本发明属于半导体领域，具体涉及一种在gaas二维电子系统上构建人工晶格的制备方法。
背景技术
石墨烯所具有的特殊能带结构(线性色散关系)导致其具有许多新奇物理特性，其特殊的π贝里相位可使载流子处于某些特殊的拓扑量子态，因此石墨烯被广泛应用于研制新奇量子器件，具备用于拓扑量子计算的可能。另外，石墨烯多数载流子可以从电子调节为空穴，即电子型器件与空穴型器件间的转换，这在电子技术方面也有着巨大的应用价值。
理论预言在gaas/algaas二维电子系统施加周期调制势后所形成的类似于石墨烯六角排列的人工晶格在一定条件下会初步呈现出线性色散关系。相比石墨烯，这种人工晶格的晶格周期可以人为地设计，具有一定的灵活性。在实验物理中制备出符合条件的人工晶格是验证该理论预言的首要任务，本发明所涉及的微加工工艺提供了制备人工晶格的一种途径。
技术实现要素：
因此，本发明的目的在于克服现有技术中的缺陷，本发明为半导体器件的微加工工艺，利用电子束曝光和干法刻蚀技术相结合制备小周期的人工晶格的制备方法和应用。曝光、显影与刻蚀参数是制备均匀晶格的关键。
在阐述本发明的技术方案之前，定义本文中所使用的术语如下：
术语“pmma”是指：聚甲基丙烯酸甲酯。
术语“hallbar”是指：传统的四端法测电阻器件，呈“艹”形状。
术语“mibk”是指：甲基异丁酮。
术语“二维电子气”是指：位于gaas/algaas界面的一层导电沟道，厚度10nm量级，但沿厚度方向的运动忽略不计，只考虑沿着界面内的载流子运动，故属于二维。
术语“eht”是指：极高压，电子束曝光的参数。
为实现上述目的，本发明的第一方面提供了一种包含gaas二维电子系统的层状结构，所述层状结构包括：
衬底和从下至上依次设置于所述衬底上的：
gaas/alxga1-xas超晶格层；
第一gaas层；
二维电子气层，设置于第一gaas层与第一alxga1-xas层界面处；
第一alxga1-xas层；
掺杂层；
第二alxga1-xas层；以及
第二gaas层。
优选地，所述gaas/alxga1-xas超晶格层包含40-60个间隔周期，优选为50个间隔周期。
优选地，所述二维电子气层的材料为gaas/algaas异质结二维电子气；和/或
所述掺杂层的材料选自硅或锗，优选为硅；和/或
所述衬底的材料为gaas。
本发明的第二方面提供了一种基于gaas二维电子系统的人工晶格，所述人工晶格通过本发明第一方面所述的包含gaas二维电子系统的层状结构经电子束曝光和干法刻蚀制得。
本发明还提供了第二方面所述的人工晶格的制备方法，所述制备方法包括：
对所述包含gaas二维电子系统的层状结构涂胶及热板烘烤；
对涂胶后的包含gaas二维电子系统的层状结构进行电子束曝光和显影；
对曝光后的包含gaas二维电子系统的层状结构进行干法刻蚀和
去胶。
优选地，所述方法进一步包括：
对所述包含gaas二维电子系统的层状结构涂胶使用pmma胶，使用台式匀胶机进行涂胶，转速为5000～7000rpm；
所述热板烘烤温度为100℃～250℃，优选为150℃～200℃，最优选为180℃；和/或
所述去胶过程使用丙酮溶液浸泡所述包含gaas二维电子系统的层状结构，优选地，用铝箔覆盖加热，最优选地，加热温度为80℃，加热时间为10分钟。
优选地，通过调节电子束曝光参数控制人工晶格周期在100-600nm。
还优选地，对所述涂胶后的包含gaas二维电子系统的层状结构进行电子束曝光后，显影使用mibk与异丙醇的混合溶液，优选地，mibk与异丙醇的体积比为1:3到1:4；最优选地，mibk与异丙醇的体积比为1:3。
