過大的應(yīng)力積累導(dǎo)致的光學(xué)質(zhì)量下降。生長參數(shù)為，具體包括襯底溫度為500攝氏度；砷化鋁鎵生長速率為0.6-1.0微米/小時(shí)；砷化鋁鎵間隔層中鋁的組分為0.15至0.20；砷化鋁鎵間隔層厚度為15納米至20納米。
上述3-10個(gè)周期的砷化銦量子點(diǎn)2以及2-9個(gè)周期的砷化鋁鎵間隔層3構(gòu)成了該砷化銦/砷化鋁鎵量子點(diǎn)材料的有源區(qū)10，它是該材料的核心部分，決定著材料的光學(xué)質(zhì)量。采用多周期量子點(diǎn)及適當(dāng)厚度的間隔層是為了增加量子點(diǎn)的體密度，從而提高材料的發(fā)光強(qiáng)度。
生長低溫砷化鋁鎵蓋層4，該低溫砷化鎵蓋層4生長在最上面的砷化銦量子點(diǎn)上面。該低溫砷化鎵蓋層4為上述有源區(qū)10的上勢壘層，有限制載流子的作用。它的另一個(gè)作用是，在有源區(qū)10生長完畢之后溫度從低到高的升溫過程中，防止砷化銦量子點(diǎn)2由于高溫而分解脫附。生長參數(shù)為，具體包括襯底溫度為500攝氏度；砷化鋁鎵生長速率為0.6-1.0微米/小時(shí)；低溫砷化鋁鎵蓋層厚度為10納米；生長高溫砷化鋁鎵蓋層5，該高溫砷化鋁鎵蓋層5生長在低溫砷化鋁鎵蓋層4上面。該高溫砷化鋁鎵蓋層5是該砷化銦/砷化鋁鎵量子點(diǎn)材料的最外一層，具有保護(hù)作用。生長參數(shù)為，具體包括襯底溫度為600攝氏度；砷化鋁鎵生長速率為0.6-1.0微米/小時(shí)；砷化鋁鎵中鋁的組分為0.15至0.20；高溫砷化鋁鎵蓋層厚度大于90納米。
表1是砷化銦/砷化鋁鎵量子點(diǎn)材料生長參數(shù)表1

按以上實(shí)施方式生長的砷化銦/砷化鋁鎵量子點(diǎn)材料具有寬的發(fā)光光譜和高的發(fā)光強(qiáng)度，其室溫電致發(fā)光譜請結(jié)合參閱圖2，光譜寬度大于120納米。
本發(fā)明專利采用多次探索出的控制分子束外延工藝中各種生長參數(shù)的方法，實(shí)現(xiàn)的砷化銦/砷化鋁鎵量子點(diǎn)材料，具有發(fā)光質(zhì)量好、發(fā)光光譜寬等優(yōu)點(diǎn)。適用于超輻射發(fā)光管等需要寬光譜特性的半導(dǎo)體光電子器件有源區(qū)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和該有源區(qū)結(jié)構(gòu)的分子束外延生長。
權(quán)利要求
1.一種寬光譜砷化銦/砷化鋁鎵量子點(diǎn)材料生長方法，所述材料生長方法是基于分子束外延設(shè)備的掩埋自組織量子點(diǎn)材料的生長方法，其特征在于，包括如下步驟(1)取一襯底；(2)在襯底上制備砷化鋁鎵緩沖層，該緩沖層是下述有源區(qū)的下勢壘層；(3)在砷化鎵緩沖層上制備有源區(qū)，該有源區(qū)是該砷化銦/砷化鋁鎵量子點(diǎn)材料的核心部分，為該材料的光譜發(fā)射區(qū)；(4)在有源區(qū)上制備低溫砷化鋁鎵蓋層，該低溫砷化鋁鎵蓋層為上述有源區(qū)的上勢壘層；(5)在低溫砷化鋁鎵蓋層上制備高溫砷化鋁鎵蓋層，該高溫砷化鋁鎵蓋層是該砷化銦/砷化鋁鎵量子點(diǎn)材料的最外一層，具有保護(hù)作用，完成材料的生長。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的寬光譜砷化銦/砷化鋁鎵量子點(diǎn)材料生長方法，其特征在于，其中有源區(qū)包括3-10個(gè)周期砷化銦量子點(diǎn)，該砷化銦量子點(diǎn)具有本征的尺寸非均勻性，導(dǎo)致較寬的發(fā)光光譜；2-9個(gè)周期砷化鋁鎵間隔層，每個(gè)周期砷化鋁鎵間隔層制備在其下面一周期砷化銦量子點(diǎn)上及其上面一周期砷化銦量子點(diǎn)下，砷化鎵間隔層作為勢壘層，用來分隔相鄰周期的砷化銦量子點(diǎn)，避免了多周期量子點(diǎn)形成過大的應(yīng)力積累導(dǎo)致的光學(xué)質(zhì)量下降；采用多周期量子點(diǎn)及適當(dāng)厚度的間隔層是為了增加量子點(diǎn)的體密度，從而提高材料的發(fā)光強(qiáng)度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的寬光譜砷化銦/砷化鋁鎵量子點(diǎn)材料生長方法，其特征在于，其中砷化鋁鎵緩沖層的制備生長參數(shù)為生長溫度為600攝氏度；砷化鋁鎵生長速率為0.6-1.0微米/小時(shí)；砷化鋁鎵中鋁的組分為0.15至0.20；砷化鋁鎵緩沖層厚度大于100納米。