专利名称：在半导体衬底上制备有序砷化铟量子点的方法
技术领域：
本发明涉及半导体技术领域，特别是指 一 种在半 导体衬底上制备有序砷化铟量子点的方法。
背景技术：
低维结构材料具有量子尺寸效应、量子隧穿和库仑阻塞效应以及非线性光，效应等特性，是新一代固态量子腿 器件的基础，在未来的纳米电子学、光子学和新代超大规模集成电路方面有重要的应用前景而且随着维度的进—步降低，力人理论上讲—维量子线和InAs量子点的性能比量子阱材料更具有优越性，所以 引起了人们更大的关注。高质量的半导体InAs量子点 材料的制备是I nAs量子点器件和集成电路应用的基 础，如单电子晶体管和单电子存储器等器件对量子点 的分布具有特殊的要求。如何实现半导体InAs量子点 材料的形状、尺寸、密度和空间分布的控制， 一 直是材料学家追求和关注的热点。在图形衬底上自组织外延生长InAs量子点结构，可以有效的控制InAs量子 点的尺寸和位置。上世纪 90年代，人们利用 STorrranski-KrasTorranow (SK) 生长模式发展了应变白组装法制备InAs量子点的新技术，即所谓的自下而上的制备技术。SK生长模式是异质外延的 一 种模式，适用于曰 曰曰格失配较大，但应变外延层和衬底的界面能不是很大的异质材料体系。方法简单，而且不会引入杂质污染或形成自由表面缺陷，因此是目前制备InAs量子占 J 、、、材料最常用、最有效的方法。但由于InAs量子点、在浸润层上的成核是无序的，故其尺寸、形状、分布均匀性难以控制，InAs量子点的定位生长更加困难。巨、/ -目IJInAs il子点的定位生长较常用的方法有利用生长动力，控制选择生长量子点、位错的应力场调制选择生长量子点、高指数面衬底和图形衬底上外延生长量子点如光刻技术、以及二氧化硅模板等)。利用掩膜离子注入，在分子束外延设备中对InAs量子点进行定位，可以获得有序的InAs量子点，以改善材料的光学和电学性能。发明内容本发明的目的是提供一种在半导体衬底上制备有序砷化铟量子点的方法，以提高材料的性能多孔的阳极氧化铝通孔模板和离子注入结合为制备有序的InAs量子点提供了 一条很好的途径。本发明技术方案本发明 一 种在半导体衬底上制备有序砷化细量子点的方法，其特征在于，包含下列步骤步骤1 :取 一 半导体衬底和制备好的有序的阳极氧化铝通孔模板；步骤2 :把制备好的有序的阳极氧化铝通孔模板放置在半导体衬底上，阳极氧化铝通孔模板的作用是在半导体衬底上选择性注入金属离子；步骤3 :将足够厚的阳极氧化铝模板的半导体衬底进行离子注入，目的是让金属离子通过阳极氧化铝通孔注入半导体衬底，在没有孔的区域，注入离子不会到达半导体衬底；步骤4:在饱和的NaOH溶液中清洗以剥离模板；步骤5 :在分子束外延设备中沉积InAs量子点， 通过应力调制的作用，量子点会优先成核在离子注入 的区域，完成量子点的制备。其中所述的半导体衬底是GaAs半导体衬底。其中阳极氧化模板是尺寸均匀的氧化铝通孔模板其中所述的掩模离子注入是金属离子注入。其中的所述的掩模离子注入是包括高能离子注入 和低能离子注入。其中所述的剥离模板是在饱和的NaOH溶液中超声 波清洗。其中所述的在分子束外延设备中沉积InAs量子点 的温度为450°C-520°C。其中所述的在分子束外延设备中沉积InAs量子点 的石申压为(2-6) X 10-6Torr。其中所述的在分子束外延设备中沉积InAs量子点 的InAs量为1. 7-3单分子层。中沉积InAs』t子单分子层。中沉积InAs』t子时采用生长停顿的方法。具有的意义本发明在半导体衬底上制备有序砷化铟量子点的 方法，可以提高材料的性能。多孔的阳极氧化铝通孔模板和离子注入结合为制备有序的InAs量子点提供了 一条很好的途径。
