以原位垂直超晶格为模板定位生长量子线或点的方法

文档序号:6847863阅读:160来源:国知局
专利名称:以原位垂直超晶格为模板定位生长量子线或点的方法
技术领域
本发明涉及半导体低维纳米结构量子线或点材料的定位生长和工艺控制技术领域,特别是指一种属于一种以原位垂直超晶格为模板定位生长量子线或点的方法。
背景技术
量子线(点)等低维半导体结构材料在未来的纳米电子学、光子学等方面有着极其重要的应用前景。这方面的研究引起了国内外科技工作者的极大关注,成为了材料研究的新热点。就量子线(点)的制备方法而言,应用S-K生长模式原位自组织生长量子线(点)材料是一种最有希望制备器件级量子线(点)材料的方法。目前应用S-K生长模式已经制备出了高密度的自组织量子线(点)材料和三维的量子线(点)阵列。然而应用自组织方法制备量子线(点)材料存在与自组织过程相关的固有缺点,例如量子线(点)的成核位置在生长表面二维随机分布,造成它们的尺寸涨落较大,同时存在量子线(点)横向互连现象,这些缺点将会严重损害量子线(点)材料的光学和电学性能,例如尺寸涨落导致发光峰的非均匀展宽,使得只有一小部分量子线(点)对激光器发光有贡献,降低了光增益,影响了阈值电流的进一步降低。因此实现量子线(点)的定位生长和提高量子线(点)的有序性对于进一步提高量子线(点)的光学和电学性能具有非常重要的意义。
为了实现自组织量子线(点)材料的定位生长,人们主要采用图形化衬底的方法。目前制备图形化衬底的方法主要用光刻或电化学的方法制备出具有一定规则排列的图形,然后在图形化模板上进行自组织量子线(点)材料的定位生长。这种方法的优点是能够较精确的控制图形的尺寸和分布特征,但是它的缺点是工艺过程复杂、容易造成杂质污染、制备周期长和不易大面积制备,同时这种方法与分子束外延工艺不兼容,易于在生长过程中对超高真空的分子束外延生长室造成污染。最近也有人报道了应用超晶格解理面作为图形化衬底进行自组织量子线(点)定位生长的方法,这种方法同样具有工艺过程复杂和不容易大面积制备的缺点。

发明内容
本发明的目的在于,提供一种以原位垂直超晶格为模板定位生长量子线或点的方法,该方法具有工艺过程简单、与分子束外延工艺兼容和易于大面积制备的优点,使自组织量子线或点材料在生长表面分布的二维有序性大幅度提高,从而达到大幅度提高低维半导体结构材料光学和电学性能的目的。
本发明一种以原位垂直超晶格为模板定位生长量子线或点的方法,其特征在于,包括如下步骤
步骤1选择一衬底;步骤2在该衬底的邻位面上用分子束外延工艺生长铟铝砷或铟镓砷材料的缓冲层;步骤3生长完缓冲层后在砷压保护下停顿2~5分钟;步骤4然后进行砷化铟量子线或点层的生长,完成以原位形成的垂直超晶格为模板定位生长量子线或点。
其中衬底为磷化铟衬底。
其中铟铝砷或铟镓砷材料的缓冲层生长过程中,砷压保护中的砷压为4~8×10-6Torr,铟铝砷或铟镓砷材料的缓冲层生长速率为0.5~0.9μm/h,V/III束流比为10~20,生长厚度为100~500nm,生长温度为505~515℃。
其中进行砷化铟量子线或点层的生长,砷化铟的生长温度为495~505℃,生长速率为0.2~0.4μm/h,V/III束流比为15~20。
其中缓冲层包括由富铟区和富铝区或富镓区形成的原位垂直超晶格。


