本實用新型涉及量子點及其制備方法，特別涉及生長在GaAs襯底上的InGaAs量子點。

背景技術(shù)：

隨著制備高質(zhì)量自組織量子點技術(shù)的發(fā)展，半導(dǎo)體量子點在量子光學(xué)，單光子光源，量子通信等方面的應(yīng)用研究越來越引起人們的興趣。量子點是一種零維材料，其具有類似原子的分立能級，同時在三維方向上實現(xiàn)了對載流子的限制，導(dǎo)致載流子能量在三個維度上量子化而出現(xiàn)分立能級，呈現(xiàn)出某些類似原子的殼層結(jié)構(gòu)能級特性。量子點的種種新奇性質(zhì)使其在許多領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，比如量子點單光子光源，量子點中間帶多結(jié)太陽電池等。一個穩(wěn)定、高亮度的單光子源作為一種新型光源，必定會為光譜學(xué)和量子信息領(lǐng)域帶來很多的應(yīng)用，如：隨機數(shù)產(chǎn)生器、弱吸收測量、線性光學(xué)計算、量子密鑰分配以及量子存儲等。但是，目前生長的量子點由于量子點內(nèi)缺陷，以及量子點尺寸的非均勻性(多模效應(yīng))等因素的影響，其發(fā)光強度普遍較低，限制了量子點的進一步應(yīng)用。因此研究如何在采用自組織方法制備出具有高發(fā)光強度的高密度InGaAs量子點，提高其光學(xué)性能對于未來量子點在器件中的廣泛應(yīng)用具有十分重要的指導(dǎo)意義。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺點與不足，本實用新型的目的在于提供一種生長在GaAs襯底上的InGaAs量子點，光致發(fā)光強度高。

本實用新型的目的通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)：

生長在GaAs襯底上的InGaAs量子點，由下至上依次包括GaAs(115)A襯底、InGaAs量子點層、GaAs蓋層、In納米結(jié)構(gòu)層和石墨烯覆蓋層。

所述InGaAs量子點層中InGaAs量子點的密度為2×10¹⁰-8×10¹⁰cm^-2；InGaAs量子點的平均高度為5-10納米，平均直徑為10-25納米。

所述GaAs蓋層的厚度為4-10納米。

所述In納米結(jié)構(gòu)層中In納米結(jié)構(gòu)的平均直徑為20-80納米。

所述石墨烯覆蓋層的厚度為0.4-2.5納米，包括1-5層石墨烯。

生長在GaAs襯底上的InGaAs量子點的制備方法，包括以下步驟：

(1)對GaAs(115)A襯底進行清洗；

(2)對GaAs(115)A襯底進行除氣和脫氧預(yù)處理；

(3)在GaAs(115)A襯底上生長InGaAs量子點層；

(4)在InGaAs量子點層上覆蓋GaAs蓋層；

(5)在GaAs蓋層表面沉積In納米結(jié)構(gòu)層；

(6)在In納米結(jié)構(gòu)層表面覆蓋一層石墨烯蓋層。

步驟(3)所述GaAs(115)A襯底上生長InGaAs量子點層，具體為：

利用分子束外延生長InGaAs量子點，生長過程中銦源溫度為700-810℃，鎵源溫度為800-1000℃，砷源溫度為270-300℃，襯底溫度為450-550℃，生長時間為8-20s。

步驟(4)所述在InGaAs量子點層上覆蓋GaAs蓋層，具體為：

在InGaAs量子點層上，采用分子束外延生長GaAs蓋層，生長過程中的鎵源溫度為800-950℃，砷源溫度為250-350℃，襯底溫度為350-500℃，生長時間為200-350s。

步驟(5)所述在GaAs蓋層表面沉積In納米結(jié)構(gòu)層，具體為：

采用電子束蒸發(fā)方式在GaAs蓋層表面沉積In納米結(jié)構(gòu)層，生長過程中電子束的功率為65-90W，襯底溫度為400-600℃，生長時間為200-350s。