为进一步说明本发明的具体技术内容，以下结合实施例及附图详细说明如后，其中图1是本发明的结构流程图；图2(a)和(b )分别是半导体GaAs衬底上阳极 氧化铝通孔模板的扫描电镜平面图和截面图；图3是样品表面的三维原子力显微镜照片图。
具体实施方式
本发明的核心思想是在半导体GaAs衬底上放置有 序的阳极氧化铝模板，然后在分子束外延设备中直接 沉积InAs。在半导体GaAs衬底上获得有序的InAs量子点。在半导体衬底上制备有序砷化铟量子点的方法的 结构流程图如图1所示步骤S 1 0 :准备好清洁的半导体衬底1和有序的阳 极氧化铝模板2;步骤S20 :把有序的阳极氧化铝模板2放在半导体GaAs衬底l上形成带有掩模板的半导体GaAs衬底3;步骤S30:把带有阳极氧化铝模板的半导体衬底放入离子注入机，让金属离子垂直注入带有阳极氧化铝模板的半导体衬底3，以形成具有金属离子的带有阳极氧化铝模板的半导体衬底4 ;步骤S40:离子注入后，在饱和的NaOH溶液中超声波清洗去掉阳极氧化铝模板，以形成带有周期性离子注入区域的衬底5;步骤S50:在分子束外延设备中沉积 InAs，在半导体GaAs衬底表面形成有序的量子点结构6 。该方法的主要目的是利用掩模板在半导体GaAs衬 底上进行选择性注入，而没有注入的区域不会受到影 响。在离子注入的区域沉积InAs形成有序的纳米结构。本发明的半导体衬底l，是选用GaAs材料。本发明在衬底上进行大剂量的离子注入，其中的 离子是指的金属铟离子。本发明选用的模板，是有序的阳极氧化铝通孔模 板2 。其中氧化铝纳米孔模板的孔径的可以从30到 80nm变化，氧化铝模板厚度要远大于金属离子在氧化 铝模板注入深度。其中有序的阳极氧化铝通孔模板2的作用是让金 属离子选择性注入，通过控制注入离子的数量和离子注入区域，让注入的离子有序分布半导体GaAs衬底1里，达到制备有序纳米结构的作用。该方法可以通过调节阳极氧化铝模板的孔径和间距、调节离子注入的剂量和能量、分子束外延的条件可以灵活的调纳米结构的尺寸。本发明在衬底上进行大剂量的离子注入，离子注入是釆用高能离子注入，或采用低能离子注入，而且离子束要垂直于半导体GaAs衬底。离子注入后，在氢氧化纳溶液中超声波清洗去掉阳极氧化铝模板形成结构4。具有金属离子的带有阳极氧化铝模板的半导体衬底4在清洁后直接在分子束外延设备中沉积InAs，其中采:用砷压是2-8 )X 10-6Torr ，生长温度是4 5 0 。C -5 20 。C 。每生长1秒停顿2-6秒。离子注入后形成有序生长的纳米模板，有序InAs纳米结构的形成是分子束外延过程中受应力作用吸附原子扩散和成核的结果。离子注入产生的应力为调节量子点有序生长的驱动力，掩模离子注入为有序InAs纳米结构的形成发挥了关键的作用该方法的优点是克服了光刻以及其他化学处理带来的弱点、为制备有序的InAs纳米结构提供了条新的途径。 实施例1、以N型GaAs(OOl)单晶片为衬底；2 、把有序的阳极氧化铝通孔模板放置在N型GaAs (001)单晶片上；其中氧化铝纳米孔模板的孔径为 50nm，厚度为600nrn (可以根据调节阳极氧化条件变 化)。孔中心距离约为100nm。氧化铝模板的扫描电镜 如图2所示。其中图2a为氧化铝模板的平面扫描电镜 图，图2b为氧化铝模板的截面扫描电镜图。3、运用高能注入设备，注入温度为室温，离子注 入剂量为5X1014/cm2。注入能量为80keV，注入的是 铟离子；4 、按照注入离子的剂量和能量，可以计算出离子 注入的平均射程为 25nm ，而氧化铝模板的厚度为 600nm，可以达到选择性注入的目的。5 、剥离阳极氧化铝模板，在3M/L的氢氧化纳溶 液中超声波清洗20分钟；6 、清洁衬底后用砷保护的条件下(砷压为4 X 1 0-6 Torr)分子束外延，沉积2. 1单分子层的InAs，衬底 温度是460°C ，每生长1秒停顿5秒，形成有序的InAs 量子点。InAs量子点的直径约为60 nm，高度约为2 nm，密度是1010/cm2，形成有序的InAs量子点结构，样品 表面的原子力显微镜结构如图3所示。实现发明的最好方式-1、实现发明的主要设备 离子注入设备 分子束外延设备2 、根据样品的实际情况，进行调整半导体GaAs衬底上形成有序的InAs量子点与离 子注入的种类、剂量、注入温度、注入能量，以及分 子束外延条件息息相关。根据样品的实际情况，进行 调整。
