专利名称：半导体纳米结构及其制作方法
技术领域：
本发明涉及半导体材料与器件及其制作方法，特别是指一种半导体纳米结构及其制作方法。
背景技术：
半导体纳米结构涉及以下内容按材料分，为III-V族半导体材料，包括III-V族二元半导体材料及由他们组成的三元和四元化合物半导体材料；按体系尺寸划分，为纳米尺度，属于介观体系、量子体系研究领域。按生长方法分包括以金属有机物化学气相沉积，分子束外延，原子束外延等为代表的超晶格外延生长技术，即可以生长原子量级的超薄薄膜，纳米结构和突变界面的外延生长技术；按外延材料种类分包括以化学组份不同，禁带宽度不同材料为代表的异质外延。按器件功能分则包括发光二极管、激光二极管、探测器等光电器件和库仑阻塞器件，量子存储器件等电子器件。
纳米岛是尺寸在纳米量级的微小晶体结构，其典型特征是电子波函数的局域化和能谱的量子化。纳米岛结构具有一些十分显著的量子化效应，它直接影响纳米岛的各种物理性质，如电子结构，载流子输运性质以及光学性质等。因此具有极为广阔的器件应用前景。在光器件方面，主要应用于制作发光管、激光器和探测器等。电子器件方面可用于制作单电子晶体管，存储器以及数字信息传输、计算单元等，有望在量子计算中发挥重要的作用。纳米岛发光器件具有发光线宽窄，阈值电流低，温度特性好的优点。由于同样的原因，纳米岛探测器具有探测窗口窄，探测灵敏度高的优点。
低维半导体材料这个概念的提出不久，直到二十世纪八十年代才制作出零维半导体材料。特别值得注意的是，目前国际上最新的纳米岛结构的应用研究迅速转移到目前极有可能获得某些突破的量子信息处理上来，但其纳米岛结构仍然是普通的纳米岛结构。在这个领域，多种研究方法或技术路线并存，任何一种好的方案都有可能获得某些突破，从而形成主流的技术路线。
目前人们生长纳米岛的方法主要有(1)采用现代成熟的半导体集成电路工艺，特别是光刻工艺，制作纳米量级的纳米岛。
(2)在各种自然表面或人工做出图形的衬底上生长纳米岛，如小角度表面、超台阶面、高指数表面，以及V型槽，解理异质结构的侧面上生长或在掩膜表面上选择局部生长等等。由于这些衬底表面上某些位置点的能量更低，外延生长时所吸附的原子趋向于沉积在这些点上，从而形成纳米岛。
(3)应变自组织生长方法。在外延薄膜时，外延层厚度存在一个临界厚度L，当外延层厚度未超过临界厚度时，外延是二维平面生长，随着浸润层厚度增加，应变能不断积累，当浸润层厚度达到临界厚度时，外延生长过程则由二维平面生长转变为三维岛状生长，形成三维的团簇，成为纳米岛的阵列。其他还有采用表面活性剂等方法。
采用如上方法生长纳米岛存在一些问题，主要的有(1)光刻法会在纳米岛表面产生许多的位错。当位错存在时，电子和空穴可以进行非辐射复合，从而降低辐射复合的几率，降低纳米岛的发光效率；同理，纳米岛的温度特性也会受到影响。这对制作电子器件也是不利的。
(2)光刻法还有工艺复杂，成本高的缺点，当光刻线宽需要降低时会大幅度提高工艺成本，而且工艺更复杂，导致成品率下降。
(3)利用表面凹坑的存在来生长纳米岛的缺点是不能在各种需要的衬底表面上形成和衬底表面凹坑无关的的纳米岛及其阵列结构，这使其应用存在很大的局限性。
(4)自组装纳米岛方法的缺点是由于其生长机理利用了S-K生长模式，纳米岛的尺寸大小会受到限制，可调范围较小；此外，必须要采用实时监控，目前只能在分子束外延(MBE)生长方法中采用。而不能用于其他生长方法，如工业生产中采用的金属有机物化学气相沉积法(MOCVD)，热壁外延法，氢化物气相沉积法(HVPE)等。
发明内容
