一种GAAS基INAS量子环的制备方法.pdf

本发明提供一种GaAs基InAs量子环材料的制备方法，属于半导体物理和固态量子信息材料领域。该领域已知技术制备量子环的方法，是使用复杂的光刻技术制备量子环或利用MBE(分子束外延)技术自组织方法制备量子环。利用光刻技术制备的量子环，制备工艺复杂，成本高，且容易引入缺陷。而采用MBE技术自组织方法制备量子环，相对来说比较简单，即首先生长自组织量子点，然后生长一层极薄的覆盖层将量子点部分覆盖，最后经过退火过程，量子点就会自发转变成纳米自组织量子环。利用该方法制备的量子环的优点是尺寸可以做得很小，且量子环中缺陷大大地降低。本发明采用MOCVD(金属有机化学气相沉积)技术生长各外延层，通过改变各外延层的生长参数，包括InAs量子点层和GaAs覆盖层的生长温度，生长速率，厚度，以及退火温度和时间等，获得了椭圆形InAs量子环。该方法易于控制，工艺稳定。量子环在纳米器件方面具有很好的应用前景。

1、  一种量子环材料的外延层结构，其特征在于，采用MOCVD外延技术生长各外延层；制备步骤包括：在GaAs衬底上依次生长GaAs过渡层、InAs量子点层、GaAs覆盖层。

2、  一种量子环材料的制备方法，其特征在于，步骤包括：在GaAs衬底上生长GaAs层，厚度为100-200nm，生长温度为650-700℃范围内的一个温度，然后降低温度到490-560℃范围内的一个温度；在490-560℃范围内的一个温度，依次生长InAs量子点层和GaAs覆盖层。

3、  根据权利要求2所述的量子环材料的制备方法，其特征在于，所述InAs量子点层的生长速率为0.005-0.05个单原子层/秒(ML/s)，厚度为1.8-2.8ML；GaAs覆盖层的生长速率为0.1-1nm/s，厚度为0.5-3.0nm。

4、  根据权利要求2所述的量子环材料的制备方法，其特征在于，在生长GaAs覆盖层后在线退火，退火温度为490-690℃范围内的一个温度，退火时间为20-200秒(s)。