步驟(6)所述在In納米結(jié)構(gòu)層表面覆蓋一層石墨烯蓋層，具體為：

采用化學(xué)氣相沉積在銅箔上制備石墨烯薄膜：生長過程中采用甲烷作為前軀體，生長氣氛是氫氣和氬氣的混合氣體，混合比例為1:1，生長過程中的生長溫度為900～1050℃，生長時間為5～30分鐘。之后在石墨烯薄膜表面旋涂PMMA，采用FeCl₃溶液腐蝕掉銅箔，采用濕法轉(zhuǎn)移將石墨烯薄膜轉(zhuǎn)移到In納米結(jié)構(gòu)的表面，采用丙酮和乙醇交替清洗去除掉石墨烯薄膜表面的PMMA。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型具有以下優(yōu)點和有益效果：

本實用新型通過在GaAs(115)A襯底上采用MBE法生長InGaAs量子點，并在覆蓋GaAs蓋層后生長In納米結(jié)構(gòu)，之后將石墨烯轉(zhuǎn)移至In納米結(jié)構(gòu)的表面，由于In局域表面等離激元與InGaAs量子點激子發(fā)光的相互耦合作用，可以明顯提高InGaAs量子點的光致發(fā)光強度；同時，由于In納米結(jié)構(gòu)與石墨烯之間存在很強的相互耦合作用，在In納米結(jié)構(gòu)表面覆蓋石墨烯后，石墨烯與InGaAs量子點之間也存在相互耦合作用，同時石墨烯可以顯著提高In納米結(jié)構(gòu)周圍的局域電場強度。這種強的局域電場可以顯著提高InGaAs量子點中電子-空穴對的輻射復(fù)合速率，因此本實用新型制備的InGaAs量子點光致發(fā)光發(fā)光強度得到明顯的提高。

附圖說明

圖1為本實用新型的實施例1的生長在GaAs襯底上的InGaAs量子點的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本實用新型的實施例1的生長在GaAs襯底上的InGaAs量子點的制備方法的流程圖。

圖3為本實用新型的實施例1的生長在GaAs襯底上的InGaAs量子點在覆蓋In納米結(jié)構(gòu)前后及在In納米結(jié)構(gòu)表面覆蓋石墨烯后的室溫光致發(fā)光譜。

具體實施方式

下面結(jié)合實施例，對本實用新型作進一步地詳細說明，但本實用新型的實施方式不限于此。

如圖1所示，本實施例的生長在GaAs襯底上的InGaAs量子點，由下至上依次包括GaAs襯底1、InGaAs量子點層2、GaAs蓋層3、In納米結(jié)構(gòu)層4和石墨烯蓋層5。

如圖2所示，本實施例的生長在GaAs襯底上的InGaAs量子點的制備方法，包括以下步驟：

(1)對GaAs(115)A襯底進行清洗：

GaAs(115)A襯底依次在三氯乙烯、丙酮、乙醇超聲清洗10分鐘，去除表面有機物，最后在去離子水中超聲清洗15分鐘后用氮氣吹干；

(2)GaAs(115)A襯底進行除氣和脫氧預(yù)處理：送入分子束外延系統(tǒng)進樣室預(yù)除氣半小時，完成除氣后送入生長室，在砷束流保護下，高溫退火去除襯底表面的氧化膜層，其中脫氧過程中砷源的溫度為270℃，襯底溫度為600℃，時間為10分鐘；

(3)GaAs(115)A襯底上生長InGaAs量子點層：利用分子束外延生長InGaAs量子點，生長過程中鎵源溫度為950℃，銦源溫度為800℃，砷源溫度為300℃，襯底溫度為510℃，生長時間為12s；

本實施例的InGaAs量子點層中InGaAs量子點的密度為2.5×10¹⁰cm^-2，量子點的平均高度為9納米，平均直徑為15納米。

(4)在InGaAs量子點層上覆蓋GaAs蓋層：采用分子束外延生長GaAs蓋層，生長過程中的鎵源溫度為880℃，砷源溫度為290℃，襯底溫度為450℃，生長時間為300s；GaAs蓋層的厚度為8納米；

(5)在GaAs蓋層表面沉積In納米結(jié)構(gòu)層：采用電子束蒸發(fā)方式生長，生長過程中電子束的功率為80W，襯底溫度為460℃，生長時間為250s；所述In納米結(jié)構(gòu)的平均直徑為35納米。

