宽光谱砷化铟/砷化铟镓/砷化镓量子点材料生长方法

摘要

一种宽光谱砷化铟/砷化铟镓/砷化镓量子点材料生长方法，包括如下步骤：在衬底上制备砷化镓缓冲层，该缓冲层是下述有源区的下势垒层；在砷化镓缓冲层上制备有源区，该有源区是该砷化铟/砷化铟镓/砷化镓量子点材料的核心部分，为该材料的光谱发射区；在有源区上制备低温砷化镓盖层，该低温砷化镓盖层为上述有源区的上势垒层；在低温砷化镓盖层上制备高温砷化镓盖层，该高温砷化镓盖层是该砷化铟/砷化铟镓/砷化镓量子点材料的最外一层，具有保护作用。本发明能应用于超辐射发光管等需要宽光谱特性的半导体光电子器件有源区结构的设计和外延生长。

说明书

技术领域

本发明涉及一种宽光谱砷化铟/砷化铟镓/砷化镓量子点材料分子束外延生长方法，属于半导体材料外延生长技术领域。

背景技术

自组织量子点在光电子器件，如激光器、探测器、光存储等方面显示出诱人的应用前景。利用自组织量子点尺寸分布的非均匀性，可以制作具有非相干、宽光谱特性的光电子器件，如超辐射发光管。量子点材料的发光波长与量子点大小、量子点组分以及包围量子点的势垒组分紧密相关。使量子点材料有更宽的发光光谱，可采取下面两种方法：

(1)以不同发光波长的多层量子点同时发光来增加光谱宽度。这种多层量子点结构引入不同发光波长的基态跃迁，从而获得较宽的光谱输出。在生长该多层量子点结构时，通过改变各层的生长参数(如沉积量、限制层组分、衬底温度、生长速率等)，使得各层量子点的尺寸不同，导致发光波长不同，从而使光谱展宽。该方法的缺点是结构设计和材料生长困难、发光光谱线形不规则；

(2)利用量子点基态和激发态同时发光来增加光谱宽度。该方法同时利用量子点的基态跃迁和激发态跃迁扩展光谱宽度。但缺点有二：一是工作电流高，材料的热效应明显，限制了输出功率的进一步提高；二是发光光谱线形不规则。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种宽光谱砷化铟/砷化铟镓/砷化镓量子点材料生长方法，并给出了材料外延的核心生长参数(如生长温度、砷二聚物分压强、生长速率、生长厚度等)和材料结构，本发明能实现砷化铟/砷化铟镓/砷化镓量子点材料具有良好的发光特性和宽达100纳米以上的发光光谱。本发明能应用于超辐射发光管等需要宽光谱特性的光电子器件有源区结构的结构设计和外延生长。

本发明一种宽光谱砷化铟/砷化铟镓/砷化镓量子点材料生长方法，其特征在于，所述材料生长方法是基于分子束外延设备的掩埋自组织量子点材料的生长方法，其中包括如下步骤：

(1)取一衬底；

(2)在衬底上制备砷化镓缓冲层，该缓冲层是下述有源区的下势垒层；

(3)在砷化镓缓冲层上制备有源区，该有源区是该砷化铟/砷化铟镓/砷化镓量子点材料的核心部分，为该材料的光谱发射区；

(4)在有源区上制备低温砷化镓盖层，该低温砷化镓盖层为上述有源区的上势垒层；

(5)在低温砷化镓盖层上制备高温砷化镓盖层，该高温砷化镓盖层是该砷化铟/砷化铟镓/砷化镓量子点材料的最外一层，具有保护作用。

其中有源区包括：

3-10个周期砷化铟量子点，该砷化铟量子点具有本征的尺寸非均匀性，导致较宽的发光光谱；

3-10个周期砷化铟镓应力缓解层，每个周期砷化铟镓应力缓解层均制备在上述每个周期砷化铟量子点上，用来缓解失配应力以提高材料的发光强度；

2-9个周期砷化镓间隔层，每个周期砷化镓间隔层制备在其下面一周期砷化铟镓应力缓解层上及其上面一周期砷化铟量子点下；砷化镓间隔层作为势垒层，用来分隔相邻周期的砷化铟量子点及砷化铟镓应力缓解层，避免了多周期量子点形成过大的应力积累导致的光学质量下降；采用多周期量子点及适当厚度的间隔层是为了增加量子点的体密度，从而提高材料的发光强度。

