生长在GaAs衬底上的InAs量子点及其制备方法

摘要

本发明公开了一种生长在GaAs衬底上的InAs量子点，由下至上依次包括GaAs衬底、InAs量子点层、GaAs盖层和In纳米结构层。本发明的另一目的在于提供上述生长在GaAs衬底上的InAs量子的制备方法：(1)对GaAs衬底进行清洗；(2)对GaAs衬底进行除气和脱氧预处理；(3)在GaAs衬底上生长InAs量子点层：(4)在InAs量子点层上覆盖GaAs盖层；(5)在GaAs盖层表面沉积In纳米结构层。本发明制备的生长在GaAs衬底上的InAs量子点，极大提高了InAs量子点的光致发光强度，且制备方法简单、成本较低，是一种制备强光致发光强度的高密度InAs量子点的有效方法。

说明书

技术领域

本发明涉及半导体光电子材料与器件技术领域，特别涉及一种生长在GaAs 衬底上的InAs量子点及其制备方法。

背景技术

随着制备高质量自组织量子点技术的发展，半导体量子点在量子光学，量 子通信，激光器以及太阳电池等方面的应用研究越来越引起人们的兴趣。量子 点在三维方向实现了对载流子的限制，导致载流子能量在三个维度上量子化而 出现分立能级，呈现出某些类似原子的壳层结构能级特性。量子点的种种新奇 性质使其在许多领域具有广阔的应用前景，比如量子点单光子光源，量子点中 间带多结太阳电池等。一个稳定、高亮度的单光子源作为一种新型光源，必定 会为光谱学和量子信息领域带来很多的应用，如：随机数产生器、弱吸收测量、 线性光学计算、量子密钥分配以及量子存储等。但是，目前生长的量子点由于 量子点内缺陷，以及量子点尺寸的非均匀性(多模效应)等因素的影响，其发 光强度普遍较低，限制了量子点的进一步应用。因此研究如何在采用自组织方 法制备出具有高发光强度的高密度InAs量子点，提高其光学性能对于未来量子 点在器件中的广泛应用十分重要的指导意义。

发明内容

为了克服现有技术的上述缺点与不足，本发明的目的在于提供一种生长在 GaAs衬底上的InAs量子点，光致发光强度高。

本发明的另一目的在于提供上述生长在GaAs衬底上的InAs量子点的制备 方法。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

生长在GaAs衬底上的InAs量子点，由下至上依次包括GaAs(115)A衬底、 InAs量子点层、GaAs盖层和In纳米结构层；其中(115)A表示(115)晶面 上Ga原子的悬键数目要多于As原子。

所述InAs量子点层中InAs量子点的密度为1×10¹⁰-8×10¹⁰cm^-2；量子点的 平均高度为6-10纳米，平均直径为10-20纳米。

所述GaAs盖层的厚度为4-10纳米。

所述In纳米结构的平均直径为40-60纳米。

生长在GaAs衬底上的InAs量子点的制备方法，包括以下步骤：

(1)对GaAs(115)A衬底进行清洗；

(2)对GaAs(115)A衬底进行除气和脱氧预处理；

(3)在GaAs(115)A衬底上生长InAs量子点层：

(4)在InAs量子点层上覆盖GaAs盖层；

(5)在GaAs盖层表面沉积In纳米结构层。

步骤(1)所述对GaAs(115)A衬底进行清洗，具体为：

GaAs(115)A衬底依次在三氯乙烯、丙酮、乙醇超声清洗，去除表面有机 物，最后在去离子水中超声清洗后用氮气吹干。

步骤(2)所述对GaAs(115)A衬底进行除气和脱氧预处理，具体为：

送入分子束外延系统进样室预除气半小时，完成除气后送入生长室，在砷 束流保护下，高温退火去除衬底表面的氧化膜层，其中脱氧过程中砷源的温度 为250-350℃，衬底温度为570-620℃，时间为5-10分钟。

