專利名稱：分子束外延自組織生長量子線結(jié)構(gòu)材料制備方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明公開了一種分子束外延自組織生長量子線結(jié)構(gòu)材料制備方法，特別適用于制備量子線結(jié)構(gòu)的固體光電子和微電子器件如激光器、場效應晶體管等器件結(jié)構(gòu)材料。
量子線結(jié)構(gòu)材料的研究不僅是半導體物理學、材料學研究的基本問題，而且其優(yōu)異的光學和電學特性可直接被利用制備成性能優(yōu)良的器件產(chǎn)品，因此國內(nèi)外都投入很大的資金和技術(shù)力量來從事這一領域的研究。目前制備量子線的工藝方法主要有以下幾種(1)以二維材料為基礎，利用磁場對載流子進行另一維限制來實現(xiàn)。這種方法只能用來研究很少的一些基本物理問題。
(2)分裂柵技術(shù)，通過柵電極加偏壓耗盡載流子來實現(xiàn)。缺點是對微細加工技術(shù)要求高且形成的結(jié)構(gòu)尺度太大，量子效應不明顯。
(3)依然以二維材料為基礎，在生長室對二維材料進行解理，然后在斷面上進行二次外延形成‘T型’量子線結(jié)構(gòu)。這種方法難度大不易推廣。
(4)在外延生長前，利用電子束光刻干法刻蝕，對要生長的襯底表面進行‘預加工’出一定的形狀。其優(yōu)點量子線的尺寸均勻，缺點是存在界面損傷和界面質(zhì)量問題，且生長后的尺度不是很窄(量子線密度低)，量子線的截面形狀有‘V槽’和‘脊型’等。
(5)在小偏角襯底上白組織方法生長。優(yōu)點是工藝簡單，但量子線密度低，一維特性需進一步提高。
本發(fā)明的目的在于避免上述背景技術(shù)中的不足之處而提供一種不涉及光刻、外延層腐蝕等復雜工藝，利用分子束外延技術(shù)和高面指數(shù)襯底不平整性，在生長室一次生長形成量子線結(jié)構(gòu)的制備方法。該方法工藝簡單，可重復性強，制造成本低，所形成的量子線密度高且均勻性好。
本發(fā)明的目的是這樣完成的，它包含的制備加工步驟有a．在高面指數(shù)砷化鎵1襯底上生長一層厚度為50至150納米砷化鎵或40至100周期砷化鎵/砷化鋁超晶格的緩沖層2；b．在緩沖層2上生長一層厚度為10至50納米的砷化鎵下勢壘層3；c．在砷化鎵下勢壘層3上生長一層厚度為1至8納米厚的鎵銦砷量子線勢阱層4；d．在鎵銦砷量子線勢阱層4生長一層厚度為10至50納米的砷化鎵上勢壘層5。
本發(fā)明還包含以下的制備加工步驟本發(fā)明切拋的高面指數(shù)砷化鎵1襯底的晶面切拋沿(111)B晶面偏向(110)B晶面方向，偏角大小為5至22度。
本發(fā)明生長砷化鎵或砷化鎵/砷化鋁超晶格緩沖層2、砷化鎵下勢壘層3、鎵銦砷量子線勢阱層4、砷化鎵上勢壘層5的砷蒸氣壓均為1×10-5至2.5×10-7托、鎵蒸氣壓均為1×10-5至2.5×10-7托，砷蒸氣壓與鎵蒸氣壓之比為1∶1至40∶1。
本發(fā)明生長砷化鎵或砷化鎵/砷化鋁超晶格緩沖層2的溫度為530至610℃；生長砷化鎵下勢壘層3、鎵銦砷量子線勢阱層4、砷化鎵上勢壘層5的溫度均為560至590℃。
本發(fā)明生長鎵銦砷量子線勢阱層4的銦組份范圍為0.05至1。
本發(fā)明相比背景技術(shù)有如下優(yōu)點1．本發(fā)明利用分子束外延技術(shù)和高面指數(shù)襯底的不平整性特點，通過控制生長溫度、元素蒸氣壓等生長條件自組織生長，在生長室一次生長完成。因此該方法具有工藝簡單，可重復性強等特點便于實現(xiàn)批量生產(chǎn)。
2．本發(fā)明由于是一次自組織生長完成，不涉及光刻和外延層腐蝕等復雜工藝，因此制備出的量子線密度高、均勻性好具有良好的一維特性，可大大提高材料和器件的電學和光學特性。
3．本所用的制造設備、源及器材等通用性強，因此可大大降低制造加工成本。
