專利名稱：在解理面上制作半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種制作單層或多層半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)的方法，特別是指一種在解理面上制作半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)的方法。
背景技術(shù)：
半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)是納米尺寸范圍的微小晶體結(jié)構(gòu)，由于三或二維量子限制作用，半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)具有分立的電子能譜，從而具有傳統(tǒng)的體材料和量子阱材料所不具備的特異的光學(xué)和電學(xué)性質(zhì)。更重要的是，這些特異的光電性質(zhì)完全取決于半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)的尺寸和形狀，可以通過(guò)對(duì)半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)的大小和形狀的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)光電性質(zhì)的人工剪裁。因此半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)具有非常廣闊的應(yīng)用前景。在光電子器件方面，半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)可用于制作激光器、紅外探測(cè)器、光調(diào)制器、超輻射發(fā)光管以及單光子光源等。在電子器件方面，半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)可以制備單電子晶體管、單電子存儲(chǔ)器以及量子計(jì)算機(jī)單元(如量子點(diǎn)原胞自動(dòng)機(jī)，有望在未來(lái)的量子計(jì)算、量子密碼通訊和光計(jì)算和處理等方面發(fā)揮重要作用。
早期主要通過(guò)光刻、電子束曝光等精細(xì)加工手段對(duì)量子阱材料進(jìn)行刻蝕，從而獲得納米尺寸的半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)。這種方法的缺點(diǎn)是刻蝕會(huì)引入缺陷和位錯(cuò)等非輻射復(fù)合中心，嚴(yán)重影響半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)的發(fā)光效率，另外對(duì)加工工藝和設(shè)備要求也很高，成本很大。已經(jīng)逐漸不被采用。
目前主要采用應(yīng)變自組裝辦法來(lái)制備半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)。在一種材料上外延生長(zhǎng)晶格常數(shù)不同的另一種材料，存在一個(gè)臨界厚度，當(dāng)外延層厚度超過(guò)它時(shí)，外延材料就會(huì)從二維平面生長(zhǎng)轉(zhuǎn)變?yōu)榧{米尺寸的三維島狀生長(zhǎng)(所謂SK生長(zhǎng)模式)，形成半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)陣列。可以用這種方法制備出無(wú)缺陷、高密度半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)材料，具有非常高的發(fā)光效率。例如，用應(yīng)變自組織量子點(diǎn)材料研制的半導(dǎo)體激光器，其閾值電流已經(jīng)比傳統(tǒng)的量子阱激光器的還要小。然而這種方法制備出來(lái)的半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)，由于應(yīng)變自組織成核的隨機(jī)性，其形狀、尺寸和空間分布雖可通過(guò)優(yōu)化生長(zhǎng)工藝在一定范圍內(nèi)加以調(diào)整，卻難以做到準(zhǔn)確控制，存在著均勻性和有序性的問(wèn)題，阻礙了半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)的實(shí)際應(yīng)用。
克服應(yīng)變自組織納米結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)隨機(jī)性的解決辦法是在圖形化襯底上進(jìn)行應(yīng)變自組織生長(zhǎng)，其關(guān)鍵是要制備出可與外延生長(zhǎng)相適應(yīng)的納米圖形襯底。采用電子曝光等方法，可以獲得納米圖形襯底，但該方法要求有昂貴的納米圖形加工設(shè)備，成本很大，尤其是當(dāng)圖形尺寸小到納米尺度時(shí)，其工藝成本會(huì)大幅度增加。采用陽(yáng)極氧化鋁多孔模板也可以獲得規(guī)則有序的納米圖形，但目前還沒(méi)有很好的方法把納米圖形轉(zhuǎn)移到適合外延生長(zhǎng)的其它半導(dǎo)體襯底上去。另外，氧化鋁的納米圖形的形成本身也不容易控制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種在解理面上制作半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)的方法，主要是通過(guò)在量子阱或超晶格解理面上自組裝生長(zhǎng)單層或多層半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)來(lái)達(dá)到有序和定位的目的，另外，量子阱或超晶格還可以為半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)的發(fā)光波長(zhǎng)提供一個(gè)新調(diào)節(jié)手段。這種方法可以用于制作發(fā)光器件和電子器件的有源層，制備出閾值電流低、溫度特性好的激光器以及新型的電子器件。