專利名稱：砷化銦和砷化鎵的納米結(jié)構(gòu)及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及 一 種利用液滴分子束外延技術(shù)制作半 導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)的方法，特別是指 一 種制作砷化銦和砷 化鎵的納米結(jié)構(gòu)及其制作方法。
背景技術(shù)：
半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)是納米尺度的微小曰 曰曰體結(jié)構(gòu)，由于二維或—維量子限制作用，半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)具有分的電子能級(jí)從而』1有量子尺寸效應(yīng)、量子隧穿和庫(kù)侖阻塞效應(yīng)以及非線性光學(xué)效應(yīng)等特性，是新一代固態(tài)量子器件的基礎(chǔ)更重要的是，這些特巳 幵的光電性質(zhì)兀全取決于半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)的尺寸和形狀，可以通過對(duì)生長(zhǎng)參數(shù)的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)光電性質(zhì)的人工剪裁因此半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)在未來(lái)的納米電子學(xué)、光子學(xué)和新一代超大規(guī)模集成電路方面有重要的應(yīng)用刖旦 足。早期制備半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)主要采用白上而下的方
法，通過光刻、電子束曝光等精細(xì)加工手段對(duì)量子阱 材料進(jìn)行刻蝕，從而獲得納米尺寸的半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)。 該方法的優(yōu)點(diǎn)是量子點(diǎn)分布、尺寸、形狀(在分辨率 范圍內(nèi))可控。缺點(diǎn)是刻蝕會(huì)引入缺陷和雜質(zhì)等非輻 射復(fù)合中心，嚴(yán)重影響半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)的發(fā)光效率， 另外對(duì)加工工藝和設(shè)備要求也很高，成本很高。目前制備半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)主要采用應(yīng)變自組裝的 自下而上的辦法。即在 一 種材料上外延生長(zhǎng)晶格常數(shù) 不同的另 一 種材料，隨著浸潤(rùn)層厚度的增加，應(yīng)變能 不斷積累。當(dāng)外延層厚度超過臨界厚度時(shí)，外延材料 就會(huì)從二維平面生長(zhǎng)轉(zhuǎn)變?yōu)榧{米尺寸的三維島狀生長(zhǎng)，形成半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)陣列，即S — K生長(zhǎng)模式。利用這種方法可以制備出無(wú)缺陷、高密度半導(dǎo)體納米結(jié) 構(gòu)材料，具有非常高的發(fā)光效率。例如，用應(yīng)變自組 織量子點(diǎn)材料研制的半導(dǎo)體激光器，其閾值電流已經(jīng) 比傳統(tǒng)的量子阱激光器的還要小。應(yīng)變自組裝技術(shù)無(wú)需諸如高空間分辨率的電子束 曝光和刻蝕等復(fù)雜的工藝技術(shù)，方法簡(jiǎn)單，而且不會(huì) 引入雜質(zhì)污染或形成缺陷，因此是目前制備量子點(diǎn)材 料最常用的方法。但是由于應(yīng)變自組織成核的隨機(jī)性， 其形狀、尺寸和空間分布雖可通過優(yōu)化生長(zhǎng)工藝在一 定范圍內(nèi)加以調(diào)整，卻難以做到準(zhǔn)確控制，存在著均
