CN100468802C - 砷化铟和砷化镓的纳米结构及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

一种砷化铟和砷化镓的纳米结构，其特征在于，包括：一衬底；一缓冲层，该缓冲层制作在衬底上，以避免衬底上的缺陷；一第一势垒层，该第一势垒层制作在缓冲层上，起到限制载流子作用；一铟或镓的第一液滴层，该铟或镓的第一液滴层制作在第一势垒层表面；一第二势垒层，该第二势垒层制作在铟或镓的液滴层的上面，保持原来的温度生长，以避免破坏纳米结构；一第三势垒层，该第三势垒层制作在第二势垒层上，采用高温生长，以得到好的晶体质量；一铟或镓的第二液滴层，该铟或镓的第二液滴层制作在第三势垒层表面，以便于表面形貌的表征。

Description

砷化铟和砷化镓的纳米结构及其制作方法
技术领域
本发明涉及一种利用液滴分子束外延技术制作半导体纳米结构的方法，特别是指一种制作砷化铟和砷化镓的纳米结构及其制作方法。
背景技术
半导体纳米结构是纳米尺度的微小晶体结构，由于三维或二维量子限制作用，半导体纳米结构具有分立的电子能级，从而具有量子尺寸效应、量子隧穿和库仑阻塞效应以及非线性光学效应等特性，是新一代固态量子器件的基础。更重要的是，这些特异的光电性质完全取决于半导体纳米结构的尺寸和形状，可以通过对生长参数的控制来实现对半导体纳米结构光电性质的人工剪裁。因此半导体纳米结构在未来的纳米电子学、光子学和新一代超大规模集成电路方面有重要的应用前景。
早期制备半导体纳米结构主要采用自上而下的方法，通过光刻、电子束曝光等精细加工手段对量子阱材料进行刻蚀，从而获得纳米尺寸的半导体纳米结构。该方法的优点是量子点分布、尺寸、形状(在分辨率范围内)可控。缺点是刻蚀会引入缺陷和杂质等非辐射复合中心，严重影响半导体纳米结构的发光效率，另外对加工工艺和设备要求也很高，成本很高。
目前制备半导体纳米结构主要采用应变自组装的自下而上的办法。即在一种材料上外延生长晶格常数不同的另一种材料，随着浸润层厚度的增加，应变能不断积累。当外延层厚度超过临界厚度时，外延材料就会从二维平面生长转变为纳米尺寸的三维岛状生长，形成半导体纳米结构阵列，即S—K生长模式。利用这种方法可以制备出无缺陷、高密度半导体纳米结构材料，具有非常高的发光效率。例如，用应变自组织量子点材料研制的半导体激光器，其阈值电流已经比传统的量子阱激光器的还要小。
应变自组装技术无需诸如高空间分辨率的电子束曝光和刻蚀等复杂的工艺技术，方法简单，而且不会引入杂质污染或形成缺陷，因此是目前制备量子点材料最常用的方法。但是由于应变自组织成核的随机性，其形状、尺寸和空间分布虽可通过优化生长工艺在一定范围内加以调整，却难以做到准确控制，存在着均匀性和有序性差的问题，阻碍了半导体纳米结构的实际应用。另外，自组织方法只适用于晶格失配较大的材料体系，对于晶格完全匹配的材料体系则不适用。
发明内容
本发明的目的是提供一种砷化铟和砷化镓的纳米结构及其制作方法，主要是通过在势垒层上形成三族元素的液滴，和五族元素反应后晶化生成半导体纳米结构。这种方法可以用于制作发光器件和电子器件的有源层，制备出阈值电流低、温度特性好的激光器以及新型的电子器件。
本发明的技术方案如下：
本发明一种砷化铟和砷化镓的纳米结构，其特征在于，包括：
一衬底；
一缓冲层，该缓冲层制作在衬底上，以避免衬底上的缺陷；
