專利名稱：以原位垂直超晶格為模板定位生長量子線或點(diǎn)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體低維納米結(jié)構(gòu)量子線或點(diǎn)材料的定位生長和工藝控制技術(shù)領(lǐng)域，特別是指一種屬于一種以原位垂直超晶格為模板定位生長量子線或點(diǎn)的方法。
背景技術(shù)：
量子線(點(diǎn))等低維半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)材料在未來的納米電子學(xué)、光子學(xué)等方面有著極其重要的應(yīng)用前景。這方面的研究引起了國內(nèi)外科技工作者的極大關(guān)注，成為了材料研究的新熱點(diǎn)。就量子線(點(diǎn))的制備方法而言，應(yīng)用S-K生長模式原位自組織生長量子線(點(diǎn))材料是一種最有希望制備器件級量子線(點(diǎn))材料的方法。目前應(yīng)用S-K生長模式已經(jīng)制備出了高密度的自組織量子線(點(diǎn))材料和三維的量子線(點(diǎn))陣列。然而應(yīng)用自組織方法制備量子線(點(diǎn))材料存在與自組織過程相關(guān)的固有缺點(diǎn)，例如量子線(點(diǎn))的成核位置在生長表面二維隨機(jī)分布，造成它們的尺寸漲落較大，同時(shí)存在量子線(點(diǎn))橫向互連現(xiàn)象，這些缺點(diǎn)將會(huì)嚴(yán)重?fù)p害量子線(點(diǎn))材料的光學(xué)和電學(xué)性能，例如尺寸漲落導(dǎo)致發(fā)光峰的非均勻展寬，使得只有一小部分量子線(點(diǎn))對激光器發(fā)光有貢獻(xiàn)，降低了光增益，影響了閾值電流的進(jìn)一步降低。因此實(shí)現(xiàn)量子線(點(diǎn))的定位生長和提高量子線(點(diǎn))的有序性對于進(jìn)一步提高量子線(點(diǎn))的光學(xué)和電學(xué)性能具有非常重要的意義。
為了實(shí)現(xiàn)自組織量子線(點(diǎn))材料的定位生長，人們主要采用圖形化襯底的方法。目前制備圖形化襯底的方法主要用光刻或電化學(xué)的方法制備出具有一定規(guī)則排列的圖形，然后在圖形化模板上進(jìn)行自組織量子線(點(diǎn))材料的定位生長。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是能夠較精確的控制圖形的尺寸和分布特征，但是它的缺點(diǎn)是工藝過程復(fù)雜、容易造成雜質(zhì)污染、制備周期長和不易大面積制備，同時(shí)這種方法與分子束外延工藝不兼容，易于在生長過程中對超高真空的分子束外延生長室造成污染。最近也有人報(bào)道了應(yīng)用超晶格解理面作為圖形化襯底進(jìn)行自組織量子線(點(diǎn))定位生長的方法，這種方法同樣具有工藝過程復(fù)雜和不容易大面積制備的缺點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提供一種以原位垂直超晶格為模板定位生長量子線或點(diǎn)的方法，該方法具有工藝過程簡單、與分子束外延工藝兼容和易于大面積制備的優(yōu)點(diǎn)，使自組織量子線或點(diǎn)材料在生長表面分布的二維有序性大幅度提高，從而達(dá)到大幅度提高低維半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)材料光學(xué)和電學(xué)性能的目的。
本發(fā)明一種以原位垂直超晶格為模板定位生長量子線或點(diǎn)的方法，其特征在于，包括如下步驟
步驟1選擇一襯底；步驟2在該襯底的鄰位面上用分子束外延工藝生長銦鋁砷或銦鎵砷材料的緩沖層；步驟3生長完緩沖層后在砷壓保護(hù)下停頓2～5分鐘；步驟4然后進(jìn)行砷化銦量子線或點(diǎn)層的生長，完成以原位形成的垂直超晶格為模板定位生長量子線或點(diǎn)。
其中襯底為磷化銦襯底。
其中銦鋁砷或銦鎵砷材料的緩沖層生長過程中，砷壓保護(hù)中的砷壓為4～8×10-6Torr，銦鋁砷或銦鎵砷材料的緩沖層生長速率為0.5～0.9μm/h，V/III束流比為10～20，生長厚度為100～500nm，生長溫度為505～515℃。