一种GaAs基InAs量子环的制备方法
技术领域
本发明涉及半导体物理和固态量子信息材料领域，更具体地，本发明涉及一种采用金属有机化学气相沉积(MOCVD)技术制备GaAs基InAs量子环材料的方法。
背景技术
半导体量子点和量子环等低维结构是近年来半导体物理和固态量子信息材料领域最重要研究内容之一，尤其是GaAs基InAs量子点和量子环材料及器件是国际上前沿的研究课题之一。量子点具有类似于原子的分立能级，这使它的性质远比高维度的量子阱和量子线更为独特，各种量子化效应，诸如量子尺寸效应、量子干涉效应、量子隧穿效应和库仑阻塞效应等，更加显著。这些效应直接影响量子点的电子结构、输运和光学等各种物理性质，在新一代的量子器件中有十分诱人的应用前景。
量子点的外延生长目前最主要的方法是自组织(SK)生长.它适用于晶格失配较大，但应变外延层和衬底间的界面能不是很大的异质结材料体系。SK外延生长初始阶段是二维层状生长，通常只有几个原子层厚，随着层厚的增加，应变能不断积累，当达到某一个临界厚度时，外延生长则由二维层状生长过渡到三维岛状生长，以降低系统的能量。三维岛状生长初期形成的纳米量级尺寸的小岛周围是无位错的。若用禁带宽度大的材料将其包围起来，小岛中的载流子受到三维限制，成为量子点。所采用的外延生长设备为分子束外延生长(MBE)、化学束外延生长(CBE)和金属有机化学气相沉积(MOCVD)。
同量子点一样，三维受限的量子环在电学、光学和磁学的理论和实验方面都引起了极大的关注。不仅如此，理论和实验研究表明，量子点和量子环在光、电和磁学等方面有明显的不同。同量子点相比，量子环中心有一个圆孔，能对电子形成环形的限制势阱，因而具有显著不同与量子点的光、电和磁学性质。量子环很快成为近几年来研究的热点，利用这种环状结构可以观察到著名的AB(Aharonov-Bohm-oscillations)效应和局域化超导电流。理论研究表明，半导体量子环的电子结构和磁性随电子数目而变化，当量子环含有一系列特定数目的电子时，具有自发的铁磁态。量子环在纳米器件方面具有很好的应用前景，例如量子环中的电子在顺时针环绕和逆时针环绕是分别对应0，1两态，该特性有可能在将来应用于高密度数字存储器件。
然而迄今为止，制备量子环的方法非常有限。主要包括两大类：即使用复杂的光刻技术制备量子环和自组织方法制备量子环。利用光刻技术制备的量子环，制备工艺复杂，成本高，且容易引入缺陷。而自组织方法制备量子环相对来说比较简单，即首先生长自组织量子点，然后生长一层极薄的覆盖层将量子点部分覆盖，最后经过退火过程，量子点就会自发转变成纳米自组织量子环。利用该方法制备的量子环的尺寸可以做得很小，量子环中缺陷大大地降低。
发明内容
我们提出了一种GaAs基InAs量子环的制备方法。
本发明是这样实现的，采用MOCVD外延技术生长各外延层；制备步骤包括：在GaAs衬底上依次生长GaAs过渡层、InAs量子点层、GaAs覆盖层；所述InAs量子点的生长速率为0.005-0.05个单原子层/秒(ML/s)，厚度为1.8-2.8ML。GaAs覆盖层的生长速率为0.1-1nm/s，厚度为0.5-3.0nm。在生长GaAs覆盖层后在线退火，退火温度为490-690℃范围内的一个温度，退火时间为20-200秒(s)。
本发明的技术效果在于采用MOCVD技术制备出能够制作GaAs基InAs量子环材料。如图1所示，表示的是量子环表面3×3μm²原子力显微镜(AFM)图。本发明之方法易于控制，工艺稳定。
附图说明
图1是采用本发明之方法制备出的InAs量子环材料的3×3μm²AFM图，该图兼作摘要附图。图2是InAs量子环的局部放大图，从该图可知，InAs量子环为椭圆形。图3是椭圆形InAs量子环长轴方向的截面图。
具体实施方式
本发明是这样实现的，采用MOCVD外延技术制备量子环材料，制备步骤包括：
步骤1：在GaAs衬底上生长GaAs过渡层，生长温度为650-700℃范围内的一个温度，生长厚度为200nm；
步骤2：在GaAs过渡层上生长InAs量子点层，温度为490-560℃范围内的一个温度；InAs量子点的生长速率为0.005-0.05个单原子层/秒(ML/s)，厚度为1.8-2.8ML。
步骤3：在InAs量子点层上生长GaAs覆盖层，生长温度为490-560℃范围内的一个温度，GaAs覆盖层的生长速率为0.1-1nm/s，厚度为0.5-3.0nm。
步骤4：在生长GaAs覆盖层后在线退火，退火温度为490-690℃范围内的一个温度，退火时间为20-200秒(s)。
下面举例进一步说明本发明之方法：
实施例一：采用MOCVD外延技术生长InAs量子环材料层，制备步骤包括：
步骤1：在GaAs衬底上生长GaAs过渡层，生长温度为700℃，生长厚度为200nm；
步骤2：在GaAs过渡层上生长InAs量子点层，温度为520℃；InAs量子点的生长速率为0.01个单原子层/秒(ML/s)，厚度为2.1ML。
步骤3：在InAs量子点层上生长GaAs覆盖层，生长温度为520℃范围内的一个温度，GaAs覆盖层的生长速率为0.3nm/s，厚度为2.0nm。
步骤4：在生长GaAs覆盖层后在线退火，退火温度为520℃，退火时间为100秒(s)。
所获得的InAs量子环的面密度约为8.5×10⁸，如图1所示。椭圆形量子环中心圆孔的深度约为2.0-2.3nm，长轴方向的直径约为90-110nm，如图3所示。