一第一势垒层，该第一势垒层制作在缓冲层上，起到限制载流子作用；
一铟或镓的第一液滴层，该铟或镓的第一液滴层制作在第一势垒层表面；
一第二势垒层，该第二势垒层制作在铟或镓的液滴层的上面，保持原来的温度生长，以避免破坏纳米结构；原来的温度是形成铟或镓的第一液滴层之时的衬底温度；
一第三势垒层，该第三势垒层制作在第二势垒层上，采用高温生长，以得到好的晶体质量；
一铟或镓的第二液滴层，该铟或镓的第二液滴层制作在第三势垒层表面，以便于表面形貌的表征。
其中所述的衬底为GaAs或InP材料。
其中所述的缓冲层、第一势垒层、第二势垒层和第三势垒层的组分及厚度可任意调节。
其中所生成的纳米结构为量子点或量子环或量子双环或量子点对。
本发明一种砷化铟和砷化镓的纳米结构的生长方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
步骤1：选择一衬底，在该衬底上依次外延生长缓冲层、第一势垒层；
步骤2：降低衬底的温度，在第一势垒层表面形成铟或镓的第一液滴层；
步骤3：将铟或镓的第一液滴层与砷反应生成砷化铟或砷化镓纳米结构层；
步骤4：在上述纳米结构层上生长第二势垒层和第三势垒层；
步骤5：降低衬底的温度，在第三势垒层的表面形成铟或镓的第二液滴层；
步骤6：将铟或镓的第二液滴层与砷反应生成砷化铟或砷化镓纳米结构层，完成砷化铟或砷化镓的纳米结构的制作。
其中所述的衬底为GaAs或InP材料。
其中所述的缓冲层、第一势垒层、第二势垒层和第三势垒层的组分及厚度可任意调节。
其中在第一势垒层表面形成液滴时将衬底的温度降至50—550度。
其中所述的第二液滴层与砷反应是在砷氛围中，砷束流对应的偏压为1.82×10-8到1.62×10-5托，反应温度为120度到450度，反应时间为10分钟到60分钟。
其中步骤3或步骤6所生成的纳米结构为量子点或量子环或量子双环或量子点对。
附图说明
为了进一步说明本发明的特征和效果，下面结合附图和实例对本发明做进一步的说明，其中：
图1(a)至图1(d)是用液滴分子束外延法生长纳米结构的示意图；
图2是根据本发明制作的In液滴的截面轮廓图；
图3是根据本发明制作的InAs纳米结构的截面轮廓图。
具体实施方式
请参阅图1所示，本发明一种用液滴分子束外延方法生长半导体纳米结构的方法，该方法包括如下制备步骤：
步骤1：选择一衬底1，在该衬底1上依次外延生长缓冲层2、第一势垒层3；
在此步骤之前，先进行源炉除气。然后测定好铟、镓和铝的束流，与所需的束流值进行比较确定生长时源炉的温度。将GaAs或InP衬底送入生长室后升温至580℃进行脱氧，然后测定砷的束流，进行如下步骤：根据所需要的V/III束流比，推算出所需要的砷束流，调节砷源炉的针阀，使砷的束流值达到所需要的值，记下此时针阀的读数。然后将针阀开到最大，记下此时砷的束流值，再将砷针阀关到最小，记下此时的束流值；将砷挡板关掉，稳定三分钟，同时记下束流值；再将总挡板关掉，稳定三分钟，同时记下束流值。然后开总挡板、砷挡板，调节针阀使砷束流达到所需值，旋转衬底开始按程序生长。在衬底1上依次外延生长缓冲层2、第一势垒层3，缓冲层2和第一势垒层3的组分及厚度可任意调节。如图1(a)所示。
步骤2：降低衬底1的温度，在第一势垒层3表面形成铟或镓的第一液滴层4；