其中砷化镓缓冲层的生长参数为：生长温度为580摄氏度至610摄氏度，采用砷二聚物并砷二聚物的分压强为5.5×10^-6托，砷化镓生长速率为0.6微米每小时至1.0微米每小时，厚度大于100纳米。

其中砷化铟量子点的生长参数为：生长温度为480摄氏度至510摄氏度；采用砷二聚物并砷二聚物的分压强为2.0-4.3×10^-6托；砷化铟生长速率为0.1单分子层每秒；生长中及生长后无停顿；砷化铟量子点沉积厚度为2.1单分子层。

其中砷化铟镓应力缓解层的生长参数为：生长温度为480摄氏度至510摄氏度；砷化铟镓生长速率为0.7微米每小时至1.0微米每小时；砷化铟镓应力缓解层厚度为2.0-5.0纳米；砷化铟镓应力缓解层中铟的组分为0.15至0.20。

其中砷化镓间隔层的生长参数为：生长温度为480摄氏度至510摄氏度；砷化镓生长速率为0.6微米每小时至1.0微米每小时；砷化镓间隔层厚度为10纳米至20纳米。

其中低温砷化镓盖层的生长参数包括：生长温度为480摄氏度至510摄氏度；砷化镓生长速率为0.6微米每小时至1.0微米每小时；低温砷化镓盖层厚度为10纳米至20纳米。

其中高温砷化镓盖层的生长参数包括：生长温度为580摄氏度至610摄氏度；砷化镓生长速率为0.6微米每小时至1.0微米每小时。

其中所选用的衬底是砷化镓衬底。

其中采用上述方法得到的砷化铟/砷化铟镓/砷化镓量子点材料，其发光光谱宽度大于100纳米。

其中采用上述方法得到的砷化铟/砷化铟镓/砷化镓量子点材料，可以应用于超辐射发光管以及需要宽光谱特性的半导体光电子器件有源区结构的制作。

附图说明

为进一步说明本发明的内容，以下结合附图和具体实例对其做进一步的描述，其中：

图1是砷化铟/砷化铟镓/砷化镓量子点材料结构示意图；

图2是砷化铟/砷化铟镓/砷化镓量子点材料电致发光谱图。

具体实施方式

请参阅图1所示，本发明一种宽光谱砷化铟/砷化铟镓/砷化镓量子点材料生长方法，其特征在于，所述材料生长方法是基于分子束外延设备的掩埋自组织量子点材料的生长方法，其中包括如下步骤：

(1)取一衬底7，该衬底7是砷化镓衬底；

(2)在衬底7上制备砷化镓缓冲层1，该缓冲层1是下述有源区10的下势垒层；该砷化镓缓冲层1的生长参数为：生长温度为580摄氏度至610摄氏度，采用砷二聚物并砷二聚物的分压强为5.5×10^-6托，砷化镓生长速率为0.6微米每小时至1.0微米每小时，厚度大于100纳米；

(3)在砷化镓缓冲层1上制备有源区10，该有源区10是该砷化铟/砷化铟镓/砷化镓量子点材料的核心部分，为该材料的光谱发射区；该有源区10包括：

3-10个周期砷化铟量子点2，该砷化铟量子点2具有本征的尺寸非均匀性，导致较宽的发光光谱；

其中砷化铟量子点2的生长参数为：生长温度为480摄氏度至510摄氏度；采用砷二聚物并砷二聚物的分压强为2.0-4.3×10^-6托；砷化铟生长速率为0.1单分子层每秒；生长中及生长后无停顿；砷化铟量子点沉积厚度为2.1单分子层；