再优选地，对所述曝光后的包含gaas二维电子系统的层状结构样品进行干法刻蚀时，bcl3流量为5.0～25.0sccm，cl2流量为1.0～5.0sccm，ar流量为0.0～15.0sccm，压强为1.0～5.0mtorr，rf功率为5～25w，icp功率为100～500w，温度为10～50℃，相应的刻蚀速率：150～500纳米/分钟；
优选地，bcl3流量为8.0～12.0sccm，cl2流量为2.0～4.0sccm，ar流量为8.0～12.0sccm，压强为2.0～3.0mtorr，rf功率为10～20w，icp功率为200～400w，温度为20～30℃，相应的刻蚀速率：200～400纳米/分钟；
最优选地，bcl3流量为10.0sccm，cl2流量为2.5sccm，ar流量为10.0sccm，压强为2.5mtorr，rf功率为15w，icp功率为300w，温度为25℃，刻蚀速率：260～270纳米/分钟。
本发明第三方面提供了本发明第一方面所述的包含gaas二维电子系统的层状结构或本发明第二方面所述的基于gaas二维电子系统的人工晶格在制备半导体器件中的应用；优选地，所述半导体器件为新型量子器件。
本发明为制备人工晶格提供一种微加工工艺途径。这涉及制备介观器件的微加工技术：常规的制备hallbar器件包括紫外光刻与物理气相沉积；制备亚微米尺度器件设计则需要电子束曝光，后续工艺包括相应的干法刻蚀技术。本发明中的电子束曝光技术和干法刻蚀技术的配合可得到从1000nm到100nm不同周期的人工晶格。优选地，所述器件具有以下特点：所需半导体材料为gaas/algaas异质结二维电子气。
本发明的提供的gaas二维电子系统和人工晶格可以具有但不限于以下有益效果：
1、相比石墨烯，本发明提供的人工晶格的晶格周期可以人为地设计，具有一定的灵活性；
2、从电子调节为空穴，即电子型器件与空穴型器件间的转换，在电子技术方面有着巨大的应用价值。
附图说明
以下，结合附图来详细说明本发明的实施方案，其中：
图1示出了本发明提供的制备人工晶格方法的工艺流程；
图2示出了本发明提供的人工晶格俯视图，圆点位置是刻蚀下去的地方；
图3示出了本发明所使用的包含gaas二维电子系统的层状结构；
图4示出了本发明所使用的包含gaas二维电子系统的层状结构所对应的电子导带底的能带结构；
图5示出了本发明实施例2中不同晶格周期的器件表面的电镜图，(a)周期100nm(b)周期120nm(c)周期600nm；
图6示出了本发明试验例1中使用的测量装置；
图7示出了本发明试验例1的测量结果。
具体实施方式
下面通过具体的实施例进一步说明本发明，但是，应当理解为，这些实施例仅仅是用于更详细具体地说明之用，而不应理解为用于以任何形式限制本发明。
本部分对本发明试验中所使用到的材料以及试验方法进行一般性的描述。虽然为实现本发明目的所使用的许多材料和操作方法是本领域公知的，但是本发明仍然在此作尽可能详细描述。本领域技术人员清楚，在上下文中，如果未特别说明，本发明所用材料和操作方法是本领域公知的。
以下实施例中使用的试剂和仪器如下：
试剂：
pmma950a4胶，mibk，购自microchem；浓硫酸、过氧化氢、丙酮，异丙醇，购自国药集团。光刻胶ar5350购自allresist，ga购自英国5nplus公司，as购自日本furukawa公司，al购自日本真空株式会社，si购自德国mbecomponents公司；
湿法刻蚀液：浓硫酸、过氧化氢、去离子水混合(1：8：100)
仪器：
台式匀胶机，购自鑫有研电子科技(中国)有限公司，型号modelkw-4a；
电子束曝光系统，购自raith，型号raith150；
干法刻蚀系统，购自oxfordinstruments，型号plasmalabsystem100(icp180)；
扫描电子显微镜，购自zeiss型号supra；
分子束外延系统，购自riber型号c21hm；
紫外光刻机，购自oai型号model200；