生长完第一势垒层后，关砷针阀、砷挡板和总挡板，将衬底温度降至50—550℃。也可以开砷针阀、砷挡板和总挡板，将衬底降至指定温度，得到富砷的表面，通过沉积三族元素消耗富余的砷，形成一个二维生长层。根据此二维生长层的不同，可以控制纳米结构浸润层的厚度、组分以及浸润层的有无。此处我们主要选择前一方案。温度达到后稳定三分钟，开总挡板，开铟或镓的挡板。此处根据所需的沉积量和束流来确定开挡板的时间。此时在第一势垒层表面形成铟或镓的第一液滴层。如图1(a)所示。
步骤3：将铟或镓的液滴层4与砷反应生成砷化铟或砷化镓纳米结构层；
铟或镓的液滴层形成之后，然后关铟或镓的挡板，同时开砷挡板并将针阀开到最大。液滴层与砷反应一段时间，至反射高能电子衍射图像变为点状之后生成所需的纳米结构。此时砷束流对应的偏压为1.82×10-8到1.62×10-5托，反应温度为120度到450度，反应时间为10分钟到60分钟。，此时纳米结构可为量子点或量子环、量子双环、量子点对。如图1(b)所示。
步骤4：在A层上生长第二势垒层6、第三势垒层7和盖帽层8，所生长的纳米结构作为光电子器件和电子器件的有源层。
纳米结构生成之后，保持此时的衬底温度，生长第二势垒层6，以避免影响纳米结构的形貌。然后升高衬底温度至580℃，生长第三势垒层7，以获得高的晶体质量。第二势垒层6和第三势垒层7的组分及厚度可任意调节。如图1(c)所示。
步骤5：降低衬底1的温度，在第三势垒层7的表面形成铟或镓的第二液滴层8；以便于液滴表面形貌的表征，如图1(d)所示和图2所示。
步骤6：将铟或镓的第二液滴层8与砷反应生成砷化铟或砷化镓纳米结构层，完成砷化铟或砷化镓的纳米结构的制作。以便于纳米结构表面形貌的表征，如图1(d)和图3所示。
实施例1
请参阅图1所示，本发明一种用液滴分子束外延方法生长半导体纳米结构的方法，该方法包括如下制备步骤：
步骤1：选用半绝缘GaAs(001)晶片作为衬底材料，580℃脱氧后在该衬底1上用分子束外延设备依次生长了300纳米厚GaAs缓冲层2、200纳米厚的Al 0.3Ga 0.7As势垒层3。
步骤2：关针阀、As挡板和总挡板，将衬底温度降到150—350℃。开Ga挡板形成Ga第一液滴层4。
步骤3：开As挡板和总挡板，开针阀，喷入As。观察反射高能电子衍射图像直至出现点状图像。
步骤4：保持衬底温度不变，用迁移增强方法生长20纳米Al 0.3Ga 0.7As势垒层6，然后升高衬底温度至580℃，生长90纳米Al 0.3Ga 0.7As势垒层7。
步骤5：关针阀、As挡板和总挡板，将衬底温度降到150—350℃。开Ga挡板形成Ga第二液滴层8。
步骤6：开As挡板和总挡板，开针阀，喷入As。观察反射高能电子衍射图像直至出现点状图像。
实施例2
请参阅图1所示，本发明一种用液滴分子束外延方法生长半导体纳米结构的方法，该方法包括如下制备步骤：
步骤1：选用半绝缘GaAs(001)晶片作为衬底材料，580℃脱氧后在该衬底1上用分子束外延设备依次生长了100纳米厚GaAs缓冲层(兼第一势垒层)2、3。
步骤2：关针阀、As挡板和总挡板，将衬底温度降到120—300℃。开In挡板形成In第一液滴层4。
步骤3：开As挡板和总挡板，开针阀，喷入As。观察反射高能电子衍射图像直至出现点状图像。
步骤4：保持衬底温度不变，用迁移增强方法生长20纳米GaAs第二势垒层6，然后升高衬底温度至580℃，生长80纳米GaAs第三势垒层7。
步骤5：关针阀、As挡板和总挡板，将衬底温度降到120—300℃。开In挡板形成In第一液滴层4。如图2，为In液滴的截面轮廓图。
