专利名称：磷化铟衬底上制备量子线阵列的方法
技术领域：
本发明涉及一种磷化铟衬底上自组织生长量子线纳米材料的制备方法。本发明的特征在于采用了一种应变补偿技术，使用四元合金铟铝镓砷(InAlGaAs)作为缓冲层和间隔层，通过调整其组分以获得均匀的量子线阵列结构。
背景技术：
量子线结构材料的研究不仅是半导体物理学、材料学研究的基本问题，而且由于其具有优异的光学和电学特性，因此在半导体激光器、红外探测器等光电子器件以及其他一些微电子器件中都有潜在的应用价值。InP衬底上生长的InAs量子线材料可将材料的发光波长拓宽到1.55微米，此波长对应于光通信的一个重要的光纤低损耗窗口，因此很有希望制成在1.3～1.55微米波长范围内工作的具有良好热稳定性的光电器件。
目前制备半导体量子线结构材料的方法很多，常用的主要有两种一种是微结构材料生长与微细加工技术相结合的方法。采用分子束外延(MBE)或金属氧化物化学气相沉积(MOCVD)技术生长按设计要求的异质结构，结合高空间分辨电子束直写、干法或湿法刻蚀、高空间分辨的离子束注入隔离等工艺技术，制备量子线结构材料。其中包括先进行材料生长再进行微细加工，以及先加工出合适的掩膜，再在其上进行选择性晶体生长两种方式。该方法的优点在于量子线的尺寸、形状和密度可控，但由于加工带来的界面损伤和工艺过程中引入的杂质污染等因素，使其器件性能与理论预期相距甚远，另外，光刻等加工技术的分辨率也限制了高密度量子线制备。
另一种即为应变自组织生长，也就是S-K生长模式。S-K生长模式适用于晶格失配较大，但应变外延层和衬底间的界面能不是很大的异质结材料体系。这种方法制备出的量子线无位错、密度高且成本较低，但因为量子线在浸润层上为随机形核，因此存在形状、尺寸、分布均匀性和密度较难控制的缺点。
近年来，各国研究者已经对磷化铟(InP)衬底上量子线的自组织生长展开了一系列研究，在InP(001)衬底上通过引入间隔层来制备多周期量子线阵列结构可以有效的提高量子线的尺寸和空间分布均匀性，已经有一些使用铟铝砷(InAlAs)(Appl.Phys.Lett.Vol 75(8)，1173-1175，23Aug 1999，H.X.Li；Mate Sci and Eng B101(2003)259-261，B.Salem et al.；J.Cryst.Growth 227-228(2001)975-979，J.M.Garcia et al.)、铟镓砷(InGaAs)(J.Cryst.Growth Vol 219(2000)180-183，J.Wu et al.)、InP(J.Cryst.Growth Vol 254(2003)1-5，H.R.Gutierrez et.al.)以及InAlAs/InGaAs短周期超晶格(J.Cryst.Growth Vol 219(2000)180-183，J.Wu et al.)作为间隔层来生长InAs量子线的报道，但制备出的量子线的尺寸均匀性仍然存在较大问题，而且也尚未见有在铟铝镓砷(InAlGaAs)间隔层上制备出质量较好的量子线的报道。另外，也有学者在InP高指数面衬底上生长出了较好的量子线，比如在InP(775)B衬底上获得的InGaAs/InAlAs量子线(J.Cryst.Growth Vol 251(2003)269-275，YasuhideOhno et al.)，以及InP(311)A衬底上获得的InGaAs量子线(Appl.Phys.Lett.Vol 78(1)，76-78，1 Jan 2001，TakeyoshiSugaya et al.)，但使用高指数面衬底存在解理困难的问题。
