[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

摘要

用分子束外延工艺制备II型量子阱的方法及设备，在衬底上生长缓冲层、隔离层、势阱层、势垒层、势阱层、隔离层及覆盖层；使用的设备为双生长室分子束外延系统，包括III-V族和II-VI族两个生长室。每个均带有固体源蒸发器、五维可调样品架、四极质谱仪以及反射式高能电子衍射仪等；两生长室之间用超高真空传输管道连接以便样品的传送；超高真空传输管道备有抽气装置，且与两端所连接的两个生长室分别用插板阀隔开；样品架和固体源蒸发器都分别接有加热丝。本发明可用于光通信、量子信息存储和处理及半导体激光器等光电器件领域。

主权项

1、一种用分子束外延工艺制备II型量子阱的方法，步骤如下：1)将(001)取向的砷化镓衬底用铟固定在钼样品托上；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仪在方向上进行观察，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；6)稳定5分钟后，将衬底温度由620℃逐渐降至580℃，降温方法为阶梯式，即每次降温设定为降5℃，达到设定温度时再设定下一次，分8次完成降温；降温开始后，通过RHEED仪观察图像没有什么异常变化时，将As源关掉，并将As源温度由295℃调至100℃；7)将衬底温度由580℃逐渐降至500℃，降温方法为阶梯式，每次降10℃；之后，再将衬底温度由500℃逐渐降至300℃，整个降温过程分10次进行，每次降温间隔为20℃；8)观察RHEED仪图像没有什么异常变化，此时可将RHEED仪关掉，在确定III-V族生长室的真空度变为7.5×10-9Torr以下后，将用来加热衬底的电源关掉，并准备将衬底通过高真空传输管道传向II-VI族生长室；9)在确定II-VI族生长室的真空度为1×10-10Torr以下且II-VI族生长室里的Zn、Be、Te、Se和Mg源的温度分别加热到150、820、150、50和200℃以后，再把衬底由III-V族生长室通过超高真空传输管道传送到II-VI族生长室；将衬底升温至300℃~350℃，并将Zn、Be、Te、Se和Mg源的温度再分别升温至307、1065、320、202和322.5℃；10)BeTe缓冲层的生成：当Be、Te源的温度分别达到1065和320℃后，稳定30分钟，打开Be、Te源的挡板，Be分子束和Te分子束照射在衬底的表面，此时开始生长BeTe缓冲层；用RHEED仪进行实时监控或用计算机进行设定、控制，当BeTe缓冲层的生长厚度约为5ML时，生长结束，然后先关掉Be源，等大约5秒钟后，随后再关掉Te源，使表面富Te；11)Zn0.77Mg0.15Be0.08Se隔离层的生长：先打开Zn源的挡板，再打开Se、Be和Mg源的挡板进行Zn0.77Mg0.15Be0.08Se隔离层的生长，此时分别有Zn分子束、Se分子束、Be分子束和Mg分子束同时照射在衬底的表面，当隔离层生长厚度为200~1000nm时，结束生长，先关闭Se、Be、Mg源，约5~10秒钟后再关闭Zn源；12)ZnSe势阱层的生长：打开Zn、Se源，使二者同时照射在衬底表面上，Zn、Se固体源的温度分别保持在307和202℃，当ZnSe层生长的厚度为4~80ML时，生长结束，先关闭Se源，经过约5~10秒后再关闭Zn源，以便形成富Zn表面层；13)BeTe势垒层的生长：Be、Te源的温度分别保持在1065和320℃，打开Te源，经过5~10秒后再打开Be源开始生长BeTe势垒层，当BeTe层生长的厚度约为10ML时，生长结束，先关闭Be源，经过约5~10秒后再关闭Te源，以便形成富Te表面层，此时可将Te源的温度降至150℃；上述生长过程能够在ZnSe和BeTe之间的界面处得到Zn-Te形式的化学键；14)ZnSe势阱层的生长：打开Zn源，经过5~10秒后再打开Se源生长ZnSe势阱层，Zn、Se固体源的温度分别保持在307和202℃，当ZnSe层生长的厚度为4~80ML时，生长结束，先后关闭Se源和Zn源；上述生长过程能够在BeTe和ZnSe之间的界面处得到Te-Zn形式的化学键；15)重复步骤11)的隔离层的生长过程可得到200~1000nm厚的Zn0.77Mg0.15Be0.08Se隔离层；生长结束时要先关闭Se、Be、Mg源，约10秒钟后再关闭Zn源，这样可在样品的顶部生长一层Zn作为覆盖层，以保护样品不受腐蚀；生长结束后，将衬底温度设为150℃并使之降温，同时也将Zn、Se、Be和Mg源的温度分别设定为100、50、820和150℃并使之降温；当衬底温度降至150℃并确认Se源的温度降至100℃以下后，将样品从生长室中取出，即可得到完整的ZnSe/BeTe/ZnSe形式的量子阱材料。