專利名稱：一種采用應(yīng)變工程原理和圖形襯底結(jié)合技術(shù)定位生長低密度InAs量子點(diǎn)的MBE外延方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體發(fā)光材料外延生長技術(shù)，屬于半導(dǎo)體材料外延生長技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
量子點(diǎn)由于強(qiáng)的三維量子限制作用，具有獨(dú)特的類原子特性，因此具有強(qiáng)的發(fā)射單光子 能力。特別是自組織生長的半導(dǎo)體量子點(diǎn)，它具有結(jié)構(gòu)和光學(xué)特性穩(wěn)定性好、輻射復(fù)合效率 高、能確實(shí)地產(chǎn)生單光子、易于與微腔集成、可以實(shí)現(xiàn)電注入以及易于封裝乃至于實(shí)現(xiàn)商品 化等特點(diǎn)，因此成為實(shí)現(xiàn)實(shí)用單光子發(fā)射器件最理想的候選材料之一。近十幾年來，研究開 發(fā)半導(dǎo)體量子點(diǎn)單光子發(fā)射源已經(jīng)成為量子通訊研究領(lǐng)域中的國際前沿和熱點(diǎn)。歐美等國都 投入了大量的人力和物力進(jìn)行基礎(chǔ)和應(yīng)用開發(fā)方面的研究。
最早采用半導(dǎo)體量子點(diǎn)實(shí)現(xiàn)單光子發(fā)射源的研究工作主要集中在波長小于1微米的范 圍，這是因?yàn)樵谶@一波段硅基探測技術(shù)及半導(dǎo)體量子點(diǎn)制備技術(shù)比較成熟。而在1.3和1.5微 米波長范圍， 一方面由于缺少高效的近紅外單光子探測器，另一方面由于生長制備這一波段 的半導(dǎo)體量子點(diǎn)相對比較困難，因而使得對這一波段范圍工作的半導(dǎo)體量子點(diǎn)單光子發(fā)射源 的研究相對較少。直到最近由于單光子探測技術(shù)及量子點(diǎn)制備技術(shù)的逐漸成熟，這方面的研 究才有相關(guān)報(bào)道并快速取得重大進(jìn)展。對這一波段單光子發(fā)射現(xiàn)象的研究工作主要集中在埋 層于InP或GaAs材料中的InAs量子點(diǎn)上。由于量子點(diǎn)自發(fā)發(fā)射產(chǎn)生的光指向各個(gè)方向，因 此探測器件對它的收集效率較低。為了增強(qiáng)收集效率，在實(shí)際應(yīng)用中通常需要把量子點(diǎn)放置 在微腔結(jié)構(gòu)里。然而在InP基材料系統(tǒng)中由于缺少高反射率分布布拉格反射鏡(DBR)，很難 獲得微腔結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致采用InAs/InP量子點(diǎn)實(shí)現(xiàn)實(shí)用的單光子發(fā)射器件存在一定的困難。在 GaAs基材料系統(tǒng)中，微腔結(jié)構(gòu)制造技術(shù)相對成熟，因此在這一材料體系中首先實(shí)現(xiàn)通訊波段 用的實(shí)用單光子發(fā)射源成為必然。2005年，來自英國劍橋大學(xué)歐洲東芝研究中心的研究團(tuán)隊(duì) 在美國巴爾地摩舉行的CLEO/QELS研討會上首次宣布成功利用半導(dǎo)體InAs/GaAs量子點(diǎn)制 造出波長落在1.3微米通訊波段的單光子發(fā)射源原型器件。與相干光脈沖衰減方法相比，這 個(gè)量子點(diǎn)單光子源產(chǎn)生的多光子小了一個(gè)數(shù)量級。雖然需要在低溫和光激發(fā)注入條件下工作， 它的研制成功卻代表了量子通訊用單光子發(fā)射源研究的重大進(jìn)展。此后不久，瑞士洛桑聯(lián)邦 高等理工學(xué)院光電子學(xué)與量子電子學(xué)研究所的研究小組在2006年也成功地演示了氧化孔徑 限制電注入1.3微米InAs/GaAs量子點(diǎn)單光子發(fā)射器件，并且在2008年演示了基于光子晶體 微腔的通訊波段InAs/GaAs量子點(diǎn)單光子源。