尽管目前国际上各国学者在InP衬底上自组织生长量子线方面已经取得了很大进展，但到目前为止，制备出的量子线结构的均匀性仍然难以控制，线的密度及长度也未能尽如人意。本发明对材料结构和制备工艺进行了适当的改进，使用InAlGaAs作为缓冲层以及间隔层并采用应变补偿技术，从而可以获得高质量的量子线阵列结构，对今后进一步研制InP基高性能光电器件也很有意义。
发明内容
本发明的目的在于避免上述背景技术中的不足之处，提出一种不涉及光刻等复杂工艺，利用分子束外延设备在InP衬底上自组织生长量子线阵列结构的方法，采用四元InAlGaAs材料作为缓冲层和间隔层，使用应变补偿技术，通过调整InAlGaAs缓冲层和间隔层中各个组分的大小，可以制备出有序的量子线阵列结构。本方法工艺简单，可重复性强，所形成的量子线密度高且均匀性好。
本发明包含的制备工艺步骤有本发明一种磷化铟衬底上制备量子线阵列的方法，其特征在于，包括如下步骤步骤A将半绝缘磷化铟衬底进行脱氧处理；步骤B在进行脱氧处理后的半绝缘磷化铟衬底上生长一层缓冲层，该缓冲层与磷化铟衬底晶格匹配；步骤C在缓冲层上生长量子线和间隔层；步骤D重复步骤C3～7次，以生长多周期量子线结构，提高量子线的尺寸和空间均匀性；步骤E在生长多周期量子线结构之后，生长盖帽层以保护所生长的材料，完成量子线阵列的制作。
其中在半绝缘磷化铟衬底上生长缓冲层后，停顿5～10分钟，以获得较为平整的缓冲层表面。
其中所述的缓冲层和间隔层是铟铝镓砷材料。
其中在磷化铟缓冲层上生长量子线和间隔层包括两个步骤步骤C1首先生长5个原子单层厚的砷化铟量子线，停顿40～60秒；步骤C2之后生长厚度为20nm的铟铝镓砷间隔层，停顿40～60秒。
其中间隔层的晶格常数比磷化铟的晶格常数小。
其中在磷化铟衬底上生长的缓冲层的厚度为200～300nm。
其中生长盖帽层的厚度为5～20nm，该盖帽层的材料为铟镓砷。
其中步骤A中，缓冲层中的铝组分范围为0.522-0.524。
其中步骤B中的间隔层铝组分随缓冲层中铝组分的变化而变化，且与磷化铟衬底的晶格失配控制在-0.21％～-0.22％范围内。
其中在整个生长过程中的生长温度保持一致，范围为500～530℃，采用过饱和砷压，且整个生长过程是在旋转的情况下完成的。
本发明与现有技术相比，本发明采用了一种应变补偿技术，通过调整InAlGaAs缓冲层和间隔层中各个组分的大小，使得InAlGaAs间隔层的晶格常数略小于InP衬底的晶格常数，从而对生长InAs量子线所产生的应变进行补偿，以获得高质量的InAs量子线阵列结构。采用本发明的工艺方法制备出的InP衬底上的量子线阵列线宽尺寸一般为15～25纳米，垂直高度一般为2～5纳米，宽度和高度尺寸均匀性很好，量子线长度可以达到1～2微米甚至更长。
为进一步说明本发明的技术内容，以下结合实施的实例及附图详细说明如后，其中图1为本发明的材料结构示意图；图2为InP衬底上典型InAs量子线结构原子力显微镜(AFM)表面形貌像；
图3为InP衬底上典型InAs量子线结构透射电子显微镜(TEM)[1-10]方向截面形貌像；图4为InP衬底上典型InAs量子线结构透射电子显微镜(TEM)[110]方向截面形貌像；图5为InP衬底上典型InAs量子线结构原子力显微镜(AFM)表面形貌像；图6为InP衬底上典型InAs量子线结构透射电子显微镜(TEM)[1-10]方向截面形貌像；图7为InP衬底上典型InAs量子线结构透射电子显微镜(TEM)[110]方向截面形貌像。
