专利名称：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曰 曰曰体结构，由于二维或—维量子限制作用，半导体纳米结构具有分的电子能级从而』1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，这些特巳 幵的光电性质兀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刖旦 足。早期制备半导体纳米结构主要采用白上而下的方
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。发明内容本发明的巨的是提供一种砷化铟和砷化镓的纳米幺士 5口构及苴 / 、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曰 曰曰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种砷化铟和砷化镓的纳米结构，其特征在于，包括: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—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铟或镓的第一液滴层，该铟或镓的第一液滴层制作在第势垒层表面
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，采用咼温生长，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。g巾所述的衬底为GaAs或InP材料。g巾所述的缓冲层、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—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—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5 0 —5 50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 . 8 2X1 0 -8到1 .62 X10-5托，反应温度为1 2 0度到45 0度，反应时间为1 0分钟到6 0分钟。其中步骤3或步骤6所生成的纳米结构为点、或量子环或量子双环或量子点对。
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、第势垒层3 ;在此步骤之、/ -刖先进行源炉除气。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G a A s或InP衬底送入生长室后升溫至58 0°C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；再将必、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生长兀第一势垒层后，关砷针阀、砷挡板和总挡板，将衬底温度降至50 _550°C 。也可以开砷针阀、砷挡板和总挡板，将衬底降至指定温度，得到畕砷的表面，通过沉积三族元素消耗富余的砷，形成一个维生长层。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，开心、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 . 8 2 X1 0- 8至ljl.6 2X1 0- 5托，反应温度为l 2 0度到4 5 0度，反应时间为1 0分钟至U 6 0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、第二势垒层7禾卩盖帽层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。然后升咼衬底温度至5 8 0 °C ，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，女Q图1( d )所示和图1 2所示。步骤6 :将铟或镓的第二液滴层8与石申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 (0 0 1 )晶片作为衬底材料，58 0 °C脱氧后在该衬底1上用分子束外延设备依次生长了3 0 ()纟内米厚GaAs缓冲层2、 2 0 0纳米厚的A〗—0.3Ga0.7As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—3 5 0 °(〕。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。观察反射咼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2 0纳米Al 0 . 3 Ga 0 . 7 As势垒层6 ，然后升高衬底温度至58 0 °C ，生长9 0纟内米Al 0 . 3 Ga 0 . 7 As势垒层7步骤5:关针阀、As挡板和总挡板，将衬底温度降至U i50一 3 5 Q °C 。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。观察反射咼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 ( 0 0 1 )晶片作为衬 底材料，5 8 0 °C脱氧后在该衬底1上用分子束外延 设备依次生长了 1 0 0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1 2 0 — 3 0 0 °C 。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2 0纳米GaAs第二势垒层6 ，然后升高衬底温度至 5 8 0 °C ，生长8 0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1 2 0 — 3 0 0 °C 。开In挡板形成In第 一 液滴 层4 。如图2 ，为I n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。
权利要求
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；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，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二势垒层 ，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5 0 — 5 5 0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l.8 2X10- 8至lj 1.6 2X1 0-5 托，反应温度为l2 0度到4 5 0度，反应时间为1 0分钟到6 0分钟。 1 0 .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。
全文摘要
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。
文档编号H01L33/00GK101212006SQ20061017166
公开日2008年7月2日 申请日期2006年12月31日 优先权日2006年12月31日
发明者波 徐, 王占国, 超 赵, 鹏 金, 陈涌海 申请人:中国科学院半导体研究所