本发明的目的是提供一种半导体纳米结构及其制作方法，其采用简便的工艺方法生长尺寸可调范围大的高密度纳米岛。而且这种方法目前适用于目前各种外延生长技术，并且不受衬底的限制(不必有纳米量级的凹坑)。这种方法制作的纳米岛可以用于制作发光器件和电学器件的活性层。制作出亮度高、温度特性好、开启电压低的发光器件，以及新一代的电子器件。
本发明的技术方案是本发明一种半导体纳米结构，其特征在于，该结构包括一衬底，作为半导体器件的承载体；一半导体缓冲层，该半导体缓冲层通过外延生长技术形成在衬底上，起到缓冲衬底和其他层之间应力的作用；一半导体模板层，该半导体模板层通过外延生长技术形成在半导体缓冲层上，作为支撑模板；一钝化层，该钝化层通过表面钝化形成在半导体模板层上，起到提高吸附原子在表面迁移势垒的作用；一半导体诱导层，该半导体诱导层制作在钝化层上，起到促进半导体纳米岛形成的作用；一半导体纳米岛层，该半导体纳米岛层制作在半导体诱导层上，作为光电子器件的活性层；一半导体盖帽层，该半导体盖帽层制作在半导体纳米岛层上，起到保护半导体纳米岛层，或者提供载流子的作用。
其中所说的衬底的材料为氮化镓、氮化铝、氮化铟单晶材料，磷化铟，砷化镓材料、蓝宝石材料、硅单晶材料、尖晶石材料、碳化硅材料、氧化锌材料、硅上生长氧化铝复合材料、硅上生长氮化铝复合材料、硅上生长氧化锌复合材料。
其中半导体缓冲层的厚度为10-500纳米，生长温度是300℃-800℃。
其中半导体诱导层，其生长温度300℃-800℃，厚度为1-300纳米。
其中所说的半导体纳米岛层为单层或多层，每一层厚度为1纳米到300纳米，不同层之间的材料相同或不相同。
本发明一种半导体纳米结构的制作方法，其特征在于，包括如下步骤步骤1在衬底上通过外延生长技术形成一半导体缓冲层，起到缓冲衬底和其他层之间应力的作用；步骤2在半导体缓冲层上通过外延生长技术形成形成一半导体模板层，作为支撑模板。
步骤3对半导体模板层进行钝化，在半导体模板层表面上形成一钝化层，起到提高吸附原子在表面迁移势垒的作用；步骤4在钝化层上制作半导体诱导层，起到促进半导体纳米岛形成的作用；步骤5在半导体诱导层上制作半导体纳米岛层，作为光电子器件的活性层；步骤6在半导体纳米岛层上通过外延生长技术制作半导体盖帽层，起到保护半导体纳米岛层，或者提供载流子的作用。
其中所说的衬底的材料为氮化镓、氮化铝、氮化铟单晶材料，磷化铟，砷化镓材料、蓝宝石材料、硅单晶材料、尖晶石材料、碳化硅材料、氧化锌材料、硅上生长氧化铝复合材料、硅上生长氮化铝复合材料、硅上生长氧化锌复合材料。
其中半导体缓冲层的厚度为10-100纳米，生长温度是300℃-800℃。
其中半导体诱导层生长温度300℃-800℃，厚度为1-300纳米。
其中所说的半导体纳米岛层为单层或多层，每一层厚度为1纳米到300纳米，不同层之间的材料相同或不相同。
为了进一步说明本发明的特征和效果，下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明，其中图1是铟镓氮(InGaN)纳米岛样品的原子力显微镜俯视图；图2是铟镓氮(InGaN)纳米岛的光致发光光谱图；图3是根据本发明第一实施例的III族氮化物纳米岛发光二极管的截面图。
具体实施例方式
请参阅图3所示，本发明一种半导体纳米结构，该结构包括一衬底1，作为半导体器件的承载体，所说的衬底1的材料为氮化镓、氮化铝、氮化铟单晶材料，磷化铟，砷化镓材料、蓝宝石材料、硅单晶材料、尖晶石材料、碳化硅材料、氧化锌材料、硅上生长氧化铝复合材料、硅上生长氮化铝复合材料、硅上生长氧化锌复合材料；一半导体缓冲层2，该半导体缓冲层2通过外延生长技术形成在衬底1上，起到缓冲衬底1和其他层之间应力的作用，该半导体缓冲层2的厚度为10-500纳米，生长温度是300℃-800℃；一半导体模板层3，该半导体模板层3通过外延生长技术形成在半导体缓冲层2上，作为支撑模板；