勻性和有序性差的問題，阻礙了半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)的實(shí) 際應(yīng)用。另外，自組織方法只適用于晶格失配較大的 材料體系，對(duì)于晶格完全匹配的材料體系則不適用。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的巨的是提供一種砷化銦和砷化鎵的納米幺士 5口構(gòu)及苴 / 、制作方法，主要是通過在勢(shì)壘層上形成三族元素的液滴和五族元素反應(yīng)后曰 曰曰化生成半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)。這種方法可以用于制作發(fā)光器件和電子器件的有源層，制備出閾值電流低、溫度特性好的激光器以及新型的電子器件。本發(fā)明的技術(shù)方案如下本發(fā)明種砷化銦和砷化鎵的納米結(jié)構(gòu)，其特征在于，包括:襯底一緩沖層，該緩沖層制作在襯底上，以避免襯底上的缺陷—第一勢(shì)壘層，該第一勢(shì)壘層制作在緩沖層上，起到限制載流子作用銦或鎵的第一液滴層，該銦或鎵的第一液滴層制作在第勢(shì)壘層表面
一第二勢(shì)壘層，該第'二勢(shì)壘層制作在銦或鎵的液滴層的上面，保持原來(lái)的溫度生長(zhǎng)，以避免破壞納米結(jié)構(gòu)一第三勢(shì)壘層，該第三勢(shì)壘層制作在第二勢(shì)壘層上，采用咼溫生長(zhǎng)，以得到好的晶體質(zhì)量；一銦或鎵的第二液滴層，該銦或鎵的第二液滴層制作在第三勢(shì)壘層表面，以便于表面形貌的表征。g巾所述的襯底為GaAs或InP材料。g巾所述的緩沖層、第一勢(shì)壘層、第二勢(shì)壘層和第三勢(shì)壘層的組分及厚度可任意調(diào)節(jié)。其中所生成的納米結(jié)構(gòu)為量子點(diǎn)或量子環(huán)或量子雙環(huán)或量子點(diǎn)對(duì)本發(fā)明一種砷化銦和砷化鎵的納米結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)方法，其特征在于，該方法包括如下步驟步驟1 :選擇一襯底，在該襯底上依次外延生長(zhǎng)緩沖層、第一勢(shì)壘層；步驟2 :降低襯底的溫度，在第一勢(shì)壘層表面形成銦或鎵的第—液滴層；步驟3 :將銦或鎵的第 一 液滴層與砷反應(yīng)生成砷化銦或砷化鎵納米結(jié)構(gòu)層；步驟4 :在上述納米結(jié)構(gòu)層上生長(zhǎng)第二勢(shì)壘層和
第三勢(shì)壘層步驟5:降低襯底的溫度，在第三勢(shì)壘層的表面形成銦或鎵的第二液滴層；步驟6:將銦或鎵的第二液滴層與砷反應(yīng)生成砷化銦或砷化鎵納米結(jié)構(gòu)層，完成砷化銦或砷化鎵的納米結(jié)構(gòu)的制作。其中所述的襯底為GaAs或InP材料。其中所述的緩沖層、第 一 勢(shì)壘層、第—?jiǎng)輭緦雍偷谌齽?shì)壘層的組分及厚度可任意調(diào)節(jié)其中在第一勢(shì)壘層表面形成液滴時(shí)將襯底的溫度降至5 0 —5 50度。其中所述的第二液滴層與砷反應(yīng)是在砷氛圍中，砷束流對(duì)應(yīng)的偏壓為1 . 8 2X1 0 -8到1 .62 X10-5托，反應(yīng)溫度為1 2 0度到45 0度，反應(yīng)時(shí)間為1 0分鐘到6 0分鐘。其中步驟3或步驟6所生成的納米結(jié)構(gòu)為點(diǎn)、或量子環(huán)或量子雙環(huán)或量子點(diǎn)對(duì)。


為了進(jìn) 一 步說(shuō)明本發(fā)明的特征和效果，下面結(jié)合附圖和實(shí)例對(duì)本發(fā)明做進(jìn) 一 步的說(shuō)明，其中 圖1(a)至圖1是用液滴分子束外延法生長(zhǎng)納米結(jié)構(gòu)的示意圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明制作的In液滴的截面輪廓3是根據(jù)本發(fā)明制作的InAs納米結(jié)構(gòu)的截面輪廓圖。
具體實(shí)施方式