以下結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步詳細描述。


圖1是本發(fā)明的材料結(jié)構(gòu)示意圖。
參照圖1，本發(fā)明采取以下加工步驟首先在高面指數(shù)砷化鎵1襯底上生長一層厚度為50至150納米砷化鎵或40至100周期砷化鎵/砷化鋁超晶格的緩沖層2。實施例采用市售常規(guī)的RIBER-32P型分子束外延設備進行量子線結(jié)構(gòu)材料外延生長。高面指數(shù)砷化鎵1襯底的晶面的切拋沿(111)B晶面偏向(110)B晶面方向，偏角大小為5至22度。實施例采用砷化鎵(GaAs)材料作襯底，切拋沿(553)B晶面，偏角為12.3o。然后對(553)B砷化鎵1襯底進行常規(guī)的化學腐蝕、清洗以去除機械損傷和氧化層并烘干。(553)B砷化鎵襯底1的化學腐蝕速度會對外延生長的材料質(zhì)量產(chǎn)生很大影響。襯底腐蝕的速度過慢時就無法去除拋光機械損傷和表面氧化層；過快時易在表面形成腐蝕條紋，這樣在進行分子束外延生長時會在外延層形成大量的缺陷，影響材料的光學和電學性質(zhì)，嚴重時甚至會使表面呈霧狀，無法發(fā)光，同時大大降低載流子的遷移率。因此合適的襯底腐蝕速度是進行襯底清潔和高質(zhì)量薄膜外延的前提。實施例采用濃硫酸(H2SO4)、雙氧水(H2O2)和去離子水(H2O)的常規(guī)腐蝕液并把腐蝕速度控制在20至35納米/分鐘進行襯底表面處理。把處理好并烘干的(553)B砷化鎵襯底裝入RIBER-32P型分子束外延設備的生長室。裝入生長室的襯底在砷蒸氣壓為1×10-5至2.5×10-7托下經(jīng)過高溫預處理，這一過程是為了去除襯底表面的薄氧化層。然后在生長溫度530至610℃下生長一層厚度為50至150納米的砷化鎵(GaAs)緩沖層2。實施例采用砷蒸氣壓為5×10-6托，鎵蒸氣壓為5×10-7托，砷(As)與鎵(Ga)蒸氣壓比為10∶1。生長溫度為580℃。砷化鎵(GaAs)緩沖層2生長厚度為80納米，生長速率約為1.0微米/小時。
接著在緩沖層2上生長一層厚度為10至50納米的砷化鎵(GaAs)下勢壘層3，在砷化鎵(GaAs)下勢壘層3上再生長一厚度為1至8納米的鎵銦砷(GaxIn1-xAs)量子線勢阱層4。生長砷化鎵(GaAs)下勢壘層3和鎵銦砷(GaxIn1-xAs)量子線勢阱層4的砷(As)與鎵(Ga)蒸氣壓均為1×10-5至2.5×10-7托，并且砷蒸氣壓與鎵蒸氣壓之比為1∶1至40∶1，生長溫度為560至590℃。實施例生長砷化鎵(GaAs)下勢壘層3的砷蒸氣壓為5×10-6托，鎵蒸氣壓為5×10-7托，砷(As)與鎵(Ga)蒸氣壓比為10∶1，生長溫度為570℃，生長速率為0.6微米/小時，生長砷化鎵(GaAs)下勢壘層3的厚度為20納米。實施例鎵銦砷(GaxIn1-xAs)量子線勢阱層4采用的砷蒸氣壓為5×10-6托，鎵蒸氣壓為5×10-7托，砷(As)與鎵(Ga)蒸氣壓比為10∶1，生長溫度為570℃，生長速率為0.6微米/小時，生長鎵銦砷量子線勢阱層4的厚度為3納米。本發(fā)明生長溫度的高低直接影響到外延材料的質(zhì)量，太高或太低的生長溫度都無法得到鏡亮的表面，而且生長溫度對材料的發(fā)光有強烈的影響。本發(fā)明鎵銦砷(GaxIn1-xAs)量子線勢阱層4的銦(In)組份范圍0.05至1。實施例采用銦(In)的組份為0.15。
本發(fā)明為實現(xiàn)對鎵銦砷量子線勢阱層4中載流子的兩維限制作用，最后在鎵銦砷量子線勢阱層4上再生長一層厚度為10至50納米的砷化鎵(GaAs)上勢壘層5。生長砷化鎵(GaAs)上勢壘層5的砷(As)與鎵(Ga)蒸氣壓均為1×10-5至2.5×10-7托，并且砷蒸氣壓與鎵蒸氣壓之比為1∶1至40∶1，生長溫度為560至590℃。實施例生長砷化鎵(GaAs)上勢壘層5的采用砷(As)蒸氣壓為5×10-6托，鎵(Ga)蒸氣壓為2.5×10-7托，砷蒸氣壓與鎵蒸氣壓之比為10∶1，生長溫度為570℃，生長速率為0.6微米/小時，生長砷化鎵(GaAs)上勢壘層5的厚度為30納米。