一钝化层4，该钝化层4通过表面钝化形成在半导体模板层3上，起到提高吸附原子在表面迁移势垒的作用；一半导体诱导层5，该半导体诱导层5制作在钝化层4上，起到促进半导体纳米岛形成的作用；一半导体纳米岛层6，该半导体纳米岛层6制作在半导体诱导层5上，作为光电子器件的活性层，该半导体诱导层5，其生长温度300℃-800℃，厚度为1-300纳米，该半导体纳米岛层6为单层或多层，每一层厚度为1纳米到300纳米，不同层之间的材料相同或不相同；一半导体盖帽层7，该半导体盖帽层7制作在半导体纳米岛层6上，起到保护半导体纳米岛层6，或者提供载流子的作用。
请再参阅图1所示，本发明一种半导体纳米结构的制作方法，包括如下步骤步骤1在衬底1上通过外延生长技术形成一半导体缓冲层2，起到缓冲衬底1和其他层之间应力的作用，所说的衬底1的材料为氮化镓、氮化铝、氮化铟单晶材料，磷化铟，砷化镓材料、蓝宝石材料、硅单晶材料、尖晶石材料、碳化硅材料、氧化锌材料、硅上生长氧化铝复合材料、硅上生长氮化铝复合材料、硅上生长氧化锌复合材料；该半导体缓冲层2的厚度为10-100纳米，生长温度是300℃-800℃；步骤2在半导体缓冲层2上通过外延生长技术形成形成一半导体模板层3，作为支撑模板。
步骤3对半导体模板层3进行钝化，在半导体模板层3表面上形成一钝化层4，起到提高吸附原子在表面迁移势垒的作用；步骤4在钝化层4上制作半导体诱导层5，起到促进半导体纳米岛形成的作用，该半导体诱导层5生长温度300℃-800℃，厚度为1-300纳米；步骤5在半导体诱导层5上制作半导体纳米岛层6，作为光电子器件的活性层，该半导体纳米岛层6为单层或多层，每一层厚度为1纳米到300纳米，不同层之间的材料相同或不相同；步骤6在半导体纳米岛层6上通过外延生长技术制作半导体盖帽层7，起到保护半导体纳米岛层6，或者提供载流子的作用。
实施例为了实现本发明的目的，采用了以下方法目前已知的外延生长模式有三种F-vdM(Frank-var derMerwe)模式，V-M(Volmer-Webber)模式，S-K(Stranski-Krastanov)模式。外延生长过程中到底是二维还是三维生长模式占统治地位，取决于衬底、界面和外延层之间的表面能。当外延层表面能和界面能总和大于衬底表面能时，则发生V-W生长，即岛状生长，于是可以形成纳米岛。钝化衬底表面的目的就是降低衬底表面的表面能。淀积到衬底上的第一层纳米尺寸的纳米岛不作为活性层，而利用垂直耦合效应以其作为调整层，在上面再生长一层或数层纳米岛结构。
为了更好的说明本发明的意义，下面对以上所提到的词汇做进一步解释。
所说的“异质”，指的是两种成分不同的半导体材料。两者最本质的区别是禁带宽度不同，即两种半导体材料中，导带底的能量之间或价带顶之间的能量之间有一个能量差。
所说的“钝化”含义如下可以是多种钝化方法。可以是气体钝化，如采用氢气，氧气对表面进行钝化。也可以是液体、固体钝化，如各种硫化物，氧化物等等。只要能够有效的填充衬底表面的悬挂键，提高表面吸附原子的跃迁势垒即可。
所说的“单或多层薄膜”含义如下单层薄膜是指一层和界面两边材料都不同的薄膜或纳米岛。多层薄膜则是指数层薄膜或纳米岛结构，每层由不同材料构成。