同年，演示了即插即用(plug and play)型1.3 微米InAs/GaAs量子點(diǎn)單光子光源。在同一時(shí)期，英國劍橋大學(xué)歐洲東芝研究中心的研究者 們利用光激發(fā)1.3微米InAs/GaAs量子點(diǎn)單光子源產(chǎn)生的單光子實(shí)現(xiàn)了 35公里的量子密鑰光纖傳送。這些研究結(jié)果清楚地表明，半導(dǎo)體量子點(diǎn)可以為實(shí)用化量子通信系統(tǒng)的研究和應(yīng)用 提供理想的單光子發(fā)射器件。在國內(nèi)，對量子點(diǎn)單光子源的研究工作剛開始起步，主要的研 究單位是中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所，最近他們報(bào)道了可在液氮溫度下工作的波長為0.966微 米的量子點(diǎn)單光子發(fā)射器件。盡管器件的工作波長還沒有達(dá)到通訊波段，他們的研究成果卻 代表了國內(nèi)在量子點(diǎn)單光子發(fā)射源研究中的重大突破與進(jìn)展。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是一種采用應(yīng)變工程原理和圖形襯底結(jié)合技術(shù)定位生長低密度InAs量子點(diǎn)的MBE 外延方法。是為進(jìn)一步制備量子點(diǎn)單光子發(fā)射源在材料制備手段上提供的一種參考手段。
單光子在理想情況下是由單個(gè)量子點(diǎn)發(fā)光實(shí)現(xiàn)的，因此能夠有效隔離單個(gè)量子點(diǎn)就變得 相當(dāng)重要。當(dāng)前，用來制作實(shí)現(xiàn)量子點(diǎn)單光子發(fā)射器件的InAs/GaAs量子點(diǎn)主要是通過自組 織生長方法獲得，它們在生長表面上隨機(jī)分布并且點(diǎn)密度很高，每平方微米上就有幾個(gè)到幾 百個(gè)量子點(diǎn)，因此有效地隔離單個(gè)量子點(diǎn)相當(dāng)困難。另外，由于這些量子點(diǎn)在生長表面分布 的隨機(jī)性，可靠地控制其在光學(xué)微腔中的位置也變得相當(dāng)不易。
本發(fā)明主要內(nèi)容之一就是采用控制量子點(diǎn)在生長表面成核位置的方法，實(shí)現(xiàn)量子點(diǎn)的定 位生長，在圖形(pattern)襯底(如

圖1)上生長量子點(diǎn)。此方法的最大優(yōu)點(diǎn)在于獲得的量子 點(diǎn)不但密度可控，而且它在生長表面上的位置也可控，這就使得隔離單個(gè)量子點(diǎn)的工作脫離 了現(xiàn)有光刻和腐蝕技術(shù)的限制而變得相當(dāng)簡單。然而，受外延生長機(jī)制諸如In原子在生長表 面擴(kuò)散并有效添充圖形位置的限制，拓展這些量子點(diǎn)的發(fā)射波長到1.3和1.5微米的范圍卻變 得相當(dāng)困難。并且，由于受再生長(regrowth)外延機(jī)制的限制，采用這種方法獲得的量子點(diǎn) 不能過度遠(yuǎn)離再生長界面。而再生長界面的污染會導(dǎo)致產(chǎn)生無輻射復(fù)合缺陷，因此采用這一 方法獲得的量子點(diǎn)通常光學(xué)質(zhì)量較差。這些因素嚴(yán)重限制了其在實(shí)際器件中的應(yīng)用。
本發(fā)明的另外一個(gè)內(nèi)容就是采用應(yīng)變工程原理(如圖2)，使量子點(diǎn)最大限度遠(yuǎn)離起始再 生長界面，降低再生長界面污染的影響而提高量子點(diǎn)光學(xué)質(zhì)量。生長多層堆錯(cuò)InAs量子點(diǎn)在 理論上不但能滿足這一要求，而且在實(shí)驗(yàn)上也能重大拓展量子點(diǎn)的發(fā)射波長進(jìn)入通訊波段。 所謂的應(yīng)變工程原理就是在生長多層量子點(diǎn)的過程中，由于底層量子點(diǎn)存在而產(chǎn)生的應(yīng)力 場作用，多層量子點(diǎn)中的上層點(diǎn)趨向于和底層量子點(diǎn)在垂直方向上保持生長在同一位置而形 成垂直匹配。另外僅用十幾個(gè)納米厚的薄層GaAs緩沖層就可以十分有效地提高圖形襯底上生 長量子點(diǎn)的光學(xué)質(zhì)量。