本發(fā)明原理是利用高面指數(shù)的不平整性，在不同生長條件下，包括生長溫度、元素蒸氣壓比、生長時間和生長速率等，在分子束外延設備中自組織生長量子線結(jié)構(gòu)材料。該材料量子線結(jié)構(gòu)具有高密度、高均勻性、生長過程簡單等優(yōu)點。本發(fā)明所需的生長溫度、元素蒸氣壓比、生長速率、生長時間和源等均有RIBER-32P型分子束外延設備提供和控制。
本發(fā)明鎵銦砷量子線勢阱層4外延生長的材料的表面是平整的或是折皺狀(鋸齒狀)的?？刂坪蒙L條件使鎵銦砷量子線勢阱層4材料的形成為折皺狀(鋸齒狀)的，再生長上勢壘層5材料，這樣就使載流子限制在勢阱層的寬處，而在兩邊界面處受到鋸齒狀邊緣的勢壘材料的限制，形成量子線結(jié)構(gòu)材料。
權(quán)利要求
1．一種分子束外延自組織生長量子線結(jié)構(gòu)材料制備方法，其特征在于它包含的加工步驟有a．在高面指數(shù)砷化鎵(1)襯底上生長一層厚度為50至150納米砷化鎵或40至100周期砷化鎵/砷化鋁超晶格的緩沖層(2)；b．在緩沖層(2)上生長一層厚度為10至50納米的砷化鎵下勢壘層(3)；c．在砷化鎵下勢壘層(3)上生長一層厚度為1至8納米厚的鎵銦砷量子線勢阱層(4)；d．在鎵銦砷量子線勢阱層(4)生長一層厚度為10至50納米的砷化鎵上勢壘層(5)。
2．根據(jù)權(quán)利要求1所述的分子束外延自組織生長量子線結(jié)構(gòu)材料制備方法，其特征在于切拋的高面指數(shù)砷化鎵(1)襯底的晶面沿(111)B晶面偏向(110)B晶面方向，偏角大小為5至22度。
3．根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的分子束外延自組織生長量子線結(jié)構(gòu)材料制備方法，其特征在于生長砷化鎵或砷化鎵/砷化鋁超晶格緩沖層(2)、砷化鎵下勢壘層(3)、鎵銦砷量子線勢阱層(4)、砷化鎵上勢壘層(5)的砷蒸氣壓均為1×10-5至2.5×10-7托、鎵蒸氣壓均為1×10-5至2.5×10-7托，砷蒸氣壓與鎵蒸氣壓之比為1∶1至40∶1。
4．根據(jù)權(quán)利要求3所述的分子束自組織生長量子線結(jié)構(gòu)材料制備方法，其特征在于生長砷化鎵或砷化鎵/砷化鋁超晶格緩沖層(2)的溫度為530至610℃；生長砷化鎵下勢壘層(3)、鎵銦砷量子線勢阱層(4)、砷化鎵上勢壘層(5)的溫度均為560至590℃。
5．根據(jù)權(quán)利要求4所述的分子束外延白組織生長量子線結(jié)構(gòu)材料制備方法，其特征在于生長鎵銦砷量子線勢阱層(4)的銦組份范圍為0.05至1。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種分子束外延自組織生長量子線結(jié)構(gòu)材料制備方法。它利用分子束外延技術(shù)和高面指數(shù)襯底本身不平整性的特點,在控制好一定的生長溫度、元素蒸氣壓比、生長速率和生長時間等生長條件下,在分子束外延設備中自組織一次外延制備量子線結(jié)構(gòu)材料。它不涉及光刻、外延層腐蝕等復雜工藝,制備工藝簡單,可重復性強,制造成本低。利用本方法制備的量子線具有高密度、高均勻性及良好的一維特性?？蓱糜诠腆w光電子和微電子等器件。
文檔編號H01S5/00GK1312583SQ01110768
公開日2001年9月12日 申請日期2001年4月20日 優(yōu)先權(quán)日2001年4月20日
發(fā)明者閻發(fā)旺, 張文俊, 張榮桂, 梁春廣 申請人:信息產(chǎn)業(yè)部電子第十三研究所