3-10个周期砷化铟镓应力缓解层3，每个周期砷化铟镓应力缓解层3均制备在上述每个周期砷化铟量子点2上，用来缓解失配应力以提高材料的发光强度；

其中砷化铟镓应力缓解层3的生长参数为：生长温度为480摄氏度至510摄氏度；砷化铟镓生长速率为0.7微米每小时至1.0微米每小时；砷化铟镓应力缓解层厚度为2.0-5.0纳米；砷化铟镓应力缓解层中铟的组分为0.15至0.20；

2-9个周期砷化镓间隔层4，每个周期砷化镓间隔层4制备在其下面一周期砷化铟镓应力缓解层3上及其上面一周期砷化铟量子点2下。砷化镓间隔层4作为势垒层，用来分隔相邻周期的砷化铟量子点2及砷化铟镓应力缓解层3，避免了多周期量子点2形成过大的应力积累导致的光学质量下降。采用多周期量子点及适当厚度的间隔层是为了增加量子点的体密度，从而提高材料的发光强度；

其中砷化镓间隔层4的生长参数为：生长温度为480摄氏度至510摄氏度；砷化镓生长速率为0.6微米每小时至1.0微米每小时；砷化镓间隔层厚度为10纳米至20纳米；

(4)在有源区10上制备低温砷化镓盖层5，该低温砷化镓盖层5为上述有源区10的上势垒层；

其中低温砷化镓盖层5的生长参数包括：生长温度为480摄氏度至510摄氏度；砷化镓生长速率为0.6微米每小时至1.0微米每小时；低温砷化镓盖层厚度为10纳米至20纳米；

(5)在低温砷化镓盖层5上制备高温砷化镓盖层6，该高温砷化镓盖层6是该砷化铟/砷化铟镓/砷化镓量子点材料的最外一层，具有保护作用；

其中高温砷化镓盖层6的生长参数包括：生长温度为580摄氏度至610摄氏度；砷化镓生长速率为0.6微米每小时至1.0微米每小时。

本发明所采用上述方法得到的砷化铟/砷化铟镓/砷化镓量子点材料，其发光光谱宽度大于100纳米。

本发明所采用上述方法得到的砷化铟/砷化铟镓/砷化镓量子点材料，可以应用于超辐射发光管以及需要宽光谱特性的半导体光电子器件有源区结构的制作。

实施例

请结合参阅图1，本发明涉及一种宽光谱砷化铟/砷化铟镓/砷化镓量子点材料分子束外延生长方法，具体实施如下：

生长砷化镓缓冲层1，砷化镓缓冲层1生长在砷化镓衬底7上面，该砷化镓缓冲层1是下述砷化铟量子点2的势垒层，具有限制载流子的作用。生长参数为，具体包括：

衬底温度为580摄氏度至610摄氏度；采用砷二聚物并砷二聚物的分压强为5.5×10^-6托；砷化镓生长速率为0.6微米每小时至1.0微米每小时；砷化镓缓冲层厚度大于100纳米。

采用上述参数生长的砷化镓缓冲层1具有很高的结构和光学质量，其表面起伏在1-2个单分子层范围内。

生长三至十个周期的砷化铟量子点2，最下面一层砷化铟量子点2生长在砷化镓缓冲层1上面，生长参数为，具体包括：

衬底温度为480摄氏度至510摄氏度；采用砷二聚物并砷二聚物的分压强为2.0-4.3×10^-6托；砷化铟生长速率为0.1单分子层每秒；生长中及生长后无停顿；砷化铟量子点沉积厚度为2.1单分子层。

采用上述的优化生长参数，可以获得具有较大尺寸非均匀性的高质量量子点，从而提高材料的发光强度和光谱宽度。

生长三至十个周期的砷化铟镓应力缓解层3，该砷化铟镓应力缓解层3均生长在三至十个周期的砷化铟量子点2上面。该应力缓解层3用来缓解量子点2与下述砷化镓间隔层3之间的失配应力，以提高材料的结构和光学质量。生长参数为，具体包括；

