CN102732952A - 一种用于超薄外延层生长的液相外延石墨舟及其生长方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于超薄外延层生长的液相外延石墨舟及其生长方法，该石墨舟包括盖板、母液舟、滑板和底座。该发明的特征是盖板为分离的，每个都能很严实地盖在母液舟上而不易滑动，同时液槽的空隙部分如同一个楔形，较低位置处是一个很窄的狭缝，从而减少熔源与衬底的接触时间，实现低维结构超薄材料的液相外延近平衡态生长，而且衬底滑板正反面各有一个不同深度的衬底槽，适合不同衬底厚度情况或因为衬底厚度误差带来的衬底槽过深或太浅的情况，底座有回收母液的回收槽，便于母液的多次使用。本发明的优点是：采用液相外延技术实现超薄外延层或常规厚膜生长，近平衡态生长的超纯外延层为设计新型材料和构建新型器件提供了一个新的研究方向。

Description

一种用于超薄外延层生长的液相外延石墨舟及其生长方法

技术领域

本发明涉及一种生长Ⅲ-Ⅴ或Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体外延超薄层的液相外延石墨舟，特别是指超薄单层、量子阱、多量子阱和量子点等低维结构材料生长用石墨舟，用该石墨舟既能满足常规厚膜的生长，也能重复地生长多层超薄层，可拓展液相外延技术因沉积速率过快而不能进行低维结构材料生长研究的瓶颈。

背景技术

液相外延技术（LPE technique）是一种成熟的Ⅲ-Ⅴ和Ⅱ-Ⅵ材料生长技术，近平衡态生长提供了外延层材料的纯度，生长的材料具有高的迁移率和荧光效率；材料致密，应力能小，构建的光电器件暗电流小；掺杂剂可选的范围广，材料沉积效率高，外延生长费用低。然而，近二十年来，因MBE和MOCVD技术可以生长很好地生长超薄层结构，绝大多数基于多层结构的新型器件都是使用这些气态沉积方法构建的。外延层生长采用液相外延技术因高的沉积速率（0.1~1um/min）而不能构建多层结构器件，为了发挥LPE技术近平衡态生长超纯的多层外延层结构优势，并且控制不同的层有不同的厚度，对水平滑舟型液相外延技术的石墨舟进行改进，可实现不同厚度的多层的外延层生长。

液相外延技术外延层的厚度主要依赖于溶解度（solubility）在初始生长温度和结束生长温度间的差别，另外，冷却速率（cooling rate）、生长时间（growthtime）、母液的体积、过冷度（supercooling degree）等因素也会影响外延层的生长厚度。采用减少母液与衬底的接触时间的方式，A.Krier采用LPE技术生长了InAsSbP量子点（见文献：A.Krier,J.Phys.D-Appl.Phys.32(20),2587(1999)）；V.A.Mishurnyi也采用LPE技术生长了InGaAsP/GaAsP量子阱（见文献：V.A.Mishurnyi,Crit.Rev.Solid State Mat.Sci.31(1-2),1(2006)），每层的厚度是10~40nm。设计较窄的液槽狭缝宽度（0.5~2mm），减少衬底和液相母液的接触时间，加之用较少体积的母液，低温生长等，使用直线电机精确制动推杆，控制滑板单方向运动或往复运动，实现超薄多层外延结构的可重复生长。

发明内容

本发明的目的是设计一种用于超薄层生长的液相外延石墨舟，生长超薄多层结构材料，并构建新型器件。

本发明的石墨舟，包括：似帽子似的盖板1.0、较低位置处有狭缝的母液舟2.0、具有匹配不同尺寸的滑板夹片，小号滑板夹片3.4，中号滑板夹片3.5，大号滑板夹片3.6和两个不同深度的衬底槽3.2的衬底滑板3.0、由直线电机制动的推杆3.4和固定母液舟的底座4.0；每个液槽上可单独使用盖板1.0，是尺寸相差一点的两个方块链接在一起，可严实地盖在液槽上，较大方块一面的外侧有两个小孔，便于镊子夹取盖板，安装到母液舟上；母液舟通过小孔固定在底座上，即用石墨圆棒穿过底座上的圆孔4.2与对应母液舟上的圆孔2.1，其液槽的空隙部分类一个楔形，较低位置处是一个很窄的狭缝2.4，方向与运动方向垂直，可减少熔源与衬底的接触时间，实现超薄低维材料的外延生长；衬底滑板正反面各有一个不同槽深的衬底槽3.2，适合不同厚度衬底的情况或因衬底厚度误差带来的衬底槽过深与太浅的情况，而且有预留的滑板空隙3.1，卡放不同型号的滑板夹，既能实现不同层数的材料生长，又能在生长结束让母液回收到对应的回收槽4.1，四个回收槽分别标号为1、2、3、4；推杆3.4由直线电机制动，控制衬底滑板单方向或往复运动，可重复生长多层外延层；底座有隔开的回收不同母液的回收槽4.1，保证相互母液之间无接触污染以便母液再次使用。

本实发明的优点在于设计新型水平滑舟型石墨舟，实现LPE技术近平衡态生长多层结构，并控制不同层有不同的厚度，且构建新型器件，在这方面可与常规MBE和MOCVD技术再次竞争。采用高精度的直线电机来推舟，可确保多层外延层生长的可重复性。

附图说明

图1是石墨舟剖面结构示意图。图中1.0—盖板，1.1—小孔，2.0—母液舟，2.1—圆孔，2.2—没有狭缝的液槽，2.3—液槽，2.4—狭缝，3.0—滑板，3.1—滑板空隙，3.2—衬底槽，3.3—拉杆小孔，3.4—拉杆，4.0—底座，4.1—回收槽。

