[发明专利]InAs/GaAsSb量子点的分子束外延生长方法

说明书

技术领域

本发明属于半导体光电器件制备技术领域，特别涉及应力自组装的一种InAs/GaAsSb量子点的分子束外延生长方法。

背景技术

应力自组装量子点是最容易与现有光电器件工艺相集成的一类半导体量子点。基于InAs量子点的低阈值激光器已经实现小批量应用，而GaAsSb合金的能级结构可通过组分变化进行较大范围的调节，将InAs量子点与GaAsSb结合起来给能带工程的实施提供了更广阔的空间。

目前，人们用锑化物合金设计出众多性能独特的器件结构，但仍有一些因素限制了锑化物器件发展应用，包括锑化物合金生长组分可控性差，在外延生长锑化物时候，偏析严重，锑元素容易积累在外延表面，这对原子在表面的迁移、扩散，以及后续的器件工艺优化都有很大影响。另外，在外延生长GaAsSb合金过程中，As、Sb黏附系数相差较大，同时这项差别受温度影响明显：在较低温度下，合金组分主要由As束流决定，而高温下又主要由Sb束流决定；同时由于MBE生长无法实现温度骤变，尤其是外延片粘In生长时无法获知精确温度，这使得锑化物合金组分的控制成为技术难题。这中间还夹杂着As/Sb互换等问题使得问题变得更加复杂。

本发明在深入研究As/Sb互换过程及InAs量子点自组装生长机理的基础上，提出了一种先制备锑含量低GaAsSb合金薄层，然后生长InAs量子点的分子束外延生长方法。该方法的生长过程由热力学参数决定，制得的GaAsSb合金受工艺条件影响小，成分容易控制，获得了密度可控的InAs/GaAsSb量子点，为锑化物合金基InAs量子点的在太阳能电池、光电探测器等领域的应用奠定基础。

发明内容

本发明的目的是提供一种InAs/GaAsSb量子点的分子束外延生长方法，其特征在于，采用先制备锑含量低GaAsSb合金薄层，然后生长InAs量子点的分子束外延生长工艺制备应力自组装GaAs基InAs/GaAsSb量子点，具体步骤如下：

a.GaAs基片脱氧处理：使用固源MBE(分子束外延)设备，As、Sb裂解源束流以As₄和Sb₄为主，用半绝缘GaAs(100)衬底，进行衬底加热、保温脱氧处理；

b.GaAs缓冲层的生长：在衬底脱氧完全后，首先生长180-230nm厚的GaAs缓冲层，以减小衬底表面质量对后续生长的影响；

c.GaAsSb外延层的制备：缓冲层生长结束后，关闭Ga源快门，同时保持As保护气氛，使衬底降到工艺中指定的温度，待温度达到后，关闭As快门，并打开Sb阀门和快门，使样品的GaAs表面暴露在Sb束流下20-40秒，在Sb束流作用下，GaAs表面的部分As原子会和Sb发生置换反应，形成GaAsSb薄层；

d.InAs量子点的生长：关闭Sb快门的同时，恢复As快门，同时升温或者降温到InAs生长温度，温度到后，开始沉积InAs量子点同时密切关注RHEED(反射式高能电子衍射)花样变化，以精确获得临界转变厚度，对于观察形貌的样品，InAs沉积量达临界转变后及时停止生长并降温取出；其中，临界转变厚度在几纳米到几十纳米之间调整；

e.InAs盖层的制备：对于观察光谱的样品，在InAs生长温度下，先沉积3-8nm低温GaAs，而后升温再沉积40-60nm GaAs。

所述步骤a中GaAs(100)衬底，是通美晶体公司的‘epi-ready’级半绝缘GaAs(100)衬底。

所述步骤a中衬底脱氧所用温度均由RHEED观察到脱氧温度重新标定，初试温度为380-420℃，保持30-50分钟。

所述步骤b中GaAs缓冲层生长速率控制在0.6-1.2μm/h，生长温度在570-590℃，V/III比(沉积过程中V族元素和III族元素束源的束流比)在15-25之间。

所述步骤c中指定的温度为GaAsSb生长温度，在480-500℃之间，Sb速流在1×10^-7-2×10^-7Torr之间

所述步骤d中InAs生长温度为480-500℃之间，In速流在1×10^-8Torr以下。

所述步骤e中GaAs盖层生长温度在570-590℃，V/III比在15-25之间。