而制備雙層或多層堆錯(cuò)InAs量子點(diǎn)需要事先生長一層種子量子點(diǎn)層和使用一層或幾層 薄的GaAs壘層(十到幾十個(gè)納米厚)，這在一定程度上增加了量子點(diǎn)和起始生長界面的物理 距離，因此被期望可以用來進(jìn)一步提高量子點(diǎn)光學(xué)和結(jié)構(gòu)質(zhì)量。在圖形襯底上生長的量子點(diǎn) 用作量子點(diǎn)種子層，由于有效隧穿的作用，雙層或多層堆錯(cuò)InAs量子點(diǎn)發(fā)光主要來自于頂層 量子點(diǎn)，因而形成的雙層或多層堆錯(cuò)量子點(diǎn)的頂層量子點(diǎn)就可以被用作高效的發(fā)光點(diǎn)而提高 圖形襯底上生長量子點(diǎn)的光學(xué)和結(jié)構(gòu)質(zhì)量。此外，由于頂層量子點(diǎn)的尺寸和所含In組分增大，頂層量子點(diǎn)的發(fā)光波長也會向長波長通訊波段移動。
本發(fā)明是一種采用應(yīng)變工程原理和圖形襯底結(jié)合技術(shù)定位生長低密度InAs量子點(diǎn)的MBE 外延方法?？朔俗越M織生長方法生長量子點(diǎn)的隨機(jī)性，可靠地控制其位置和密度。這種基 于單光子發(fā)射源的需要而設(shè)計(jì)提出來的方法將為進(jìn)一步制備量子點(diǎn)單光子發(fā)射源在材料制備 手段上提供一種參考手段。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明是一種采用應(yīng)變工程原理和圖形襯底結(jié)合技術(shù)定位生長低密度InAs量子點(diǎn)的MBE 外延方法。結(jié)合示意圖1和圖2說明
1、 采用電子束光刻(EBL)并結(jié)合濕法/干法刻蝕技術(shù)在GaAs襯底晶片(1)上制備所需圖形
(2):
A、 選擇EBL曝光時(shí)間50-65s;
B、 H3P03: H202: H20作為腐蝕液，腐蝕溫度(TC、腐蝕時(shí)間3-5min;
C、 為控制圖形尺寸、圖形間距和臺面/坑的腐蝕深度，干法刻蝕采用Cl2 、 BCl3為刻蝕氣 體，控制刻蝕時(shí)間2-4min;
2、 在成功制備所需圖形襯底的基礎(chǔ)上，外延生長種子量子點(diǎn)層(3); 控制種子量子點(diǎn)層的生長溫度54CTC、生長速率0. 08-0. 1Ml/s;
3、 利用應(yīng)變工程原理生長大于二層小于五層的InAs量子點(diǎn)；
A、 生長GaAs緩沖層(4)，生長溫度650。C，時(shí)間5-10min?？刂艻nAs量子點(diǎn)層(6)的生 長溫度為540。C、生長速率O. 02-0.04Ml/s;
B、 GaAs隔離壘層(5)的厚度20-35nm， GaAs隔離壘層的生長溫度560°C、退火溫度 580°C、時(shí)間2-5min;
C、 InGaAs應(yīng)變蓋層(7)的生長溫度600。C，厚度100-150nm。
權(quán)利要求
1. 本發(fā)明是一種采用應(yīng)變工程原理和圖形襯底結(jié)合技術(shù)定位生長低密度InAs量子點(diǎn)的MBE外延方法。在圖形襯底(圖1)上生長InAs量子點(diǎn)，并采用應(yīng)變工程原理制備大于二層的量子點(diǎn)，使量子點(diǎn)最大限度遠(yuǎn)離起始再生長界面，降低再生長界面污染的影響而提高量子點(diǎn)光學(xué)質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)量子點(diǎn)密度和位置的可控。方法的內(nèi)容為1)采用電子束光刻(EBL)并結(jié)合濕法/干法刻蝕技術(shù)在GaAs襯底晶片(1)上制備所需圖形(2)A、選擇EBL曝光時(shí)間50-65s；B、H3PO3:H2O2:H2O作為腐蝕液，腐蝕溫度0℃、腐蝕時(shí)間3-5min；C、為控制圖形尺寸、圖形間距和臺面/坑的腐蝕深度，干法刻蝕采用Cl2、BCl3為刻蝕氣體，控制刻蝕時(shí)間2-4min；2)在成功制備所需圖形襯底的基礎(chǔ)上，外延生長種子量子點(diǎn)層(3)；控制種子量子點(diǎn)層的生長溫度540℃、生長速率0.08-0.1Ml/s；3)利用應(yīng)變工程原理生長大于二層小于五層的InAs量子點(diǎn)；A、生長GaAs緩沖層(4)，生長溫度650℃，時(shí)間5-10min。