請(qǐng)參閱圖1所示，本發(fā)明 一 種用液滴分子束外延方法生長(zhǎng)半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)的方法，該方法包括如下制備步驟:步驟1:選擇一襯底1 ，在該襯底1上依次外延生長(zhǎng)緩沖層2、第勢(shì)壘層3 ;在此步驟之、/ -刖先進(jìn)行源爐除氣。然后測(cè)定好銦、鎵和鋁的束流，與所需的束流值進(jìn)行比較確定生長(zhǎng)時(shí)源爐的溫度將G a A s或InP襯底送入生長(zhǎng)室后升溫至58 0°C進(jìn)行脫氧，然后測(cè)定砷的束流，進(jìn)行如下步驟:根據(jù)所需要的V/III束流比，推算出所需要的砷束流，調(diào)節(jié)砷源爐的針閥，使砷的束流值達(dá)到所需要的值，記下此時(shí)針閥的讀數(shù)。然后將針閥開到最大，記下此時(shí)砷的束流值，再將砷針閥關(guān)到最小，記下此時(shí)的束流值；將砷擋板關(guān)掉，穩(wěn)定三分鐘，同時(shí)記下束流值；再將必、擋板關(guān)掉，穩(wěn)定三分鐘，同時(shí)記下束流
值。然后開總擋板、砷擋板，調(diào)節(jié)針閥使砷束流達(dá)到 所需值，旋轉(zhuǎn)襯底開始按程序生長(zhǎng)。在襯底1上依次外延生長(zhǎng)緩沖層2、第一勢(shì)壘層3，緩沖層2和第一 勢(shì)壘層3的組分及厚度可任意調(diào)節(jié)。如圖1 ( a )所示。步驟2降低襯底1的溫度，在第 一 勢(shì)壘層3表面形成銦或鎵的第一液滴層4生長(zhǎng)兀第一勢(shì)壘層后，關(guān)砷針閥、砷擋板和總擋板，將襯底溫度降至50 _550°C 。也可以開砷針閥、砷擋板和總擋板，將襯底降至指定溫度，得到畕砷的表面，通過沉積三族元素消耗富余的砷，形成一個(gè)維生長(zhǎng)層。根據(jù)此二維生長(zhǎng)層的不同，可以控制納米結(jié)構(gòu)浸潤(rùn)層的厚度、組分以及浸潤(rùn)層的有無(wú)。此處我們主要選擇前一方案。溫度達(dá)到后穩(wěn)定三分鐘，開心、擋板開銦或鎵的擋板此處根據(jù)所需的沉積量和束流來(lái)確定開擋板的時(shí)間此時(shí)在第 一 勢(shì)壘層表面形成銦或鎵的第一液滴層。如圖1(a )所示。步驟3:將銦或鎵的液滴層4與砷反應(yīng)生成砷化銦或砷化鎵納米結(jié)構(gòu)層銦或鎵的液滴層形成之后，然后關(guān)銦或鎵的擋板，同時(shí)開砷擋板并將針閥開到最大液滴層與砷反應(yīng)段時(shí)間，至反射高能電子衍射圖像變?yōu)辄c(diǎn)狀之后生成所需的納米結(jié)構(gòu)。此時(shí)砷束流對(duì)應(yīng)的偏壓為1 . 8 2 X1 0- 8至ljl.6 2X1 0- 5托，反應(yīng)溫度為l 2 0度到4 5 0度，反應(yīng)時(shí)間為1 0分鐘至U 6 0分鐘。，此時(shí)納米結(jié)構(gòu)可為量子點(diǎn)或量子環(huán)、量子雙環(huán)、量子點(diǎn)對(duì)。如圖1 ( b )所示。步驟4:在A層上生長(zhǎng)第二勢(shì)壘層6、第二勢(shì)壘層7禾卩蓋帽層8 ，所生長(zhǎng)的納米結(jié)構(gòu)作為光電子器件和電子器件的有源層。納米結(jié)構(gòu)生成之后，保持此時(shí)的襯底溫度，生長(zhǎng)第二勢(shì)壘層6 ，以避免影響納米結(jié)構(gòu)的形貌。然后升咼襯底溫度至5 8 0 °C ，生長(zhǎng)第三勢(shì)壘層7 ，以獲得高的晶體質(zhì)量。第二勢(shì)壘層6和第三勢(shì)壘層7的組分及厚度可任意調(diào)節(jié)。如圖1 ( c )所示。步驟5 :降低襯底1的溫度，在第三勢(shì)壘層7的表面形成銦或鎵的第二液滴層8;以便于液滴表面形貌的表征，女Q圖1( d )所示和圖1 2所示。步驟6 :將銦或鎵的第二液滴層8與石申反應(yīng)生成砷化銦或砷化鎵納米結(jié)構(gòu)層，完成砷化銦或砷化鎵的納米結(jié)構(gòu)的制作。以便于納米結(jié)構(gòu)表面形貌的表征，如圖1 (d )和圖3所示。實(shí)施例1請(qǐng)參閱圖1所示，本發(fā)明一種用液滴分子束外延
