GaAs基多层自组织量子点结构及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种GaAs基多层自组织量子点结构，涉及低维半导体量子点材料和结构的可控性生长技术领域，该结构包括：衬底、位于所述衬底上的缓冲层、位于所述缓冲层上的N层量子点层及位于所述N层量子点层之上的帽层，所述每两层量子点层之间设有间隔层，其特征在于，至少有一组相邻两层量子点层之间的间隔层为两层，两层间隔层之间还设有应变补偿层。还公开了一种制备上述GaAs基多层自组织量子点结构的方法。本发明专利技术消除了多层量子点之间的应变积累，从而有效地减小了各层量子点间的相互影响，解决了由于应变积累导致的上层量子点变大的问题，改善了多层量子点的均匀性，同时还提高了多层量子点结构的周期数及模式增益。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及低维半导体量子点材料和结构的可控性生长
，特别涉及一种。
技术介绍
自从1994年世界上第一台量子点激光器问世以来，GaAs基InAs、InGaAs量子点(Quantum Dot, QD)材料与结构受到了人们的极大关注。首先，量子点作为一种零维半导体材料，具有很多传统量子阱所不具备的优势，譬如:量子点具有类原子的分立能级，使得量子点器件相较于传统量子阱器件具有更小的阈值电流密度、更高的微分增益、更高的特征温度等。其次，GaAs衬底上生长的量子阱结构的发光波长很难到达1.3 μ m，但GaAs衬底上生长的InAs自组织量子点可较容易地实现1.3 μ m高质量发光，若进一步与异变缓冲层方案相结合则可将GaAs基InAs量子点的发光波长拓展至光纤通信的1.55 μ m长波长窗口附近。目前,最为广泛采用的量子点制备方式是基于Stransk1-Krastanow(S-K)模式的自组织生长，如图1所示。该方式要求量子点材料和衬底材料之间必须有较大的晶格失配度，也就是说量子点与衬底之间会有很大的应变存在。在量子点生长初期，外延层首先是二维层状生长过程，随着沉积厚度增加，外延层中的应变能逐渐积累。当外延层厚度达到或超过某个临界厚度(crit ical thickness)时,就会由二维层状生长转变为三维岛状生长,形成自组织量子点，应变能得到释放，整个系统总能量降低。在成岛初期，量子点是无位错的，随着沉积厚度增加，量子点内部的应变能进一步积累，这使得岛之间的合并加剧、岛的体积增大，体积逐渐增大的大岛最终要以位错的形式释放应变能(即岛发生应变弛豫)，这些大岛将成为非辐射复合中心，极大地影响量子点的光学特性。GaAs衬底上生长的最常见量子点材料是InAs或InxGa1IAsU > 50% ), InAs与GaAs的晶格失配度为7%，InxGa1^xAs与GaAs的晶格失配度则与In组分x有关，所述晶格失配度=X 100 %。由于单层量子点的面密度一般都不高，只有IOltVcm2量级。因此，在实际制作基于量子点有源区的半导体激光器、光放大器、超辐射管、光探测器、光调制器、太阳能电池等器件时，基本上都要采用多层量子点结构(周期数10层甚至更多)。特别是对于量子点激光器来说，需要通过多层量子点间的电子波函数相互重叠提高模式增益、防止增益饱和。多层量子点结构如图2所示，包括:衬底21、缓冲层22、N层量子点层23(包括量子点有源层231和量子点盖层232)、间隔层24和帽层25，量子点盖层232和间隔层24这两层的材料的晶格常数一般都与缓冲层22材料的晶格常数相近，甚至相同。在第一层量子点形成后，会产生一个非均匀的应变场，该应变场会垂直向上传播，对随后生长其它量子点层造成影响。当相邻量子点层的间隔层较薄(小于50nm)时，由于下层应变场的应变耦合作用，下层量子点会成为上层量子点的成核中心，也就是说上层量子点会直接在下层量子点顶部成核、垂直对准生长。而且，应变场中的应变能会被上层量子点吸收，这使得上层量子点的尺寸要明显大于下层量子点的尺寸。随着生长的量子点层数增多，由于应变和应变能逐渐积累，导致顶层量子点的尺寸会迅速增大，直至形成团簇(cluster)并以位错形式弛豫释放应变。因此，当间隔层较薄时，多层量子点结构中各层间的尺寸均匀性很差，受位错岛的限制可生长的多层量子点结构周期数也很少(周期数通常不会超过5)。当相邻量子点层的间隔层较厚(大于50nm)时,应变场垂直向上传播以及应变积累效应会被大大削弱,量子点的垂直对准生长可得到极大抑制、甚至消除，多层量子点结构周期数可显著提高，但多层量子点间的电子波函数的重叠程度也会极大地降低，最终严重影响了多层量子点器件的模式增益以及器件的性能。鉴于此，多层量子点结构的周期数和密集排列之间(或者说多层量子点结构的应变积累与电子态交叠之间)存在相互制约的矛盾，是该领域目前亟待解决的问题之一。