其中進(jìn)行砷化銦量子線或點(diǎn)層的生長，砷化銦的生長溫度為495～505℃，生長速率為0.2～0.4μm/h，V/III束流比為15～20。
其中緩沖層包括由富銦區(qū)和富鋁區(qū)或富鎵區(qū)形成的原位垂直超晶格。


圖1是本發(fā)明中應(yīng)用銦鋁砷(InAlAs)層中原位形成的垂直超晶格模板進(jìn)行InAs量子線定位生長的示意圖，其中(a)、(b)淀積砷化銦(InAs)前InAlAs緩沖層中自發(fā)垂直超晶格的形貌示意圖，(c)、(d)為InAs量子線定位生長的示意圖。
圖2(a)和(b)分別給出了沿量子線方向觀察獲得的透射電鏡暗場像g＝002，圖2(a)對應(yīng)于(001)正襯底試樣；圖2(b)對應(yīng)于(001)鄰位面試樣。
圖3是77K下樣品的光致發(fā)光譜，其中(a)對應(yīng)于在InP(001)正襯底上生長的樣品，(b)對應(yīng)于在InP(001)向[110]方向偏8°的鄰位面樣品。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明選取的襯底、緩沖層和量子線(點(diǎn))層的參數(shù)為磷化銦(InP)(001)向[110]方向偏斜4～8°的鄰位面襯底；緩沖層材料為與InP襯底有一定負(fù)失配度的InxAl1-xAs或銦鎵砷(InyGa1-yAs)材料，其中x分別滿足0.50≥x≥0.48和0.51≥y≥0.49；InAs量子線(點(diǎn))的淀積厚度為3～8MLs.
本發(fā)明的具體工藝過程為請參閱圖1所示，本發(fā)明一種以原位垂直超晶格為模板定位生長量子線或點(diǎn)的方法，包括如下步驟步驟1選擇一襯底10，該襯底10為磷化銦襯底；步驟2在該襯底10的鄰位面上用分子束外延工藝生長銦鋁砷或銦鎵砷材料的緩沖層11，該緩沖層11包括由富銦區(qū)和富鋁區(qū)或富鎵區(qū)形成的原位垂直超晶格；步驟3生長完緩沖層11后在砷壓保護(hù)下停頓2～5分鐘，其中砷壓保護(hù)中的砷壓為4～8×10-6Torr，銦鋁砷材料的緩沖層的生長速率為0.5～0.9μm/h，V/III束流比為10～20，生長厚度為100～500nm，生長溫度為505～515℃；步驟4然后進(jìn)行砷化銦量子線或點(diǎn)12層的生長，其中進(jìn)行砷化銦量子線或點(diǎn)12層的生長，砷化銦的生長溫度為495～505℃，生長速率為0.2～0.4μm/h，V/III束流比為15～20，完成以原位形成的垂直超晶格為模板定位生長量子線或點(diǎn)12。
樣品微觀結(jié)構(gòu)和光學(xué)性能研究表明用以上工藝生長的自組織量子線(點(diǎn))材料的有序性和尺寸均勻性得到了大幅度的改善，材料的發(fā)光效率顯著增加，光譜的半高寬大幅降低。
本發(fā)明所涉及的自組織量子線或點(diǎn)材料定位生長方法，在InP(001)鄰位面襯底上InxAl1-xAs或InyGa1-yAs緩沖層材料生長過程中自發(fā)形成了沿[110]方向排列的垂直超晶格結(jié)構(gòu)，這種周期性良好的垂直超晶格結(jié)構(gòu)是由自發(fā)形成的富In區(qū)和富Al(或Ga)區(qū)組成。隨后生長的InAs量子線(點(diǎn))優(yōu)先在富In區(qū)成核生長，從而實(shí)現(xiàn)了自組織InAs量子線(點(diǎn))定位生長的目的，圖1給出了本發(fā)明的示意圖。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于利用在緩沖層11生長過程中自發(fā)形成的垂直超晶格作為原位模板進(jìn)行自組織InAs量子線或點(diǎn)的定位生長，工藝成本低，工藝過程簡單，能與分子束外延生長工藝很好的兼容，易于大面積制備自組織InAs量子線或點(diǎn)材料。
本發(fā)明的實(shí)施例為結(jié)合參閱圖1所示，以完全相同的生長條件在InP(001)正襯底10和相對