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下本發(fā)明一種在解理面上制作半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于，該方法包括如下制備步驟步驟1選擇襯底材料，在該襯底上依次外延生長(zhǎng)緩沖層、量子阱結(jié)構(gòu)、蓋帽層；步驟2對(duì)生長(zhǎng)的外延材料進(jìn)行解理，獲得含量子阱截面結(jié)構(gòu)的解理面；步驟3對(duì)含量子阱結(jié)構(gòu)的解理面進(jìn)行表面處理，以利于有序、定位半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)的形成；步驟4在經(jīng)過(guò)處理的上述解理面上外延生長(zhǎng)一層半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)；步驟5在上述半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)上再重復(fù)生長(zhǎng)半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)，包括間隔層和蓋帽層，所生長(zhǎng)的半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)作為光電子器件和電子器件的有源層。
其中所說(shuō)的半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)是指載流子受到三維或二維量子限制的量子點(diǎn)或量子線。
其中步驟1所說(shuō)的量子阱結(jié)構(gòu)是不同摻雜導(dǎo)致的量子阱結(jié)構(gòu)，如δ摻雜形成的量子阱，p-i-n-i超晶格，或是不同組份或材料構(gòu)成的超晶格。
其中步驟2所說(shuō)的解理包括采用各種方法的解理，解理面是自然解理面，或是人工切割出來(lái)的解理面；該解理面與量子阱平面垂直或不垂直。


為了進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明的特征和效果，下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的說(shuō)明，其中圖1是在超晶格解理面上生長(zhǎng)單層納米結(jié)構(gòu)的截面示意圖。其中(a)生長(zhǎng)超晶格結(jié)構(gòu)，其阱寬、勢(shì)壘寬以及組份可在外延生長(zhǎng)過(guò)程中精確控制；(b)表面處理后有表面高度起起伏的超晶格解理面，表面起伏具有超晶格在解理面上的截面圖形；(c)在解理面上生長(zhǎng)單層納米結(jié)構(gòu)，納米結(jié)構(gòu)的尺寸、密度和位置由超晶格決定。
圖2是根據(jù)本發(fā)明在GaAs/AlGaAs超晶格解理面上應(yīng)變自組織生長(zhǎng)InAs量子線的原子力顯微鏡圖像(0.9μm×0.9μm)。
圖3是根據(jù)本發(fā)明在InGaAs/GaAs多量子阱解理面上應(yīng)變自組織生長(zhǎng)InAs量子點(diǎn)的原子力顯微鏡圖像(2μm×2μm)。
具體實(shí)施例方式
請(qǐng)參閱圖1所示，本發(fā)明一種在解理面上制作半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)的方法，該方法包括如下制備步驟步驟1選擇襯底材料，在該襯底10上依次外延生長(zhǎng)緩沖層11、量子阱結(jié)構(gòu)12、蓋帽層13；所說(shuō)的量子阱結(jié)構(gòu)是不同摻雜導(dǎo)致的量子阱結(jié)構(gòu)，如δ摻雜形成的量子阱，p-i-n-i超晶格，或是不同組份或材料構(gòu)成的超晶格；步驟2對(duì)生長(zhǎng)的外延材料進(jìn)行解理，獲得含量子阱截面結(jié)構(gòu)的解理面20；所說(shuō)的解理包括采用各種方法的解理，解理面是自然解理面，或是人工切割出來(lái)的解理面；該解理面與量子阱平面垂直或不垂直；步驟3對(duì)含量子阱結(jié)構(gòu)的解理面20進(jìn)行表面處理，以利于有序、定位半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)的形成；步驟4在經(jīng)過(guò)處理的上述解理面20上外延生長(zhǎng)一層半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)21；其中所說(shuō)的半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)是指載流子受到三維或二維量子限制的量子點(diǎn)或量子線；步驟5在上述半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)21上再重復(fù)生長(zhǎng)半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)，包括間隔層和蓋帽層，所生長(zhǎng)的半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)作為光電子器件和電子器件的有源層。
實(shí)施例1請(qǐng)結(jié)合參閱圖1本發(fā)明一種在解理面上制作半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)的方法，該結(jié)構(gòu)的制備包括了以下步驟步驟1選用半絕緣GaAs(001)晶片作為襯底材料，然后在該襯底10上用分子束外延設(shè)備依次生長(zhǎng)了300納米厚GaAs緩沖層11、六周期GaAs/Al0.25Ga0.75As超晶格結(jié)構(gòu)和1.3微米GaAs蓋帽層13。其中超晶格內(nèi)Al0.25Ga0.75As和GaAs厚度分別為20納米和30納米。
步驟2將外延片取出，在超凈間使用解理刀對(duì)外延片進(jìn)行解理，得到含有超晶格結(jié)構(gòu)截面的(110)自然解理面，并且保證解理面有較好的表面質(zhì)量。
步驟3按照體積比10∶1配置草酸(重量比50％)和雙氧水(30％)混合溶液，將解理后的樣品放在此溶液中進(jìn)行選擇性腐蝕1分鐘(Al0.25Ga0.75As被腐蝕，GaAs基本不被腐蝕)。用高純水沖洗樣品之后，用高純氮?dú)鈱悠反蹈伞?br> 步驟4將樣品重新放入分子束外延設(shè)備生長(zhǎng)室，580℃脫氧約10分鐘之后把襯底溫度降到466℃，然后在解理面上外延生長(zhǎng)了2個(gè)單原子層的InAs。InAs在選擇腐蝕后的超晶格解理面上自組織形成了如圖2所示的量子線結(jié)構(gòu)。
實(shí)施例2圖3是根據(jù)本發(fā)明在InGaAs/GaAs多量子阱解理面上應(yīng)變自組織生長(zhǎng)InAs量子點(diǎn)的原子力顯微鏡圖像(2μm×2μm)。