具体实施例方式
请参阅图1所示，本发明一种磷化铟衬底上制备量子线阵列的方法，包括如下步骤步骤A将半绝缘磷化铟衬底10进行脱氧处理；步骤B在进行脱氧处理后的半绝缘磷化铟衬底10上生长一层缓冲层20，该缓冲层20与磷化铟衬底10晶格匹配，其中在半绝缘磷化铟衬底10上生长缓冲层20后，停顿5～10分钟，以获得较为平整的缓冲层表面；该缓冲层是铟铝镓砷材料；其中在磷化铟衬底10上生长的缓冲层20的厚度为200～300nm；该缓冲层20中的铝组分范围为0.522～0.524；
步骤C在缓冲层上生长量子线30和间隔层40；该间隔层是铟铝镓砷材料；其中在缓冲层20上生长量子线30和间隔层40包括两个步骤步骤C1首先生长5个原子单层厚的砷化铟量子线30，停顿40～60秒；步骤C2之后生长厚度为20nm的铟铝镓砷间隔层40，停顿40～60秒；该间隔层40的晶格常数比磷化铟的晶格常数小；改间隔层40铝组分随缓冲层20中铝组分的变化而变化，且与磷化铟衬底10的晶格失配控制在-0.21％～-0.22％范围内；步骤D重复步骤C3～7次，以生长多周期量子线结构，提高量子线的尺寸和空间均匀性；步骤E在生长多周期量子线结构之后，生长盖帽层50以保护所生长的材料，完成量子线阵列的制作，该盖帽层50的厚度为5～20nm，该盖帽层50的材料为铟镓砷。
其中在整个生长过程中的生长温度保持一致，范围为500～530℃，采用过饱和砷压，且整个生长过程是在旋转的情况下完成的。
实施例1作为本发明的一个例子，下面结合附图1详细说明本发明中所采用的工艺步骤。本实施例采用VEECO公司的Mod GEN II型常规分子束外延设备进行外延生长。参照图1，首先在半绝缘InP(001)衬底10上生长一层厚度为200nm的InAlGaAs缓冲层20，实施例中缓冲层20组分为In0.523Al0.336Ga0.141As，与InP衬底晶格匹配。在停顿10分钟以使缓冲层20表面平整后，在其上交替生长五个周期的InAs量子线30与InAlGaAs间隔层40，其中InAs量子线30的厚度为五个原子单层，InAlGaAs间隔层40的厚度为20nm。在生长每层量子线30前后，分别引入1分钟的停顿，以使其更加均匀。实施例中InAlGaAs间隔层40的组分为In0.491Al0.352Ga0.157As，晶格常数比InP的晶格常数略小。在生长完五个周期后，为了使用原子力显微镜测试量子线表面形貌，再继续生长一层淀积厚度为五个原子单层的InAs量子线30，其厚度为五个原子单层。对于作AFM表面形貌测试的样品，在生长完量子线周期后不生长InGaAs盖层而是继续生长5个原子单层的InAs量子线40。本发明中生长温度的高低直接影响到外延材料的质量，太高或太低的生长温度都无法获得较好的表面。实施例中整个生长过程生长温度为510℃，As压大于8×10-6Torr，且InP衬底10保持旋转。
图2为实施例中InAs量子线结构的AFM形貌图。如图所示，形成了沿[1-10]方向伸长的高密度量子线，其长度大部分超过500nm，部分可以达到将近2微米。量子线水平方向上的平均周期和宽度分别约为28nm和19nm，垂直方向上高度平均值约为2.2nm。
图3为实施例中InAs量子线结构[1-10]方向上的暗场TEM截面像。厚薄交替区域的黑白场对比清楚的显示出了InAs量子线截面的周期结构。
图4为实施例中InAs量子线结构[110]方向上的暗场TEM截面像。从图中可以看出沿[1-10]方向伸长的量子线的高度的均匀性很好。