(6)In納米結(jié)構(gòu)層表面覆蓋石墨烯蓋層：石墨烯采用化學(xué)氣相沉積法生長，生長過程中采用甲烷作為前軀體，生長氣氛是氫氣和氬氣的混合氣體，混合比例為1:1，生長過程中的生長溫度為1000℃，生長時間為20分鐘。在石墨烯薄膜表面旋涂PMMA，采用FeCl₃溶液腐蝕掉銅箔，隨后采用濕法轉(zhuǎn)移將石墨烯薄膜轉(zhuǎn)移到In納米結(jié)構(gòu)的表面，采用丙酮和乙醇交替清洗去除掉石墨烯薄膜表面的PMMA。

圖3為覆蓋In納米結(jié)構(gòu)前后的高密度InGaAs量子點的光致發(fā)光譜，光譜在室溫條件下測試，從圖中可以看出，對GaAs(115)A襯底上直接生長的InGaAs量子點，光致發(fā)光譜中以襯底發(fā)光為主，對應(yīng)于InGaAs量子點的光致發(fā)光十分微弱。而當(dāng)在InGaAs量子點表面覆蓋In納米結(jié)構(gòu)后，InGaAs量子點的激子發(fā)光強度明顯提高，發(fā)光強度相對覆蓋In納米結(jié)構(gòu)前提高100倍。而當(dāng)在In納米結(jié)構(gòu)表面覆蓋石墨烯后，InGaAs量子點的光致發(fā)光強度進一步增強。

在InGaAs量子點表面覆蓋GaAs蓋層后生長In納米結(jié)構(gòu)，由于In局域表面等離激元與量子點激子發(fā)光的相互耦合作用，可以明顯提高InGaAs量子點的光致發(fā)光強度。當(dāng)在GaAs蓋層表面生長In納米結(jié)構(gòu)后，InGaAs量子點的激子發(fā)光可以快速轉(zhuǎn)移并激發(fā)金屬In局域表面等離激元，而In局域表面等離激元被激發(fā)后，在In納米顆粒周圍會形成強的局域電場，之后在In納米顆粒表面覆蓋單層石墨烯，石墨烯的厚度為0.5納米。在In納米結(jié)構(gòu)表面覆蓋石墨烯后，一方面In納米結(jié)構(gòu)與石墨烯之間存在很強的相互耦合作用，同時石墨烯與InGaAs量子點之間也存在相互耦合作用，這種相互耦合作用可以進一步提高In納米結(jié)構(gòu)周圍的局域電場強度。這種強的局域電場可以顯著提高InGaAs量子點中電子-空穴對的輻射復(fù)合速率，因此本實用新型制備的InGaAs量子點光致發(fā)光發(fā)光強度得到明顯的提高。

實施例2

本實施例的生長在GaAs襯底上的InGaAs量子點的制備方法，包括以下步驟：

(1)對GaAs(115)A襯底進行清洗：

GaAs(115)A襯底依次在三氯乙烯、丙酮、乙醇超聲清洗10分鐘，去除表面有機物，最后在去離子水中超聲清洗15分鐘后用氮氣吹干；

(2)GaAs(115)A襯底進行除氣和脫氧預(yù)處理：送入分子束外延系統(tǒng)進樣室預(yù)除氣半小時，完成除氣后送入生長室，在砷束流保護下，高溫退火去除襯底表面的氧化膜層，其中脫氧過程中砷源的溫度為285℃，襯底溫度為600℃，時間為10分鐘；

(3)GaAs(115)A襯底上生長InGaAs量子點層：利用分子束外延生長InGaAs量子點，生長過程中鎵源溫度為950℃，銦源溫度為800℃，砷源溫度為300℃，襯底溫度為510℃，生長時間為15s；

本實施例的InGaAs量子點層中InGaAs量子點的密度為3×10¹⁰cm^-2，量子點的平均高度為5納米，平均直徑為10納米；

(4)在InGaAs量子點層上覆蓋GaAs蓋層：采用分子束外延生長GaAs蓋層，生長過程中的鎵源溫度為880℃，砷源溫度為290℃，襯底溫度為450℃，生長時間為300s；GaAs蓋層的厚度為8納米；