技术实现思路
(一 )要解决的技术问题本专利技术要解决的技术问题是:如何在保持多层量子点层间密集排列的同时尽可能地提高多层量子点结构的周期数。( 二 )技术方案为解决上述技术问题，本专利技术提供了一种GaAs基多层自组织量子点结构，包括:衬底、位于所述衬底上的缓冲层、位于所述缓冲层上的N层量子点层及位于所述N层量子点层之上的帽层，所述每两层量子点层之间设有间隔层，至少有一组相邻两层量子点层之间的间隔层为两层，两层间隔层之间还设有应变补偿层。其中，每两层相邻量子点层之间的间隔层为两层，两层间隔层之间还设有应变补偿层。其中，所述应变补偿层的材料的晶格常数小于间隔层的材料的晶格常数。其中，所述应变补偿层的材料为BGaAs、BAlAs、BGaP或BAlP，所述间隔层的材料为GaAs 或 InGaAs0其中，所述量子点层包括:量子点基底层、位于所述量子点基底层上的量子点有源层及位于所述量子点有源层上的量子点盖层。其中，所述量子点基底层的材料为GaAs、GaAsN、GaAsSb、InGaAs、AlGaAs中的一种或几种组合。其中，所述量子点有源层的材料为InAs、AlSb、GaSb、InSb, InGaAs中的一种。其中，所述量子点盖层的材料为GaAs、InGaAs、GaAsSb、InGaAsSb中的一种。本专利技术还提供了一种GaAs基多层自组织量子点结构制备方法，包括以下步骤:S1:在衬底上生长缓冲层；S2:在缓冲层上逐层生长包括自组织量子点层的层次结构；S3:最后在多层量子点层的顶部生长帽层。其中,所述步骤S2具体包括:S2.1:生长自组织量子点基底层；S2.2:在所述量子点基底层上生长自组织量子点有源层；S2.3:在所述量子点有源层上生长量子点盖层；S2.4:在所述量子点盖层上依次生长第一间隔层、应变补偿层和第二间隔层；S2.5:在所述第二间隔层上生长自组织量子点基底层；S2.6:在所述量子点基底层上生长自组织量子点有源层；S2.7:重复S2.1 S2.6步骤若干次，形成多层量子点结构。(三)有益效果本专利技术提供的中，通过在多层量子点的间隔层中插入了 BGaAs、BAlAs、BGaP或BAlP应变补偿层，带来如下有益效果:1、在多层量子点结构中间隔层较薄的前提下，通过对自组织量子点制备过程中产生的应变进行补偿，从而有效地减小了下层量子点对上层量子点的影响，解决了由于应变积累导致的上层量子点尺寸逐渐变大的问题，从而显著地改善了多层量子点结构的尺寸均匀性；2、在多层量子点结构中间隔层较薄的前提下，通过应变补偿使得可生长的量子点层数(即多层量子点结构的周期数)增加，从而显著提高了多层量子点结构的模式增益，改善了相关器件(特别是量子点激光器)的性能；3、BGaAs、BAlAs、BGaP、BAlP应变补偿层的应变补偿量大且可以通过改变B并入比进行有效调控。附图说明图1是现有技术的S-K模式自组织生长的量子点层示意图；图2是现有技术的多层量子点结构示意图；图3是本专利技术实施例的一种GaAs基多层自组织量子点结构示意图；图4是GaAs基BGaAs外延层结构示意图；图5是GaAs基BGaAs外延层的双晶X射线衍射图样。具体实施例方式下面结合附图和实施例，对本专利技术的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种GaAs基多层自组织量子点结构，包括：衬底、位于所述衬底上的缓冲层、位于所述缓冲层上的N层量子点层及位于所述N层量子点层之上的帽层，所述每两层量子点层之间设有间隔层，其特征在于，至少有一组相邻两层量子点层之间的间隔层为两层，两层间隔层之间还设有应变补偿层。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王琦，贾志刚，郭欣，任晓敏，黄永清，
申请(专利权)人：北京邮电大学，
类型：发明
国别省市：