我们利用该方法生长了铟镓氮(InGaN)纳米岛。如图1所示为该样品的原子力显微镜俯视图，由图可见，已经形成了纳米量级的纳米岛。由于这些点尺寸为纳米量级，所以可以形成量子限制效应。图2为该纳米岛的光致发光光谱图。图2中还给出了相同生长条件下，生长相同时间的单层铟镓氮薄膜的光致发光谱图作为对比。通过对比可以发现，纳米岛样品的发光效率要高得多。
实施例III族氮化物纳米岛发光二极管图3表示根据本发明第一实施例的III族氮化物纳米岛发光二极管的截面图。该结构的制备包括以下步骤步骤1选择衬底1，在该衬底1上外延生长所需要的半导体材料；例如采用(0001)面蓝宝石(C-Al2O3)作衬底1；在(0001)面蓝宝石衬底上外延生长一层氮化镓作为半导体缓冲层2，半导体缓冲层2的厚度是10-50纳米，生长温度是450℃-650℃；在半导体缓冲层2上生长一定厚度的N型氮化镓作为半导体模板层3，生长温度950℃-1100℃，厚度为0.5-4微米。
步骤2对外延生长的材料表面进行钝化，以利于纳米岛的形成；也就是对半导体模板层3进行钝化，在表面形成一层钝化层4。钝化方法是将样品在室温下氧气气氛中放置12小时。
步骤3在经钝化后的表面上生长一层纳米尺寸的低温氮化镓纳米岛作为半导体诱导层5。
在氮化镓纳米岛构成的半导体诱导层5上面覆盖一层或多层铟镓氮(InGaN)纳米岛，作为半导体纳米岛层6，所生长的单或多层异质纳米岛结构可以作为光学器件或电子器件的活性层；不同层之间可以为不同材料，例如图3中所标示的A、B、C分别表示不同的异质材料层；不同层之间也可以为相同材料。例如图3中所标示的A层和C层相同又与B层不同，具体生长条件及多层膜的结构视所设计的结构而定。
步骤4在半导体纳米岛层6的上面生长0.1到3微米的P型氮化镓作为半导体盖帽层7。
其中的衬底1除(0001)面蓝宝石(C-Al2O3)外，也可以采用任何一个面的蓝宝石做衬底，或者氮化镓(GaN)单晶，硅单晶(Si)，尖晶石(MgAl2O4)，碳化硅(SiC)，氮化铝(AlN)，氮化铟(InN)，氧化锌(ZnO)，硅上生长氧化铝复合衬底(Al2O3/Si)、硅上生长氮化铝复合衬底(AlN/Si)、硅上生长氧化锌复合衬底(ZnO/Si)和AlN/SiC等等各种复合衬底。总之，只要能够使在该衬底上外延的III族氮化物有较好的质量可以作为GaN纳米岛的模板即可。虽然在多种衬底上外延都可以得到同样的效果，我们认为目前以(0001)面蓝宝石做衬底较好，该衬底和其他衬底相比具有廉价，易于获得的优点。
前述各材料的外延生长方法采用MOCVD方法是目前最好的方式。
前述中的钝化可以是各种有效的钝化方法。包括各种氧化剂，硫化物，氢化物。只要能够有效的填充表面的悬挂键，增大表面吸附原子跃迁势垒即可。
前述中半导体纳米岛层6可以是单层也可以是多层，层数不限，每一层厚度为1纳米到300纳米。
当以这样的III族氮化物纳米岛为器件的活性层时，制作的发光器件将会具有高的发光效率，低的开启电压(阈值电压)，以及优良的温度特性。
表1为本发明的III族氮化物纳米岛发光二极管生长结构及生长条件表1
本发明与以往的技术相比，该发明具有以下意义1)这种结构的纳米岛，尺寸调节幅度较大，密度高，能够适用于不同的器件要求。
2)适用于目前常用的各类外延生长设备，如分子束外延(MBE)，金属有机气相沉积法(MOCVD)，氢化物气相沉积法(HVPE)，热壁外延等等。
3)适用于常用各类村底材料，对这些材料而言，都可以进行相应的表面钝化，从而降低表面能。也就是说可以采用这种方法生长各材料系的纳米岛。
权利要求