控制InAs量子點(diǎn)層(6)的生長溫度為540℃、生長速率0.02-0.04Ml/s；B、GaAs隔離壘層(5)的厚度20-35nm，GaAs隔離壘層的生長溫度560℃、退火溫度580℃、時(shí)間2-5min；C、InGaAs應(yīng)變蓋層(7)的生長溫度600℃，厚度100-150nm。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種采用應(yīng)變工程原理和圖形襯底結(jié)合技術(shù)定位生長低密度InAs量 子點(diǎn)的MBE外延方法，其特征在于，電子束光刻(EBL)并結(jié)合濕法/干法刻蝕技術(shù)的結(jié)合 制備所需圖形EBL曝光時(shí)間50-65s，腐蝕液在O"C腐蝕3-5min，通過干法刻蝕控制圖 形尺寸、圖形間距和臺面/坑的腐蝕深度，刻蝕時(shí)間2-4min，來實(shí)現(xiàn)InAs種子量子點(diǎn)的 定位生長。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種采用應(yīng)變工程原理和圖形襯底結(jié)合技術(shù)定位生長低密度InAs量 子點(diǎn)的MBE外延方法，其特征在于，圖形襯底與應(yīng)變工程原理的結(jié)合，即InAs種子量子 點(diǎn)在圖形襯底上定位生長后，采用的應(yīng)變工程原理，外延生長大于二層小于五層的InAs 量子點(diǎn)，量子點(diǎn)層之間采用GaAs隔離壘層。
全文摘要
單光子在理想情況下是由單個(gè)量子點(diǎn)發(fā)光實(shí)現(xiàn)的，因此能夠有效隔離單個(gè)量子點(diǎn)就變得相當(dāng)重要。當(dāng)前，用來制作實(shí)現(xiàn)量子點(diǎn)單光子發(fā)射器件的InAs/GaAs量子點(diǎn)主要是通過自組織生長方法獲得，它們在生長表面上隨機(jī)分布并且點(diǎn)密度很高，每平方微米上就有幾個(gè)到幾百個(gè)量子點(diǎn)，因此有效地隔離單個(gè)量子點(diǎn)相當(dāng)困難。而且，這些量子點(diǎn)在生長表面分布的隨機(jī)性，可靠地控制其在光學(xué)微腔中的位置也變得相當(dāng)不易。本發(fā)明采用與應(yīng)變工程原理圖形襯底相結(jié)合的手段制備低密度InAs量子點(diǎn)。所謂的應(yīng)變工程原理在生長多層量子點(diǎn)的過程中，由于底層量子點(diǎn)存在而產(chǎn)生的應(yīng)力場作用，多層量子點(diǎn)中的上層點(diǎn)趨向于和底層量子點(diǎn)在垂直方向上保持生長在同一位置而形成垂直匹配。另外僅用十幾個(gè)納米厚的薄層GaAs緩沖層就可以十分有效地提高圖形襯底上生長量子點(diǎn)的光學(xué)質(zhì)量。本發(fā)明是一種采用應(yīng)變工程原理和圖形襯底結(jié)合技術(shù)定位生長低密度InAs量子點(diǎn)的MBE外延方法。克服了自組織生長方法生長量子點(diǎn)的隨機(jī)性，可靠地控制其位置和密度。這種基于單光子發(fā)射源的需要而設(shè)計(jì)提出來的方法將為制備量子點(diǎn)單光子發(fā)射源在材料制備方法上提供一種參考手段。
文檔編號H01L21/02GK101533770SQ20091006681
公開日2009年9月16日 申請日期2009年4月14日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月14日
發(fā)明者喬忠良, 劉國軍, 尤明慧, 軼 曲, 林 李, 梅 李, 輝 李, 李占國, 李聯(lián)合, 鵬 蘆, 欣 高 申請人:長春理工大學(xué)