高能电子衍射仪，购自staibinstruments型号rv-fm100。
3he制冷机购自oxfordinstruments，型号helioxtl
实施例1
本实施例用于说明本发明提供的包含gaas二维电子系统的层状结构
的制备方法。
本发明利用分子束外延技术生长出的层状结构，用传统top-down工艺制备出hallbar器件。
层状结构的生长：把gaas衬底置于分子束外延系统的主腔内的加热台上，抽至极限真空。生长时，衬底先被充分加热至600～650℃，需要用到的元素对应的坩埚被加热，固态的原料蒸发出原子气，挡板打开后原子气就形成束流进入腔体，到达衬底表面。原子被吸附到衬底上面后开始沿着衬底表面扩散，当原子到达某个晶格点上，便和底下的晶格耦合在一起，随着原子不断扩散就会铺满新的一层。生长时ga的坩埚和as的坩埚同时打开，ga原子和as原子同时到达衬底上，ga原子和as原子按1:1配对排列好，与下面晶格耦合形成一个新分子层。用高能电子衍射手段同步检测可控制所需生长的分子层数。另外al和si原子也是按同样的方式外延出层状结构。
top-down工艺制备hallbar器件：(1)在层状结构上涂上光刻胶ar5350，利用紫外光刻刻出电极分布的区域。(2)在整个样品上镀上金属膜pd/ge/au，用丙酮浸泡去掉多余的胶和多余金属膜，使得只有电极分布区域留下金属膜。(3)退火，使金属膜与gaas反应并往下渗透，形成与二维电子气的接触。(4)涂上光刻胶进行第二次紫外光刻，显影后得出hallbar形状的胶膜。(5)湿法刻蚀，没有光刻胶挡住的地方被腐蚀掉，之后用丙酮浸泡去胶，最终得到呈hallbar形状分布的二维电子气。
实施例2
本实施例用于说明本发明提供的人工晶格的制备方法。
(1)涂胶：使用microchem的pmma950a4胶，利用台式匀胶机将胶均匀铺在包含gaas二维电子系统的层状结构上，转速为5000—7000rpm。然后在热板上烘烤，180℃持续2分钟。
(2)电子束曝光使用raith150系统，显影使用mibk与异丙醇按1:3混合。
相关参数因晶格周期不同而有所变化，具体结果参见表1：
表1.电子束参数随晶格周期的变化
(3)干法刻蚀使用oxfordinstruments的plasmalabsystem100。
刻蚀速率根据特气配比、压强、射频源功率、电感耦合功率而变化，具体结果参见表2。
表2.干法刻蚀速率随流量与压强的变化
(rf功率15w、icp功率300w、温度25℃条件下)
常用的一组参数为
bcl3/cl2/ar流量：10.0/2.5/10.0sccm，压强：2.5mtorr，rf功率：15w，icp功率：300w，温度：25℃，实际刻蚀速率：260纳米/分钟，实际刻蚀深度因需求而异，一般需超过如图3所示层状结构的掺杂层。
(4)去胶：浸泡在丙酮溶液内去胶(根据情况可用铝箔盖住加热至
80℃)，至少持续10分钟。
图5示出了根据本实施例方法制备的不同晶格周期的器件表面的电镜图，(a)周期100nm(b)周期120nm(c)周期600nm。
试验例1
本试验例用于说明本发明提供的基于gaas二维电子系统的人工晶格在新型量子器件中的潜在应用。
将器件置于3he制冷机中，在低温下进行测量，按图6所示纵向通入小电流，在侧面电极中测量纵向电阻rxx和横向电阻rxy,施加垂直于样品的磁场，改变磁场大小得出r-b曲线如图7所示。图7中rxx曲线的峰对应电子围绕若干个人工晶格格点的圆轨道。本发明提供的基于gaas二维电子系统的人工晶格可作为拓扑量子计算的备选材料。
尽管本发明已进行了一定程度的描述，明显地，在不脱离本发明的精神和范围的条件下，可进行各个条件的适当变化。可以理解，本发明不限于所述实施方案，而归于权利要求的范围，其包括所述每个因素的等同替换。