实施例2作为本发明的另一个例子，本实施例结合附图1对本发明进行详细说明。本实例中InAlGaAs缓冲层20的组分为In0.524Al0.288Ga0.188As，InAlGaAs间隔层的组分为In0.492Al0.304Ga0.204As，其它工艺过程与上一个例子中的完全相同。
图5为实施例中表面InAs量子线结构的AFM形貌图。如图所示，沿[1-10]方向伸长的高密度量子线水平方向上的平均周期和宽度分别约为28nm和17nm，垂直方向上高度平均值约为4.3nm。
图6为实施例中InAs量子线结构[1-10]方向上的暗场TEM截面像。
图7为实施例中InAs量子线结构[110]方向上的暗场TEM截面像。
权利要求
1.一种磷化铟衬底上制备量子线阵列的方法，其特征在于，包括如下步骤步骤A将半绝缘磷化铟衬底进行脱氧处理；步骤B在进行脱氧处理后的半绝缘磷化铟衬底上生长一层缓冲层，该缓冲层与磷化铟衬底晶格匹配；步骤C在缓冲层上生长量子线和间隔层；步骤D重复步骤C3～7次，以生长多周期量子线结构，提高量子线的尺寸和空间均匀性；步骤E在生长多周期量子线结构之后，生长盖帽层以保护所生长的材料，完成量子线阵列的制作。
2.根据权利要求1所述的磷化铟衬底上制备量子线阵列的方法，其特征在于，其中在半绝缘磷化铟衬底上生长缓冲层后，停顿5～10分钟，以获得较为平整的缓冲层表面。
3.根据权利要求1所述的磷化铟衬底上制备量子线阵列的方法，其特征在于，其中所述的缓冲层和间隔层是铟铝镓砷材料。
4.根据权利要求1所述的磷化铟衬底上制备量子线阵列的方法，其特征在于，其中在磷化铟缓冲层上生长量子线和间隔层包括两个步骤步骤C1首先生长5个原子单层厚的砷化铟量子线，停顿40～60秒；步骤C2之后生长厚度为20nm的铟铝镓砷间隔层，停顿40～60秒。
5.根据权利要求3所述的磷化铟衬底上制备量子线阵列的方法，其特征在于，其中间隔层的晶格常数比磷化铟的晶格常数小。
6.根据权利要求1所述的磷化铟衬底上制备量子线阵列的方法，其特征在于，其中在磷化铟衬底上生长的缓冲层的厚度为200～300nm。
7.根据权利要求1所述的磷化铟衬底上制备量子线阵列的方法，其特征在于，其中生长盖帽层的厚度为5～20nm，该盖帽层的材料为铟镓砷。
8.根据权利要求1所述的磷化铟衬底上制备量子线阵列的方法，其特征在于，其中缓冲层中的铝组分范围为0.522-0.524。
9.根据权利要求1所述的磷化铟衬底上制备量子线阵列的方法，其特征在于，其中该间隔层铝组分随缓冲层中铝组分的变化而变化，且与磷化铟衬底的晶格失配控制在-0.21％～-0.22％范围内。
10.根据权利要求1所述的磷化铟衬底上制备量子线阵列的方法，其特征在于，其中在整个生长过程中的生长温度保持一致，范围为500～530℃，采用过饱和砷压，且整个生长过程是在旋转的情况下完成的。
全文摘要
一种磷化铟衬底上制备量子线阵列的方法，其特征在于，包括如下步骤步骤A将半绝缘磷化铟衬底进行脱氧处理；步骤B在进行脱氧处理后的半绝缘磷化铟衬底上生长一层缓冲层，该缓冲层与磷化铟衬底晶格匹配；步骤C在缓冲层上生长量子线和间隔层；步骤D重复步骤C3～7次，以生长多周期量子线结构，提高量子线的尺寸和空间均匀性；步骤E在生长多周期量子线结构之后，生长盖帽层以保护所生长的材料，完成量子线阵列的制备。
文档编号B82B3/00GK1824602SQ200510009600
公开日2006年8月30日 申请日期2005年2月23日 优先权日2005年2月23日
发明者黄秀颀, 刘峰奇 申请人:中国科学院半导体研究所