(5)在GaAs蓋層表面沉積In納米結(jié)構(gòu)層：采用電子束蒸發(fā)方式生長，生長過程中電子束的功率為80W，襯底溫度為460℃，生長時間為250s；所述In納米結(jié)構(gòu)的平均直徑為35納米。

(6)In納米結(jié)構(gòu)層表面覆蓋石墨烯蓋層：石墨烯采用化學(xué)氣相沉積法生長，生長過程中采用甲烷作為前軀體，生長氣氛是氫氣和氬氣的混合氣體，混合比例為1:1，生長過程中的生長溫度為1050℃，生長時間為20分鐘。石墨烯為單層石墨烯，厚度約為0.5納米，之后在石墨烯薄膜表面旋涂PMMA，采用FeCl₃溶液腐蝕掉銅箔，隨后采用濕法轉(zhuǎn)移將石墨烯薄膜轉(zhuǎn)移到In納米結(jié)構(gòu)的表面，采用丙酮和乙醇交替清洗去除掉石墨烯薄膜表面的PMMA。

本實施制備得到的光致發(fā)光的高密度InGaAs量子點的測試結(jié)果與實施例1相似，在此不再贅述。

實施例3

本實施例的生長在GaAs襯底上的InGaAs量子點的制備方法，包括以下步驟：

(1)對GaAs(115)A襯底進行清洗：

GaAs(115)A襯底依次在三氯乙烯、丙酮、乙醇超聲清洗10分鐘，去除表面有機物，最后在去離子水中超聲清洗10分鐘后用氮氣吹干；

(2)GaAs(115)A襯底進行除氣和脫氧預(yù)處理：送入分子束外延系統(tǒng)進樣室預(yù)除氣半小時，完成除氣后送入生長室，在砷束流保護下，高溫退火去除襯底表面的氧化膜層，其中脫氧過程中砷源的溫度為280℃，襯底溫度為600℃，時間為10分鐘；

(3)GaAs(115)A襯底上生長InGaAs量子點層：利用分子束外延生長InGaAs量子點，生長過程中鎵源溫度為970℃，銦源溫度為810℃，砷源溫度為300℃，襯底溫度為510℃，生長時間為13s；

本實施例的InGaAs量子點層中InGaAs量子點的密度為2.7×10¹⁰cm^-2，量子點的平均高度為10納米，平均直徑為25納米；

(4)在InGaAs量子點層上覆蓋GaAs蓋層：采用分子束外延生長GaAs蓋層，生長過程中的鎵源溫度為880℃，砷源溫度為290℃，襯底溫度為450℃，生長時間為300s；GaAs蓋層的厚度為8納米；

(5)在GaAs蓋層表面沉積In納米結(jié)構(gòu)層：采用電子束蒸發(fā)方式生長，生長過程中電子束的功率為80W，襯底溫度為460℃，生長時間為250s；所述In納米結(jié)構(gòu)的平均直徑為35納米。

(6)In納米結(jié)構(gòu)層表面覆蓋石墨烯蓋層：石墨烯采用化學(xué)氣相沉積法生長，生長過程中采用甲烷作為前軀體，生長氣氛是氫氣和氬氣的混合氣體，混合比例為1:1，生長過程中的生長溫度為1050℃，生長時間為40分鐘。石墨烯的層數(shù)為2-3層，厚度為0.8-1.5納米。在石墨烯薄膜表面旋涂PMMA，采用FeCl₃溶液腐蝕掉銅箔，隨后采用濕法轉(zhuǎn)移將石墨烯薄膜轉(zhuǎn)移到In納米結(jié)構(gòu)的表面，采用丙酮和乙醇交替清洗去除掉石墨烯薄膜表面的PMMA。

本實施制備得到的光致發(fā)光的高密度InGaAs量子點的測試結(jié)果與實施例1相似，在此不再贅述。

上述實施例為本實用新型較佳的實施方式，但本實用新型的實施方式并不受所述實施例的限制，其他的任何未背離本實用新型的精神實質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本實用新型的保護范圍之內(nèi)。