方法生長(zhǎng)半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)的方法，該方法包括如下制 備步驟步驟1:選用半絕緣GaAs (0 0 1 )晶片作為襯底材料，58 0 °C脫氧后在該襯底1上用分子束外延設(shè)備依次生長(zhǎng)了3 0 ()纟內(nèi)米厚GaAs緩沖層2、 2 0 0納米厚的A〗—0.3Ga0.7As勢(shì)壘層3。步驟2:關(guān)針閥、As擋板和總擋板，將襯底溫度降到150—3 5 0 °(〕。開Ga擋板形成Ga第 一 液滴層4 。步驟3:開As擋板和總擋板，開針閥，噴入As。觀察反射咼能電子衍射圖像直至出現(xiàn)點(diǎn)狀圖像。步驟4:保持襯底溫度不變，用遷移增強(qiáng)方法生長(zhǎng)2 0納米Al 0 . 3 Ga 0 . 7 As勢(shì)壘層6 ，然后升高襯底溫度至58 0 °C ，生長(zhǎng)9 0纟內(nèi)米Al 0 . 3 Ga 0 . 7 As勢(shì)壘層7步驟5:關(guān)針閥、As擋板和總擋板，將襯底溫度降至U i50一 3 5 Q °C 。開Ga擋板形成Ga第二液滴層8 。步驟6:開As擋板和總擋板，開針閥，噴入As。觀察反射咼能電子衍射圖像直至出現(xiàn)點(diǎn)狀圖像。實(shí)施例2 請(qǐng)參閱圖1所示，本發(fā)明 一 種用液滴分子束外延 方法生長(zhǎng)半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)的方法，該方法包括如下制 備步驟步驟1 :選用半絕緣GaAs ( 0 0 1 )晶片作為襯 底材料，5 8 0 °C脫氧后在該襯底1上用分子束外延 設(shè)備依次生長(zhǎng)了 1 0 0納米厚GaAs緩沖層(兼第 一 勢(shì) 壘層)2 、 3 。步驟2 :關(guān)針閥、As擋板和總擋板，將襯底溫度 降到1 2 0 — 3 0 0 °C 。開In擋板形成In第 一 液滴 層4 。步驟3 :開As擋板和總擋板，開針閥，噴入As 。 觀察反射高能電子衍射圖像直至出現(xiàn)點(diǎn)狀圖像。步驟4 :保持襯底溫度不變，用遷移增強(qiáng)方法生 長(zhǎng)2 0納米GaAs第二勢(shì)壘層6 ，然后升高襯底溫度至 5 8 0 °C ，生長(zhǎng)8 0納米GaAs第三勢(shì)壘層7 。步驟5 :關(guān)針閥、As擋板和總擋板，將襯底溫度 降到1 2 0 — 3 0 0 °C 。開In擋板形成In第 一 液滴 層4 。如圖2 ，為I n液滴的截面輪廓圖。步驟6開As擋板和總擋板，開針閥，噴入As。觀察反射高能電子衍射圖像直至出現(xiàn)點(diǎn)狀圖像。如圖3所示，為InAs納米結(jié)構(gòu)的截面輪廓圖。本發(fā)明與以往的技術(shù)相比，該發(fā)明具有以下意義
適用于目前常用的各類外延生長(zhǎng)設(shè)備，如分子束 外延，金屬有機(jī)氣相沉積法等等；不僅適用于晶格失配材料體系，而且適用于晶格匹配體系；生長(zhǎng)溫度可以在很寬范圍內(nèi)調(diào)節(jié)；生長(zhǎng)的納米結(jié)構(gòu)可以有浸潤(rùn)層也可無(wú)，而且可以 控制浸潤(rùn)層的厚度；可以得到各種不同形貌的納米結(jié)構(gòu)。
權(quán)利要求
1. 一種砷化銦和砷化鎵的納米結(jié)構(gòu)， 其特征在于， 包括一襯底；一緩沖層，該緩沖層制作在襯底上，以避免襯底上的缺陷；一第一勢(shì)壘層，該第一勢(shì)壘層制作在緩沖層上，起到限制載流子作用；一銦或鎵的第一液滴層，該銦或鎵的第一液滴層制作在第一勢(shì)壘層表面；一第二勢(shì)壘層，該第二勢(shì)壘層制作在銦或鎵的液滴層的上面，保持原來(lái)的溫度生長(zhǎng)，以避免破壞納米結(jié)構(gòu)；一第三勢(shì)壘層，該第三勢(shì)壘層制作在第二勢(shì)壘層上，采用高溫生長(zhǎng)，以得到好的晶體質(zhì)量；一銦或鎵的第二液滴層，該銦或鎵的第二液滴層制作在第三勢(shì)壘層表面，以便于表面形貌的表征。