偏離8°度的鄰位面襯底10上生長了300nm的In0.496Al0.504As緩沖層11，然后生長了4分子單層(MLs)的InAs量子線層和80nm的In0.496Al0.504As蓋層。材料生長過程中的砷壓保持在5×10-6Torr。具體的材料生長工藝條件為在砷壓保護(hù)下使InP襯底脫氧，然后在510℃生長300nm In0.496Al0.504As緩沖層11，V/III束流比為15，生長速率為0.667μm/h。在砷壓保護(hù)下，停頓3分鐘。隨后進(jìn)行4MLs InAs量子線或點(diǎn)12層的生長，生長溫度為500℃，生長速率為0.336μm/h。如圖2(a)和(b)所示分別給出了沿量子線方向觀察獲得的透射電鏡暗場像，圖2(a)對應(yīng)于(001)正襯底試樣；圖2(b)對應(yīng)于(001)鄰位面試樣。我們可以看到對于(001)正襯底試樣，如圖2(a)所示，在InAlAs層中沒有出現(xiàn)明顯的組分調(diào)制，在所示的B區(qū)量子線發(fā)生了明顯的橫向互聯(lián)；而對于(001)鄰位面試樣，在InAlAs緩沖層中出現(xiàn)了明顯的相分離，其中亮帶對應(yīng)富In的區(qū)域，實(shí)際上在InAlAs中自發(fā)形成了垂直超晶格結(jié)構(gòu)，自發(fā)超晶格沿[110]方向排列。如圖2(b)所示，所有的InAs自組織量子線均在富In區(qū)上成核，量子線的橫向有序性得到明顯的改善。我們的研究還表明在(001)鄰位面上生長的量子線的光學(xué)性能也得到了大幅度的改善。如圖3所示，采用本發(fā)明中提出的原位垂直超晶格模板上生長的自組織量子線材料的發(fā)光效率顯著增加，同時(shí)發(fā)光峰的半高寬比在普通(001)InP正襯底上自組織量子線的半高寬減少了50meV之多。我們從實(shí)驗(yàn)上證實(shí)了本發(fā)明對于定位生長自組織量子線(點(diǎn))材料是行之有效的。
權(quán)利要求
1.一種以原位垂直超晶格為模板定位生長量子線或點(diǎn)的方法，其特征在于，包括如下步驟步驟1選擇一襯底；步驟2在該襯底的鄰位面上用分子束外延工藝生長銦鋁砷或銦鎵砷材料的緩沖層；步驟3生長完緩沖層后在砷壓保護(hù)下停頓2～5分鐘；步驟4然后進(jìn)行砷化銦量子線或點(diǎn)層的生長，完成以原位形成的垂直超晶格為模板定位生長量子線或點(diǎn)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的以原位垂直超晶格為模板定位生長量子線或點(diǎn)的方法，其特征在于，其中襯底為磷化銦襯底。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的以原位垂直超晶格為模板定位生長量子線或點(diǎn)的方法，其特征在于，其中銦鋁砷或銦鎵砷材料的緩沖層生長過程中，砷壓保護(hù)中的砷壓為4～8×10-6Torr，銦鋁砷或銦鎵砷材料的緩沖層生長速率為0.5～0.9μm/h，V/III束流比為10～20，生長厚度為100～500nm，生長溫度為505～515℃。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的以原位垂直超晶格為模板定位生長量子線或點(diǎn)的方法，其特征在于，其中進(jìn)行砷化銦量子線或點(diǎn)層的生長，砷化銦的生長溫度為495～505℃，生長速率為0.2～0.4μm/h，V/III束流比為15～20。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的以原位垂直超晶格為模板定位生長量子線或點(diǎn)的方法，其特征在于，其中緩沖層包括由富銦區(qū)和富鋁區(qū)或富鎵區(qū)形成的原位垂直超晶格。
全文摘要
一種以原位垂直超晶格為模板定位生長量子線或點(diǎn)的方法，其特征在于，包括如下步驟步驟1選擇一襯底；步驟2在該襯底的鄰位面上用分子束外延工藝生長銦鋁砷或銦鎵砷材料的緩沖層；步驟3生長完緩沖層后在砷壓保護(hù)下停頓2～5分鐘；步驟4然后進(jìn)行砷化銦量子線或點(diǎn)層的生長，完成以原位形成的垂直超晶格為模板定位生長量子線或點(diǎn)。
文檔編號(hào)H01L33/00GK1892986SQ20051001210
公開日2007年1月10日 申請日期2005年7月7日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月7日
發(fā)明者王元立, 吳巨, 金鵬, 葉小玲, 張春玲, 黃秀頎, 陳涌海, 王占國 申請人:中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所