权利要求
1. 一种在半导体衬底上制备有序砷化铟量子点的方法，其特征在于，包含下列步骤步骤1取一半导体衬底和制备好的有序的阳极氧化铝通孔模板；步骤2把制备好的有序的阳极氧化铝通孔模板放置在半导体衬底上，阳极氧化铝通孔模板的作用是在半导体衬底上选择性注入金属离子；步骤3将足够厚的阳极氧化铝模板的半导体衬底进行离子注入，目的是让金属离子通过阳极氧化铝通孔注入半导体衬底，在没有孔的区域，注入离子不会到达半导体衬底；步骤4在饱和的NaOH溶液中清洗以剥离模板；步骤5在分子束外延设备中沉积InAs量子点，通过应力调制的作用，量子点会优先成核在离子注入的区域，完成量子点的制备。
2 、根据权利要求1所述的在半导体衬底上制备有序砷化铟量子点的方法，其特征在于，其中所述的半导体衬底是GaAs半导体衬底。
3 、根据权利要求1所述的在半导体衬底上制备有序砷化铟量子点的方法，其特征在于，其中阳极氧化 模板是尺寸均匀的氧化铝通孔模板。
4 、根据权利要求1所述的在半导体衬底上制备有 序砷化铟量子点的方法，其特征在于，其中所述的掩 模离子注入是金属离子注入。
5 、根据权利要求1所述的在半导体衬底上制备有 序砷化铟量子点的方法，其特征在于，其中的所述的 掩模离子注入是包括高能离子注入和低能离子注入。
6 、根据权利要求1所述的在半导体衬底上制备有序砷化铟量子点的方法，其特征在于，其中所述的剥离模板是在饱和的NaOH溶液中超声波清洗。
7 、根据权利要求1所述的在半导体衬底上制备有 序砷化铟量子点的方法，其特征在于，其中所述的在 分子束外延设备中沉积 InAs 量子点的温度为 450 。C-520。C 。
8 、根据权利要求1所述的在半导体衬底上制备有 序砷化铟量子点的方法，其特征在于，其中所述的在 分子束外延设备中沉积InAs量子点的砷压为(2-6) X 1 0-6Torr 。
9 、根据权利要求1所述的在半导体衬底上制备有 序砷化铟量子点的方法，其特征在于，其中所述的在 分子束外延设备中沉积InAs量子点的InAs量为1.7- 3单分子层。
10、 根据权利要求1所述的在半导体衬底上制备 有序砷化铟量子点的方法，其特征在于，其中所述的在分子束外延设备中沉积InAs量子点的InAs的速率 是为每秒0. 06-0. 2单分子层。
11、 根据权利要求1所述的在半导体衬底上制备 有序砷化铟量子点的方法，其特征在于，其中所述的 在分子束外延设备中沉积InAs量子点时采用生长停顿 的方法。
全文摘要
一种在半导体衬底上制备有序砷化铟量子点的方法，包含下列步骤步骤1.取一半导体衬底和制备好的有序的阳极氧化铝通孔模板；步骤2.把制备好的有序的阳极氧化铝通孔模板放置在半导体衬底上，阳极氧化铝通孔模板的作用是在半导体衬底上选择性注入金属离子；步骤3.将足够厚的阳极氧化铝模板的半导体衬底进行离子注入，目的是让金属离子通过阳极氧化铝通孔注入半导体衬底，在没有孔的区域，注入离子不会到达半导体衬底；步骤4.在饱和的NaOH溶液中清洗以剥离模板；步骤5.在分子束外延设备中沉积InAs量子点，通过应力调制的作用，量子点会优先成核在离子注入的区域，完成量子点的制备。
文档编号H01L21/266GK101241850SQ20071006370
公开日2008年8月13日 申请日期2007年2月7日 优先权日2007年2月7日
发明者刘俊朋, 周慧英, 波 徐, 曲胜春, 王占国, 王智杰, 王赤云, 鹏 金 申请人:中国科学院半导体研究所