衬底温度为480摄氏度至510摄氏度；采用砷二聚物并砷二聚物的分压强为5.5×10^-6托；砷化铟镓生长速率为0.7微米每小时至1.0微米每小时；砷化铟镓应力缓解层厚度为2.0-5.0纳米；砷化铟镓应力缓解层中铟的组分为0.15至0.20。

生长二至九个周期的砷化镓间隔层4，该砷化镓间隔层4生长在三至十个周期的砷化铟量子点2下面以及三至十个周期的砷化铟镓应力缓解层3上面。该砷化镓间隔层作为势垒层，用来分隔相邻周期的砷化铟量子点2及其上的砷化铟镓应力缓解层3，避免了多周期量子点2形成过大的应力积累导致的光学质量下降。生长参数为，具体包括；

衬底温度为480摄氏度至510摄氏度；采用砷二聚物并砷二聚物的分压强为5.0×10^-6托；砷化镓生长速率为0.6微米每小时至1.0微米每小时；砷化镓间隔层厚度为10纳米至20纳米；

上述3-10个周期的砷化铟量子点2、3-10个周期的砷化铟镓应力缓解层3以及2-9个周期的砷化镓间隔层4构成了该砷化铟/砷化铟镓/砷化镓量子点材料的有源区10，它是该材料的核心部分，决定着材料的光学质量。采用多周期量子点及适当厚度的间隔层是为了增加量子点的体密度，从而提高材料的发光强度。

生长低温砷化镓盖层5，该低温砷化镓盖层5生长在最上面的砷化铟镓应力缓解层3上面。该低温砷化镓盖层5为上述有源区10的上势垒层，有限制载流子的作用。它的另一个作用是，在有源区10生长完毕之后温度从低到高的升温过程中，防止砷化铟量子点2和砷化铟镓应力缓解层由于高温而分解脱附。生长参数为，具体包括；

衬底温度为480摄氏度至510摄氏度；采用砷二聚物并砷二聚物的分压强为5.0×10^-6托；砷化镓生长速率为0.6微米每小时至1.0微米每小时；低温砷化镓盖层厚度为10纳米至20纳米；

生长高温砷化镓盖层6，该高温砷化镓盖层6生长在低温砷化镓盖层5上面。该高温砷化镓盖层6是该砷化铟/砷化铟镓/砷化镓量子点材料的最外一层，具有保护作用。生长参数为，具体包括；

衬底温度为580摄氏度至610摄氏度；采用砷二聚物并砷二聚物的分压强为5.5×10^-6托；砷化镓生长速率为0.6微米每小时至1.0微米每小时。

按以上实施方式生长的砷化铟/砷化铟镓/砷化镓量子点材料具有宽的发光光谱和高的发光强度，其室温电致发光谱请结合参阅图2，光谱宽度大于100纳米。

以下请参阅表1，表1为本发明砷化铟/砷化铟镓/砷化镓量子点材料结构。

表1

序号    材料  生长温度  (摄氏度)砷二聚物并砷二聚物分压强(托)  生长速率    厚度  1GaAs  580～610    5.5×10^-60.6～1.0微米/小时  大于100纳米  2InAs  480～510    2.0×10^-6～4.3×10^-60.1单分子层/秒  2.1单分子层  3In_{(0.15～0.20)}GaAs  480～510    5.5×10^-60.7～1.0微米/小时  2.0～5.0纳米  4GaAs  480～510    5.0×10^-60.6～1.0微米/小时  10～20纳米  5GaAs  480～510    5.0×10^-60.6～1.0微米/小时  10～20纳米  6GaAs  580～610    5.5×10^-60.6～1.0微米/小时  -  7GaAs  -    --  -

本发明专利采用多次探索出的控制分子束外延工艺中各种生长参数的方法，实现的砷化铟/砷化铟镓/砷化镓量子点材料，具有发光质量好、发光光谱宽等优点。适用于超辐射发光管等需要宽光谱特性的半导体光电子器件有源区结构的设计和该有源区结构的分子束外延生长。