2 . 根據(jù)權(quán)利要求1所述的砷化銦和砷化鎵的納 米結(jié)構(gòu)，其特征在于，其中所述的襯底為GaAs或InP 材料。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的砷化銦和砷化鎵的納米結(jié)構(gòu)，其特征在于，其中所述的緩沖層、第 一 勢(shì)壘層、第二勢(shì)壘層和第三勢(shì)壘層的組分及厚度可任意調(diào)4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的砷化銦和砷化鎵的納米結(jié)構(gòu)，其特征在于，其中所生成的納米結(jié)構(gòu)為量子點(diǎn)、或子環(huán)或量子雙環(huán)或量子點(diǎn)對(duì)5、 一種砷化銦和砷化鎵的納米結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)方法，特征在于，該方法包括如下步驟步驟1 :選擇一襯底，在該襯底上依次外延生長(zhǎng)緩沖層、第一勢(shì)壘層；步驟2 :降低襯底的溫度，在第一勢(shì)壘層表面形成銦或鎵的第一液滴層；步驟3 :將銦或鎵的第 一 液滴層與砷反應(yīng)生成砷化銦或砷化鎵納米結(jié)構(gòu)層；步驟4 :在上述納米結(jié)構(gòu)層上生長(zhǎng)第二勢(shì)壘層和第二勢(shì)壘層 ，步驟5 :降低襯底的溫度，在第三勢(shì)壘層的表面形成銦或鎵的第液滴層；步驟6 :將銦或鎵的第二液滴層與砷反應(yīng)生成砷 化銦或砷化鎵納米結(jié)構(gòu)層，完成砷化銦或砷化鎵的納 米結(jié)構(gòu)的制作。6 .根據(jù)權(quán)利要求5所述的砷化銦和砷化鎵的納 米結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)方法，其特征在于，其中所述的襯底為GaAs或InP材料。7 .根據(jù)權(quán)利要求5所述的砷化銦和砷化鎵的納 米結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)方法，其特征在于，其中所述的緩沖層、 第一勢(shì)壘層、第二勢(shì)壘層和第三勢(shì)壘層的組分及厚度 可任意調(diào)節(jié)。8 . 根據(jù)權(quán)利要求5所述的砷化銦和砷化鎵的納 米結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)方法，其特征在于，其中在第一勢(shì)壘層 表面形成液滴時(shí)將襯底的溫度降至5 0 — 5 5 0度。9 .根據(jù)權(quán)利要求5所述的砷化銦和砷化鎵的納 米結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)方法，其特征在于，其中所述的第二液 滴層與砷反應(yīng)是在砷氛圍中，砷束流對(duì)應(yīng)的偏壓為l.8 2X10- 8至lj 1.6 2X1 0-5 托，反應(yīng)溫度為l2 0度到4 5 0度，反應(yīng)時(shí)間為1 0分鐘到6 0分鐘。 1 0 .根據(jù)權(quán)利要求5所述的砷化銦和砷化鎵的 納米結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)方法，其特征在于，其中步驟3或步 驟6所生成的納米結(jié)構(gòu)為量子點(diǎn)或量子環(huán)或量子雙環(huán) 或量子點(diǎn)對(duì)。
全文摘要
一種砷化銦和砷化鎵的納米結(jié)構(gòu)，其特征在于，包括一襯底；一緩沖層，該緩沖層制作在襯底上，以避免襯底上的缺陷；一第一勢(shì)壘層，該第一勢(shì)壘層制作在緩沖層上，起到限制載流子作用；一銦或鎵的第一液滴層，該銦或鎵的第一液滴層制作在第一勢(shì)壘層表面；一第二勢(shì)壘層，該第二勢(shì)壘層制作在銦或鎵的液滴層的上面，保持原來(lái)的溫度生長(zhǎng)，以避免破壞納米結(jié)構(gòu)；一第三勢(shì)壘層，該第三勢(shì)壘層制作在第二勢(shì)壘層上，采用高溫生長(zhǎng)，以得到好的晶體質(zhì)量；一銦或鎵的第二液滴層，該銦或鎵的第二液滴層制作在第三勢(shì)壘層表面，以便于表面形貌的表征。
文檔編號(hào)H01L33/00GK101212006SQ20061017166
公開日2008年7月2日 申請(qǐng)日期2006年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月31日
發(fā)明者波 徐, 王占國(guó), 超 趙, 鵬 金, 陳涌海 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所