步骤6：开As挡板和总挡板，开针阀，喷入As。观察反射高能电子衍射图像直至出现点状图像。如图3所示，为InAs纳米结构的截面轮廓图。
本发明与以往的技术相比，该发明具有以下意义：
适用于目前常用的各类外延生长设备，如分子束外延，金属有机气相沉积法等等；
不仅适用于晶格失配材料体系，而且适用于晶格匹配体系；
生长温度可以在很宽范围内调节；
生长的纳米结构可以有浸润层也可无，而且可以控制浸润层的厚度；
可以得到各种不同形貌的纳米结构。

Claims (10)

1.一种砷化铟和砷化镓的纳米结构，其特征在于，包括：
一衬底；
一缓冲层，该缓冲层制作在衬底上，以避免衬底上的缺陷；
一第一势垒层，该第一势垒层制作在缓冲层上，起到限制载流子作用；
一铟或镓的第一液滴层，该铟或镓的第一液滴层制作在第一势垒层表面；
一第二势垒层，该第二势垒层制作在铟或镓的液滴层的上面，保持原来的温度生长，以避免破坏纳米结构；原来的温度是形成铟或镓的第一液滴层之时的衬底温度；
一第三势垒层，该第三势垒层制作在第二势垒层上，采用高温生长，以得到好的晶体质量；
一铟或镓的第二液滴层，该铟或镓的第二液滴层制作在第三势垒层表面，以便于表面形貌的表征。
2.根据权利要求1所述的砷化铟和砷化镓的纳米结构，其特征在于，其中所述的衬底为GaAs或InP材料。
3.根据权利要求1所述的砷化铟和砷化镓的纳米结构，其特征在于，其中所述的缓冲层、第一势垒层、第二势垒层和第三势垒层的组分及厚度可任意调节。
4.根据权利要求1所述的砷化铟和砷化镓的纳米结构，其特征在于，其中所生成的纳米结构为量子点或量子环或量子双环或量子点对。
5、一种砷化铟和砷化镓的纳米结构的生长方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
步骤1：选择一衬底，在该衬底上依次外延生长缓冲层、第一势垒层；
步骤2：降低衬底的温度，在第一势垒层表面形成铟或镓的第一液滴层；
步骤3：将铟或镓的第一液滴层与砷反应生成砷化铟或砷化镓纳米结构层；
步骤4：在上述纳米结构层上生长第二势垒层和第三势垒层；
步骤5：降低衬底的温度，在第三势垒层的表面形成铟或镓的第二液滴层；
步骤6：将铟或镓的第二液滴层与砷反应生成砷化铟或砷化镓纳米结构层，完成砷化铟或砷化镓的纳米结构的制作。
6.根据权利要求5所述的砷化铟和砷化镓的纳米结构的生长方法，其特征在于，其中所述的衬底为GaAs或InP材料。
7.根据权利要求5所述的砷化铟和砷化镓的纳米结构的生长方法，其特征在于，其中所述的缓冲层、第一势垒层、第二势垒层和第三势垒层的组分及厚度可任意调节。
8.根据权利要求5所述的砷化铟和砷化镓的纳米结构的生长方法，其特征在于，其中在第一势垒层表面形成液滴时将衬底的温度降至50-550度。
9.根据权利要求5所述的砷化铟和砷化镓的纳米结构的生长方法，其特征在于，其中所述的第二液滴层与砷反应是在砷氛围中，砷束流对应的偏压为1.82×10-8到1.62×10-5托，反应温度为120度到450度，反应时间为10分钟到60分钟。
10.根据权利要求5所述的砷化铟和砷化镓的纳米结构的生长方法，其特征在于，其中步骤3或步骤6所生成的纳米结构为量子点或量子环或量子双环或量子点对。
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