本發(fā)明一種在解理面上制作半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)的方法，該結(jié)構(gòu)的制備包括了以下步驟步驟1選用半絕緣GaAs(001)晶片作為襯底材料，然后在該襯底上10用分子束外延設(shè)備依次生長(zhǎng)了300納米厚GaAs緩沖層11、十周期In0.1Ga0.9As/GaAs多量子阱結(jié)構(gòu)和1.3微米GaAs蓋帽層13。多量子阱結(jié)構(gòu)中In0.1Ga0.9As和GaAs厚度分別12納米為80納米。
步驟2將外延片取出，在超凈間使用解理刀對(duì)外延片進(jìn)行解理，得到含有量子阱結(jié)構(gòu)截面的(110)自然解理面，并且保證解理面有較好的表面質(zhì)量。
步驟3將解理后的樣品立即重新放入分子束外延設(shè)備生長(zhǎng)室，580℃脫氧約10分鐘之后把襯底溫度降到466℃，然后在解理面上外延生長(zhǎng)了2個(gè)單原子層的InAs。InAs在解理面上InGaAs量子阱位置處自組織形成了如圖3所示的拉長(zhǎng)量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明與以往的技術(shù)相比，該發(fā)明具有以下意義1)適用于目前常用的各類外延生長(zhǎng)設(shè)備，如分子束外延(MBE)，金屬有機(jī)氣相沉積法(MOCVD)等等。
2)適用于各類量子阱和超晶格材料，對(duì)這些材料而言，都可以通過(guò)適當(dāng)解理后獲得解理面，然后在量子阱或超晶格解理面上生長(zhǎng)應(yīng)變自組織納米結(jié)構(gòu)。
3)應(yīng)變自組織納米結(jié)構(gòu)的尺寸與量子阱或超晶格的尺寸(其精度可達(dá)到單原子層)密切相關(guān)，其空間位置也取決于量子阱或超晶格的位置，因此可以精確控制應(yīng)變自組織納米結(jié)構(gòu)的尺寸和空間位置。
該方法工藝成本低，不需要昂貴的納米加工工藝設(shè)備即可完成納米圖形襯底的制備。
權(quán)利要求
1.一種在解理面上制作半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于，該方法包括如下制備步驟步驟1選擇襯底材料，在該襯底上依次外延生長(zhǎng)緩沖層、量子阱結(jié)構(gòu)、蓋帽層；步驟2對(duì)生長(zhǎng)的外延材料進(jìn)行解理，獲得含量子阱截面結(jié)構(gòu)的解理面；步驟3對(duì)含量子阱結(jié)構(gòu)的解理面進(jìn)行表面處理，以利于有序、定位半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)的形成；步驟4在經(jīng)過(guò)處理的上述解理面上外延生長(zhǎng)一層半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)；步驟5在上述半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)上再重復(fù)生長(zhǎng)半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)，包括間隔層和蓋帽層，所生長(zhǎng)的半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)作為光電子器件和電子器件的有源層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所敘述的在解理面上制作半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于，其中所說(shuō)的半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)是指載流子受到三維或二維量子限制的量子點(diǎn)或量子線。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在解理面上制作半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于，其中步驟1所說(shuō)的量子阱結(jié)構(gòu)是不同摻雜導(dǎo)致的量子阱結(jié)構(gòu)，如δ摻雜形成的量子阱，p-i-n-i超晶格，或是不同組份或材料構(gòu)成的超晶格。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在解理面上制作半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于，其中步驟2所說(shuō)的解理包括采用各種方法的解理，解理面是自然解理面，或是人工切割出來(lái)的解理面；該解理面與量子阱平面垂直或不垂直。
全文摘要
一種在解理面上制作半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)的方法，該方法包括如下制備步驟步驟1選擇襯底材料，在該襯底上依次外延生長(zhǎng)緩沖層、量子阱結(jié)構(gòu)、蓋帽層；步驟2對(duì)生長(zhǎng)的外延材料進(jìn)行解理，獲得含量子阱截面結(jié)構(gòu)的解理面；步驟3對(duì)含量子阱結(jié)構(gòu)的解理面進(jìn)行表面處理，以利于有序、定位半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)的形成；步驟4在經(jīng)過(guò)處理的上述解理面上外延生長(zhǎng)一層半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)；步驟5在上述半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)上再重復(fù)生長(zhǎng)半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)，包括間隔層和蓋帽層，所生長(zhǎng)的半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)作為光電子器件和電子器件的有源層。
文檔編號(hào)H01S5/00GK1725436SQ20041006929
公開(kāi)日2006年1月25日 申請(qǐng)日期2004年7月20日 優(yōu)先權(quán)日2004年7月20日
發(fā)明者陳涌海, 張春玲, 崔草香, 徐波, 金鵬, 劉峰奇, 王占國(guó) 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所