[发明专利]用分子束外延工艺制备Ⅱ型量子阱的方法及设备

说明书

技术领域

本发明涉及一种制备II型量子阱的的方法及设备，特别涉及一种用分子束外延生长方法制备一种由II-VI族化合物半导体构成的ZnSe/BeTe II型量子阱的方法及设备。

背景技术

由于纳米量子结构中的受限电子、光子呈现出许多与它们在三维大结构中十分不同的、物理内容十分丰富的新量子现象和效应，因此，对于低维半导体领域的光学研究正引起人们的广泛关注和越来越浓厚的兴趣，并为此做了大量的工作。

量子阱结构是观察和研究高密度现象(如带电激子，激子分子、激子聚合物及玻色-爱因斯坦凝聚等)的重要手段之一，对于理解和探明包括自旋态在内的许多光学过程的发光机制和起源正起着日益重要的作用。根据公开的量子阱结构种类主要有I型(type-I)量子阱和有III-V族化合物半导体组成的II型量子阱结构。美国学术期刊杂志《Physical Review B》(2001年，第64卷，第245339页，“Time-resolved photoluminescence of InxGa1-xN/GaN multiplequantum well structures：Effect of Si doping in the barriers”)公开了用I型量子阱结构研究光致发光的实验结果(C.K.Choi，et al.，64(2001)245339)。但由于这种I型量子阱结构中受激产生的电子和空穴是处在同一阱层中，它们的波函数几乎完全重合，所以空间直接再结合(spatially direct recombination)发光寿命较小(在低温下一般约为皮秒(ps)数量级)。因此该结构对于观察凝聚态现象存在不足之处。美国学术期刊杂志《Physical Review B》(2000年，第61卷，第10782页，“Theory of electronic and optical properties of bulk AlSb and InAs andInAs/AlSb superlattices”)公开了用III-V族化合物半导体组成的II型量子阱结构研究光致发光的实验结果(G.Theodorou，et al.，61(2000)10782)。但由于该结构在异质结界面处有较小的导带(或价带)落差(导带落差约为ΔE_C＝1.35eV，价带落差约为ΔE_V＝0.13eV)，使得受激产生的电子和空穴发生空间分离后(即电子和空穴分别处在不同的阱层)仍然在界面处有较大的波函数重叠，因此其空间间接再结合发光的寿命与I型量子阱结构中的空间直接再结合发光的寿命相比虽然有了较大的增加，但对于观察凝聚态现象仍不理想。

发明内容

为了克服现有结构的缺陷和不足，本发明提出了一种用II-VI族化合物半导体(ZnSe和BeTe)通过分子束外延(MBE)生长方法制备II型量子阱结构的方法。

一种用分子束外延工艺制备II型量子阱的方法，步骤如下(参考附图1和附图2)：

1、将(001)取向的砷化镓衬底用铟(In)固定在钼(Mo)样品托上；

2、通液氮冷却生长室，在确认III-V族生长室真空度为1×10-10Torr以下后，通过磁力传送杆把样品传送到III-V族生长室里；将样品托、装有As固体源的K-cell容器和装有Ga固体源的K-cell容器加热升温，使之达到设定的温度分别为300℃、100℃和750℃；

3、调整As源K-cell容器的温度，使之由100℃开始升温到295℃后，再将样品托和Ga源K-cell容器的温度分别设定为550℃和915℃，并开始升温，同时打开As源K-cell容器的挡板，As分子束照射在衬底上，以补偿因衬底温度升高而造成的衬底表面As的蒸发，并使得衬底表面上As的蒸发与附着达到平衡；

4、待Ga源K-cell容器升至915℃后，再将样品托升温至620℃，升温期间可通过反射式高能电子衍射(RHEED仪)仪在[1ī0]方向上进行观察，如果能观察到清晰的条纹出现，则说明在此温度下已经去除衬底表面的氧化物并获得清洁有序的衬底表面；

5、GaAs缓冲层的生成：打开温度已升至915℃的Ga源K-cell容器的挡板，Ga分子束照射在衬底上；此时Ga和As的分子束同时照射在衬底表面，GaAs缓冲层的生长开始，生长时间为24~120分钟，GaAs缓冲层的厚度可达到200~1000nm，此时将Ga源关掉，并将Ga源K-cell容器的温度由915℃降至750℃，之后再降至300℃，并通过RHEED仪可观察到此时的衬底有一个清洁、平整和有序的表面；