步骤(3)所述在GaAs(115)A衬底上生长InAs量子点层，具体为：

利用分子束外延生长InAs量子点，生长过程中铟源温度为700-810℃， 砷源温度为270-300℃，衬底温度为450-550℃，生长时间为8-20s。

步骤(4)所述在InAs量子点层上覆盖GaAs盖层，具体为：

采用分子束外延生长GaAs盖层，生长过程中的镓源温度为800-950℃， 砷源温度为250-350℃，衬底温度为350-500℃，生长时间为200-350s。

步骤(5)所述在GaAs盖层表面沉积In纳米结构层，具体为：

采用电子束蒸发方式生长，生长过程中电子束的功率为65-90W，衬底温度 为400-600℃，生长时间为200-350s。

与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：

(1)本发明通过将在GaAs(115)A衬底上采用MBE法生长InAs量子点， 并在覆盖GaAs盖层后生长In纳米结构，由于In局域表面等离激元与量子点激 子发光的相互耦合作用，可以明显提高InAs量子点的光致发光强度。当在GaAs 盖层表面生长In纳米结构后，InAs量子点的发光可以快速转移并激发金属In 局域表面等离激元，In局域表面等离激元被激发后，在In纳米颗粒周围会形成 强的局域电场，根据费米黄金规则，这种强的局域电场可以提高InAs量子点中 电子-空穴对的辐射复合速率，因此本发明制备的高密度InAs量子点光致发光发 光强度得到明显的提高。

(2)本发明的制备方法简单有效，成本较低，增强效果明显。

附图说明

图1为本发明的实施例1的生长在GaAs衬底上的InAs量子点的结构示意 图。

图2为本发明的实施例1的生长在GaAs衬底上的InAs量子点的制备方法 的流程图。

图3为本发明的实施例1的生长在GaAs衬底上的InAs量子点的原子力显 微镜照片。

图4为本发明的实施例1的生长在GaAs衬底上的InAs量子点在覆盖In纳 米结构前后的室温光致发光谱。

具体实施方式

下面结合实施例，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不 限于此。

实施例1

如图1所示，本实施例的生长在GaAs衬底上的InAs量子点，由下至上依 次包括GaAs衬底1、InAs量子点层2、GaAs盖层3和In纳米结构层4。

如图2所示，本实施例的生长在GaAs衬底上的InAs量子点的制备方法， 包括以下步骤：

(1)对GaAs(115)A衬底进行清洗：

GaAs(115)A衬底依次在三氯乙烯、丙酮、乙醇超声清洗10分钟，去除 表面有机物，最后在去离子水中超声清洗15分钟后用氮气吹干；

(2)GaAs(115)A衬底进行除气和脱氧预处理：送入分子束外延系统进 样室预除气半小时，完成除气后送入生长室，在砷束流保护下，高温退火去除 衬底表面的氧化膜层，其中脱氧过程中砷源的温度为270℃，衬底温度为 600℃，时间为10分钟；

(3)GaAs(115)A衬底上生长InAs量子点层：利用分子束外延生长InAs 量子点，生长过程中铟源温度为800℃，砷源温度为300℃，衬底温度为510℃， 生长时间为12s；

如图3所示，本实施例的InAs量子点层中InAs量子点的密度为2×10¹⁰cm^-2，量子点的平均高度为8纳米，平均直径为12纳米；

(4)在InAs量子点层上覆盖GaAs盖层：采用分子束外延生长GaAs盖 层，生长过程中的镓源温度为880℃，砷源温度为290℃，衬底温度为450℃， 生长时间为300s；GaAs盖层的厚度为8纳米；

(5)在GaAs盖层表面沉积In纳米结构层：采用电子束蒸发方式生长， 生长过程中电子束的功率为80W，衬底温度为450℃，生长时间为200s；所 述In纳米结构的平均直径为50纳米。

图4为覆盖In纳米结构前后的高密度InAs量子点的光致发光谱，光谱在 77K条件下测试，其中InAs量子点@In为本发明的覆盖In纳米结构后的高密度 InAs量子点。从图中可以看出，对GaAs(115)A衬底上直接生长的InAs量子 点，光致发光谱中以衬底发光为主，还可以观察到微弱的浸润层发光(830纳 米)，对应于InAs量子点的光致发光十分微弱，即使将其强度提高6倍后仍十 分弱。而当在InAs量子点表面覆盖In纳米结构后，一方面可以观察到明显的浸 润层发光，同时InAs量子点的激子发光强度明显提高，发光强度相对覆盖In纳 米结构前提高150倍。