图1是本发明中应用铟铝砷(InAlAs)层中原位形成的垂直超晶格模板进行InAs量子线定位生长的示意图,其中(a)、(b)淀积砷化铟(InAs)前InAlAs缓冲层中自发垂直超晶格的形貌示意图,(c)、(d)为InAs量子线定位生长的示意图。
图2(a)和(b)分别给出了沿量子线方向观察获得的透射电镜暗场像g=002,图2(a)对应于(001)正衬底试样;图2(b)对应于(001)邻位面试样。
图3是77K下样品的光致发光谱,其中(a)对应于在InP(001)正衬底上生长的样品,(b)对应于在InP(001)向[110]方向偏8°的邻位面样品。
具体实施例方式
本发明选取的衬底、缓冲层和量子线(点)层的参数为磷化铟(InP)(001)向[110]方向偏斜4~8°的邻位面衬底;缓冲层材料为与InP衬底有一定负失配度的InxAl1-xAs或铟镓砷(InyGa1-yAs)材料,其中x分别满足0.50≥x≥0.48和0.51≥y≥0.49;InAs量子线(点)的淀积厚度为3~8MLs.
本发明的具体工艺过程为请参阅图1所示,本发明一种以原位垂直超晶格为模板定位生长量子线或点的方法,包括如下步骤步骤1选择一衬底10,该衬底10为磷化铟衬底;步骤2在该衬底10的邻位面上用分子束外延工艺生长铟铝砷或铟镓砷材料的缓冲层11,该缓冲层11包括由富铟区和富铝区或富镓区形成的原位垂直超晶格;步骤3生长完缓冲层11后在砷压保护下停顿2~5分钟,其中砷压保护中的砷压为4~8×10-6Torr,铟铝砷材料的缓冲层的生长速率为0.5~0.9μm/h,V/III束流比为10~20,生长厚度为100~500nm,生长温度为505~515℃;步骤4然后进行砷化铟量子线或点12层的生长,其中进行砷化铟量子线或点12层的生长,砷化铟的生长温度为495~505℃,生长速率为0.2~0.4μm/h,V/III束流比为15~20,完成以原位形成的垂直超晶格为模板定位生长量子线或点12。
样品微观结构和光学性能研究表明用以上工艺生长的自组织量子线(点)材料的有序性和尺寸均匀性得到了大幅度的改善,材料的发光效率显著增加,光谱的半高宽大幅降低。
本发明所涉及的自组织量子线或点材料定位生长方法,在InP(001)邻位面衬底上InxAl1-xAs或InyGa1-yAs缓冲层材料生长过程中自发形成了沿[110]方向排列的垂直超晶格结构,这种周期性良好的垂直超晶格结构是由自发形成的富In区和富Al(或Ga)区组成。随后生长的InAs量子线(点)优先在富In区成核生长,从而实现了自组织InAs量子线(点)定位生长的目的,图1给出了本发明的示意图。
本发明的优点在于利用在缓冲层11生长过程中自发形成的垂直超晶格作为原位模板进行自组织InAs量子线或点的定位生长,工艺成本低,工艺过程简单,能与分子束外延生长工艺很好的兼容,易于大面积制备自组织InAs量子线或点材料。
本发明的实施例为结合参阅图1所示,以完全相同的生长条件在InP(001)正衬底10和相对
偏离8°度的邻位面衬底10上生长了300nm的In0.496Al0.504As缓冲层11,然后生长了4分子单层(MLs)的InAs量子线层和80nm的In0.496Al0.504As盖层。材料生长过程中的砷压保持在5×10-6Torr。具体的材料生长工艺条件为在砷压保护下使InP衬底脱氧,然后在510℃生长300nm In0.496Al0.504As缓冲层11,V/III束流比为15,生长速率为0.667μm/h。在砷压保护下,停顿3分钟。随后进行4MLs InAs量子线或点12层的生长,生长温度为500℃,生长速率为0.336μm/h。如图2(a)和(b)所示分别给出了沿量子线方向观察获得的透射电镜暗场像,图2(a)对应于(001)正衬底试样;图2(b)对应于(001)邻位面试样。我们可以看到对于(001)正衬底试样,如图2(a)所示,在InAlAs层中没有出现明显的组分调制,在所示的B区量子线发生了明显的横向互联;而对于(001)邻位面试样,在InAlAs缓冲层中出现了明显的相分离,其中亮带对应富In的区域,实际上在InAlAs中自发形成了垂直超晶格结构,自发超晶格沿[110]方向排列。如图2(b)所示,所有的InAs自组织量子线均在富In区上成核,量子线的横向有序性得到明显的改善。我们的研究还表明在(001)邻位面上生长的量子线的光学性能也得到了大幅度的改善。如图3所示,采用本发明中提出的原位垂直超晶格模板上生长的自组织量子线材料的发光效率显著增加,同时发光峰的半高宽比在普通(001)InP正衬底上自组织量子线的半高宽减少了50meV之多。我们从实验上证实了本发明对于定位生长自组织量子线(点)材料是行之有效的。
权利要求
1.一种以原位垂直超晶格为模板定位生长量子线或点的方法,其特征在于,包括如下步骤步骤1选择一衬底;步骤2在该衬底的邻位面上用分子束外延工艺生长铟铝砷或铟镓砷材料的缓冲层;步骤3生长完缓冲层后在砷压保护下停顿2~5分钟;步骤4然后进行砷化铟量子线或点层的生长,完成以原位形成的垂直超晶格为模板定位生长量子线或点。
2.根据权利要求1所述的以原位垂直超晶格为模板定位生长量子线或点的方法,其特征在于,其中衬底为磷化铟衬底。
3.根据权利要求2所述的以原位垂直超晶格为模板定位生长量子线或点的方法,其特征在于,其中铟铝砷或铟镓砷材料的缓冲层生长过程中,砷压保护中的砷压为4~8×10-6Torr,铟铝砷或铟镓砷材料的缓冲层生长速率为0.5~0.9μm/h,V/III束流比为10~20,生长厚度为100~500nm,生长温度为505~515℃。
4.根据权利要求1所述的以原位垂直超晶格为模板定位生长量子线或点的方法,其特征在于,其中进行砷化铟量子线或点层的生长,砷化铟的生长温度为495~505℃,生长速率为0.2~0.4μm/h,V/III束流比为15~20。
5.根据权利要求1所述的以原位垂直超晶格为模板定位生长量子线或点的方法,其特征在于,其中缓冲层包括由富铟区和富铝区或富镓区形成的原位垂直超晶格。
全文摘要
一种以原位垂直超晶格为模板定位生长量子线或点的方法,其特征在于,包括如下步骤步骤1选择一衬底;步骤2在该衬底的邻位面上用分子束外延工艺生长铟铝砷或铟镓砷材料的缓冲层;步骤3生长完缓冲层后在砷压保护下停顿2~5分钟;步骤4然后进行砷化铟量子线或点层的生长,完成以原位形成的垂直超晶格为模板定位生长量子线或点。
文档编号H01L33/00GK1892986SQ20051001210
公开日2007年1月10日 申请日期2005年7月7日 优先权日2005年7月7日
发明者王元立, 吴巨, 金鹏, 叶小玲, 张春玲, 黄秀颀, 陈涌海, 王占国 申请人:中国科学院半导体研究所
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