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的寬光譜砷化銦/砷化鋁鎵量子點(diǎn)材料生長方法，其特征在于，其中制備砷化銦量子點(diǎn)的生長參數(shù)為生長溫度為500攝氏度；砷化銦生長速率為0.1單分子層/秒；砷化銦量子點(diǎn)沉積厚度為2.0單分子層。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的寬光譜砷化銦/砷化鋁鎵量子點(diǎn)材料生長方法，其特征在于，其中砷化鋁鎵間隔層的生長參數(shù)為生長溫度為500攝氏度；砷化鋁鎵生長速率為0.6-1.0微米每小時(shí)；砷化鋁鎵中鋁的組分為0.15至0.20；砷化鋁鎵間隔層厚度為15納米至20納米。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的寬光譜砷化銦/砷化鋁鎵量子點(diǎn)材料生長方法，其特征在于，其中低溫砷化鋁鎵蓋層的生長參數(shù)包括生長溫度為500攝氏度；砷化鋁鎵生長速率為0.6-1.0微米每小時(shí)；砷化鋁鎵中鋁的組分為0.15至0.20；低溫砷化鋁鎵蓋層厚度為10納米；
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的寬光譜砷化銦/砷化鋁鎵量子點(diǎn)材料生長方法，其特征在于，其中高溫砷化鋁鎵蓋層的生長參數(shù)包括生長溫度為600攝氏度；砷化鋁鎵生長速率為0.6-1.0微米每小時(shí)；砷化鋁鎵中鋁的組分為0.15至0.20；高溫砷化鋁鎵蓋層厚度大于90納米；
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的寬光譜砷化銦/砷化鋁鎵量子點(diǎn)材料生長方法，其特征在于，其中所選用的襯底是砷化鎵襯底。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的寬光譜砷化銦/砷化鋁鎵量子點(diǎn)材料生長方法，其特征在于，其中采用上述方法得到的砷化銦/砷化鋁鎵量子點(diǎn)材料，其發(fā)光光譜寬度大于120納米。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的寬光譜砷化銦/砷化鋁鎵量子點(diǎn)材料生長方法，其特征在于，其中采用上述方法得到的砷化銦/砷化鋁鎵量子點(diǎn)材料，可以應(yīng)用于超輻射發(fā)光管以及需要寬光譜特性的半導(dǎo)體光電子器件有源區(qū)結(jié)構(gòu)的制作。
全文摘要
一種寬光譜砷化銦/砷化鋁鎵量子點(diǎn)材料生長方法，所述材料生長方法是基于分子束外延設(shè)備的掩埋自組織量子點(diǎn)材料的生長方法，其中包括如下步驟取一襯底；在襯底上制備砷化鋁鎵緩沖層，該緩沖層是下述有源區(qū)的下勢壘層；在砷化鎵緩沖層上制備有源區(qū)，該有源區(qū)是該砷化銦/砷化鋁鎵量子點(diǎn)材料的核心部分，為該材料的光譜發(fā)射區(qū)；在有源區(qū)上制備低溫砷化鋁鎵蓋層，該低溫砷化鋁鎵蓋層為上述有源區(qū)的上勢壘層；在低溫砷化鋁鎵蓋層上制備高溫砷化鋁鎵蓋層，該高溫砷化鋁鎵蓋層是該砷化銦/砷化鋁鎵量子點(diǎn)材料的最外一層，具有保護(hù)作用，完成材料的生長。
文檔編號H01L33/00GK101038866SQ20061006488
公開日2007年9月19日 申請日期2006年3月16日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月16日
發(fā)明者劉寧, 金鵬, 王占國 申請人:中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所