1.一种半导体纳米结构，其特征在于，该结构包括一衬底，作为半导体器件的承载体；一半导体缓冲层，该半导体缓冲层通过外延生长技术形成在衬底上，起到缓冲衬底和其他层之间应力的作用；一半导体模板层，该半导体模板层通过外延生长技术形成在半导体缓冲层上，作为支撑模板；一钝化层，该钝化层通过表面钝化形成在半导体模板层上，起到提高吸附原子在表面迁移势垒的作用；一半导体诱导层，该半导体诱导层制作在钝化层上，起到促进半导体纳米岛形成的作用；一半导体纳米岛层，该半导体纳米岛层制作在半导体诱导层上，作为光电子器件的活性层；一半导体盖帽层，该半导体盖帽层制作在半导体纳米岛层上，起到保护半导体纳米岛层，或者提供载流子的作用。
2.根据权利要求1所述的半导体纳米结构，其特征在于，其中所说的衬底的材料为氮化镓、氮化铝、氮化铟单晶材料，磷化铟，砷化镓材料、蓝宝石材料、硅单晶材料、尖晶石材料、碳化硅材料、氧化锌材料、硅上生长氧化铝复合材料、硅上生长氮化铝复合材料、硅上生长氧化锌复合材料。
3.根据权利要求1所述的半导体纳米结构，其特征在于，其中半导体缓冲层的厚度为10-500纳米，生长温度是300℃-800℃。
4.根据权利要求1所述的半导体纳米结构，其特征在于，其中半导体诱导层，其生长温度300℃-800℃，厚度为1-300纳米。
5.根据权利要求1所述的半导体纳米结构，其特征在于，其中所说的半导体纳米岛层为单层或多层，每一层厚度为1纳米到300纳米，不同层之间的材料相同或不相同。
6.一种半导体纳米结构的制作方法，其特征在于，包括如下步骤步骤1在衬底上通过外延生长技术形成一半导体缓冲层，起到缓冲衬底和其他层之间应力的作用；步骤2在半导体缓冲层上通过外延生长技术形成形成一半导体模板层，作为支撑模板；步骤3对半导体模板层进行钝化，在半导体模板层表面上形成一钝化层，起到提高吸附原子在表面迁移势垒的作用；步骤4在钝化层上制作半导体诱导层，起到促进半导体纳米岛形成的作用；步骤5在半导体诱导层上制作半导体纳米岛层，作为光电子器件的活性层；步骤6在半导体纳米岛层上通过外延生长技术制作半导体盖帽层，起到保护半导体纳米岛层，或者提供载流子的作用。
7.根据权利要求6所述的半导体纳米结构制作方法，其特征在于，其中所说的衬底的材料为氮化镓、氮化铝、氮化铟单晶材料，磷化铟，砷化镓材料、蓝宝石材料、硅单晶材料、尖晶石材料、碳化硅材料、氧化锌材料、硅上生长氧化铝复合材料、硅上生长氮化铝复合材料、硅上生长氧化锌复合材料。
8.根据权利要求6所述的半导体纳米结构制作方法，其特征在于，其中半导体缓冲层的厚度为10-100纳米，生长温度是300℃-800℃。
9.根据权利要求6所述的半导体纳米结构制作方法，其特征在于，其中半导体诱导层生长温度300℃-800℃，厚度为1-300纳米。
10.根据权利要求6所述的半导体纳米结构制作方法，其特征在于，其中所说的半导体纳米岛层为单层或多层，每一层厚度为1纳米到300纳米，不同层之间的材料相同或不相同。
全文摘要
一种半导体纳米结构，包括一衬底作为半导体器件的承载体；一半导体缓冲层，通过外延生长技术形成在衬底上，起到缓冲衬底和其他层之间应力的作用；一半导体模板层，通过外延生长技术形成在半导体缓冲层上，作为支撑模板；一钝化层，通过表面钝化形成在半导体模板层上，起到提高吸附原子在表面迁移势垒的作用；一半导体诱导层，制作在钝化层上，起到促进半导体纳米岛形成的作用；一半导体纳米岛层，制作在半导体诱导层上，作为光电子器件的活性层；一半导体盖帽层，制作在半导体纳米岛层上，起到保护半导体纳米岛层，或者提供载流子的作用。
文档编号H01L31/08GK101026203SQ200610003180
公开日2007年8月29日 申请日期2006年2月22日 优先权日2006年2月22日
发明者陈振 申请人:中国科学院半导体研究所