图2是石墨舟左视结构示意图。1.0—盖板，2.0—母液舟，3.0—滑板，4.0—底座，4.2—圆孔（用石墨圆棒穿入，固定底座与母液舟）。

图3是石墨盖板的结构示意图。1.0—盖板，1.1—小孔，1.2—上方块，1.3—下方块。

图4是母石墨舟的母液舟三视图。A—母液舟的主视图，B—母液舟的俯视图，C—母液舟的左视图，2.1—圆孔，2.2—无狭缝的液槽，2.3—液槽，2.4—狭缝。

图5是滑板和滑板夹片的结构示意图。A—滑板的主视图，B—滑板的主视图，3.1滑板空隙，3.2—衬底槽，3.3—拉杆小孔，3.4—小号滑板夹片，3.5—中号滑板夹片，3.6—大号滑板夹片。

图6是具体实施案例多量子阱a/b/A/b的生长结构示意图。A-a熔源生长位置，B-b溶液生长位置，B-a/b/a/b多量子阱生长结束位置，3.4-拉杆，3.5-中号滑板夹片，2.2.1-观察衬底用液槽，1、2、3、4是四个回收槽，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ是对应的母液槽。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的详细说明：

本实施以a/b/a/b多量子阱生长为例：

1，熔源和衬底装载到LPE系统中。装入已长时间高温恒温的a与b母液到分别到Ⅰ、Ⅱ液槽中，并装入衬底到滑板的衬底槽上，启动LPE系统，进行抽真空和加热过程。

2，a外延层生长。见图6的A结构示意图，直线电机快速拉动（直线运动速度1m/s）a母液经过衬底表面，速度较快，又因Ⅰ狭缝宽度是0.5mm，衬底和母液接触时间较短，将会有晶体a析出在衬底上，且外延层很薄。加之低温生长和小的母液体积（母液若置于2.2.1观察衬底的槽中，其高度控制在1~2mm），可控制更薄的外延层（1~100nm）。

3，b外延层生长。见图6的B结构示意图，拉杆控制滑板移动（设置直线速度1m/s，也可以改变速度，来调整衬底和母液的接触时间，实现控制不同膜厚的目的），将衬底带到b母液槽狭缝位置处，Ⅱ狭缝宽度是1mm，此时有滑板夹片，a母液也不会落入回收槽1中。

4，重复a/b外延层生长。如图6中的A、B所示，滑板的再一次往复运动就可以第二次a/b外延层的生长。

5，生长结束。见图6的C结构示意图，a/b/a/b生长过程接触后，拉动滑板使已生长的外延层正对母液舟最右边的液槽2.2.2，以便于通过此液槽观察薄膜表面的生长情况，又可以让a、b母液掉进对应的1、2回收槽中，便于下次生长再利用。

Claims (5)

1.一种用于超薄层生长的液相外延石墨舟，包括盖板（1.0）、母液舟（2.0）、衬底滑板（3.0）和底座（4.0）；其特征在于：

母液舟（2.0）通过小孔固定在底座上，即用石墨圆棒穿过底座上的圆孔（4.2）与对应母液舟上的圆孔（2.1），其液槽的空隙部分如一个楔形，较低位置处是一个很窄的狭缝（2.4），液槽上有单独使用盖板（1.0），形状如同尺寸相差一点的两个方块链接在一起，能很严实地盖在液槽上；衬底滑板正反面各有一个不同槽深的衬底槽（3.2），而且有预留的滑板空隙（3.1），安放的滑板夹片（3.4），底座下方的回收槽（4.1）之间是隔开的，用于回收不同母液，避免之间的相互污染，用石墨圆棒穿入底座上的小圆孔（4.2）与母液舟的小圆孔（2.1）而将母液舟与底座固定，使衬底滑板在其中间滑动，底座下方有几个与母液舟（2.3）对应的回收槽（4.1），便于无污染的母液回收，实现母液再次利用。

2.根据权利要求1所述的一种用于超薄层生长的液相外延石墨舟，其特征在于：所说的盖板（1.0）是两个小方台构成，较小的方台（1.3）能很严实地盖在液槽上，较大小方台（1.2）的外侧有便于镊子夹取的两个圆柱形小孔。

3.根据权利要求1所述的一种用于超薄层生长的液相外延石墨舟，其特征在于：所说的母液舟（2.0）有四个液槽（2.3），每个液槽的空隙楔形狭缝（2.4）宽度可以是一系列的尺寸或者宽度一致，一般是几个mm，本发明示例中四个液槽狭缝宽度分别是0.5mm、1mm、1.5mm、2mm，且狭缝的方向垂直于母液舟的运动方向。若生长不同外延层的温度有很大差距，液槽之间的距离可以增大，保证衬底在液槽之间的下方停留，或者多加一个无狭缝的液槽（2.2）以停留衬底，等待升降温过程。

4.根据权利要求1所述的一种用于超薄层生长的液相外延石墨舟，其特征在于：所说的衬底滑板（3.0）正反面各有一个不同槽深的衬底槽（3.2），适合不同衬底厚度或者因为衬底厚度误差带来的衬底槽过深或太浅的情况，且有预留的滑板空隙（3.1），卡放不同型号的滑板夹片，既能实现多层外延层生长，又能在生长结束让母液回收到对应的回收槽（4.1）中。

5.一种基于权利要求1所述液相外延石墨舟的超薄低维材料生长方法，其特征在于包括以下步骤：

1）a外延层生长，低温小体积溶液快速滑过衬底表面，狭长的狭缝致使母液a与衬底接触时间短而生长上一薄层；

2）b外延层生长。具有与a层同样的生长过程；

3）重复a及b外延层生长，直线电机控制衬底滑板的衬底位置回到a母液的下方，继续生长a层。

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