在InAs量子点表面覆盖GaAs盖层后生长In纳米结构，由于In局域表面 等离激元与量子点激子发光的相互耦合作用，可以明显提高InAs量子点的光致 发光强度。当在GaAs盖层表面生长In纳米结构后，InAs量子点的激子发光可 以快速转移并激发金属In局域表面等离激元，而In局域表面等离激元被激发后， 在In纳米颗粒周围会形成强的局域电场，根据费米黄金规则，这种强的局域电 场可以提高InAs量子点中电子-空穴对的辐射复合速率，因此本发明制备的高密 度InAs量子点光致发光发光强度得到明显的提高。

实施例2

本实施例的生长在GaAs衬底上的InAs量子点的制备方法，包括以下步骤：

(1)对GaAs(115)A衬底进行清洗：

GaAs(115)A衬底依次在三氯乙烯、丙酮、乙醇超声清洗10分钟，去除 表面有机物，最后在去离子水中超声清洗15分钟后用氮气吹干；

(2)对GaAs(115)A衬底进行除气和脱氧预处理：送入分子束外延系 统进样室预除气半小时，完成除气后送入生长室，在砷束流保护下，高温退火 去除衬底表面的氧化膜层，其中脱氧过程中砷源的温度为270℃，衬底温度为 620℃，时间为10分钟；

(3)在GaAs(115)A衬底上生长InAs量子点层：利用分子束外延生长 InAs量子点，生长过程中铟源温度为810℃，砷源温度为300℃，衬底温度为 550℃，生长时间为20s；

InAs量子点层中InAs量子点的密度为2×10¹⁰cm^-2，量子点的平均高度为 10纳米，平均直径为20纳米；

(4)在InAs量子点层上覆盖GaAs盖层：采用分子束外延生长GaAs盖 层，生长过程中的镓源温度为950℃，砷源温度为350℃，衬底温度为350℃， 生长时间为350s；所述GaAs盖层的厚度为10纳米；

(5)在GaAs盖层表面沉积In纳米结构层：采用电子束蒸发方式生长，生 长过程中电子束的功率为65W，衬底温度为400℃，生长时间为350s；所述 In纳米结构的平均直径为60纳米。

本实施制备得到的光致发光的高密度InAs量子点的测试结果与实施例1相 似，在此不再赘述。

实施例3

本实施例的生长在GaAs衬底上的InAs量子点的制备方法，包括以下步骤：

(1)对GaAs(115)A衬底进行清洗：

GaAs(115)A衬底依次在三氯乙烯、丙酮、乙醇超声清洗10分钟，去除 表面有机物，最后在去离子水中超声清洗15分钟后用氮气吹干；

(2)GaAs(115)A衬底进行除气和脱氧预处理：送入分子束外延系统进 样室预除气半小时，完成除气后送入生长室，在砷束流保护下，高温退火去除 衬底表面的氧化膜层，其中脱氧过程中砷源的温度为270℃，衬底温度为 570℃，时间为5分钟；

(3)GaAs(115)A衬底上生长InAs量子点层：利用分子束外延生长InAs 量子点，生长过程中铟源温度为700℃，砷源温度为270℃，衬底温度为450℃， 生长时间为8s；

本实施例的InAs量子点层中InAs量子点的密度为2×10¹⁰cm^-2，量子点的 平均高度为6纳米，平均直径为10纳米；

(4)在InAs量子点层上覆盖GaAs盖层：采用分子束外延生长GaAs盖 层，生长过程中的镓源温度为800℃，砷源温度为250℃，衬底温度为550℃， 生长时间为200s；所述GaAs盖层的厚度为4纳米；

(5)在GaAs盖层表面沉积In纳米结构层：采用电子束蒸发方式生长，生 长过程中电子束的功率为90W，衬底温度为600℃，生长时间为200s；所述 In纳米结构的平均直径为40纳米。

本实施制备得到的光致发光的高密度InAs量子点的测试结果与实施例1相 似，在此不再赘述。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实 施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、 替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。