專利名稱：一種GaAs基InAs量子環(huán)的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體物理和固態(tài)量子信息材料領(lǐng)域，更具體地，本發(fā)明涉及一種采用金屬
有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)技術(shù)制備GaAs基InAs量子環(huán)材料的方法。
背景技術(shù)：
半導(dǎo)體量子點(diǎn)和量子環(huán)等低維結(jié)構(gòu)是近年來半導(dǎo)體物理和固態(tài)量子信息材料領(lǐng)域最重要 研究內(nèi)容之一，尤其是GaAs基InAs量子點(diǎn)和量子環(huán)材料及器件是國際上前沿的研究課題之 一。量子點(diǎn)具有類似于原子的分立能級，這使它的性質(zhì)遠(yuǎn)比高維度的量子阱和量子線更為獨(dú) 特，各種量子化效應(yīng)，諸如量子尺寸效應(yīng)、量子干涉效應(yīng)、量子隧穿效應(yīng)和庫侖阻塞效應(yīng)等， 更加顯著。這些效應(yīng)直接影響量子點(diǎn)的電子結(jié)構(gòu)、輸運(yùn)和光學(xué)等各種物理性質(zhì)，在新一代的 量子器件中有十分誘人的應(yīng)用前景。
量子點(diǎn)的外延生長目前最主要的方法是自組織(SK )生長.它適用于晶格失配較大， 但應(yīng)變外延層和襯底間的界面能不是很大的異質(zhì)結(jié)材料體系。SK外延生長初始階段是二維 層狀生長，通常只有幾個(gè)原子層厚，隨著層厚的增加，應(yīng)變能不斷積累，當(dāng)達(dá)到某一個(gè)臨界 厚度時(shí)，外延生長則由二維層狀生長過渡到三維島狀生長，以降低系統(tǒng)的能量。三維島狀生 長初期形成的納米量級尺寸的小島周圍是無位錯(cuò)的。若用禁帶寬度大的材料將其包圍起來， 小島中的載流子受到三維限制，成為量子點(diǎn)。所采用的外延生長設(shè)備為分子束外延生長 (MBE)、化學(xué)束外延生長(CBE)和金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)。
同量子點(diǎn)一樣，三維受限的量子環(huán)在電學(xué)、光學(xué)和磁學(xué)的理論和實(shí)驗(yàn)方面都引起了極大 的關(guān)注。不僅如此，理論和實(shí)驗(yàn)研究表明，量子點(diǎn)和量子環(huán)在光、電和磁學(xué)等方面有明顯的 不同。同量子點(diǎn)相比，量子環(huán)中心有一個(gè)圓孔，能對電子形成環(huán)形的限制勢阱，因而具有顯 著不同與量子點(diǎn)的光、電和磁學(xué)性質(zhì)。量子環(huán)很快成為近幾年來研究的熱點(diǎn)，利用這種環(huán)狀 結(jié)構(gòu)可以觀察到著名的AB (Aharonov-Bohm-oscillations)效應(yīng)和局域化超導(dǎo)電流。理論研究 表明，半導(dǎo)體量子環(huán)的電子結(jié)構(gòu)和磁性隨電子數(shù)目而變化，當(dāng)量子環(huán)含有一系列特定數(shù)目的 電子時(shí)，具有自發(fā)的鐵磁態(tài)。量子環(huán)在納米器件方面具有很好的應(yīng)用前景，例如量子環(huán)中的 電子在順時(shí)針環(huán)繞和逆時(shí)針環(huán)繞是分別對應(yīng)O， l兩態(tài)，該特性有可能在將來應(yīng)用于高密度數(shù) 字存儲器件。
然而迄今為止，制備量子環(huán)的方法非常有限。主要包括兩大類即使用復(fù)雜的光刻技術(shù)制備量子環(huán)和自組織方法制備量子環(huán)。利用光刻技術(shù)制備的量子環(huán)，制備工藝復(fù)雜，成本高， 且容易引入缺陷。而自組織方法制備量子環(huán)相對來說比較簡單，即首先生長自組織量子點(diǎn)， 然后生長一層極薄的覆蓋層將量子點(diǎn)部分覆蓋，最后經(jīng)過退火過程，量子點(diǎn)就會自發(fā)轉(zhuǎn)變成 納米自組織量子環(huán)。利用該方法制備的量子環(huán)的尺寸可以做得很小，量子環(huán)中缺陷大大地降 低。

發(fā)明內(nèi)容
我們提出了一種GaAs基InAs量子環(huán)的制備方法。
本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的，采用MOCVD外延技術(shù)生長各外延層；制備步驟包括在GaAs 襯底上依次生長GaAs過渡層、InAs量子點(diǎn)層、GaAs覆蓋層；所述InAs量子點(diǎn)的生長速率 為0.005 - 0.05個(gè)單原子層/秒(ML/s)，厚度為1.8 - 2.8 ML。 GaAs覆蓋層的生長速率為0.1 - 1 nm/s，厚度為0.5 - 3.0 nm。在生長GaAs覆蓋層后在線退火，退火溫度為490 - 6卯。C范圍內(nèi) 的一個(gè)溫度，退火時(shí)間為20-200秒(s)。
本發(fā)明的技術(shù)效果在于采用MOCVD技術(shù)制備出能夠制作GaAs基InAs量子環(huán)材料。如 圖1所示，表示的是量子環(huán)表面3 x 3 ^1112原子力顯微鏡(AFM)圖。本發(fā)明之方法易于控制， 工藝穩(wěn)定。


圖1是采用本發(fā)明之方法制備出的InAs量子環(huán)材料的3 x 3 nm2 AFM圖，該圖兼作摘要 附圖。圖2是InAs量子環(huán)的局部放大圖，從該圖可知，InAs量子環(huán)為橢圓形。圖3是橢圓 形InAs量子環(huán)長軸方向的截面圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的，采用MOCVD外延技術(shù)制備量子環(huán)材料，制備步驟包括 步驟l:在GaAs襯底上生長GaAs過渡層，生長溫度為650 - 70CTC范圍內(nèi)的一個(gè)溫度， 生長厚度為200nm;
步驟2:在GaAs過渡層上生長InAs量子點(diǎn)層，溫度為490 - 560。C范圍內(nèi)的一個(gè)溫度； InAs量子點(diǎn)的生長速率為0.005 -0.05個(gè)單原子層/秒(ML/s)，厚度為1.8-2.8ML。
步驟3:在InAs量子點(diǎn)層上生長GaAs覆蓋層，生長溫度為490 - 560 。C范圍內(nèi)的一個(gè) 溫度，GaAs覆蓋層的生長速率為0.1-lnm/s，厚度為0.5 - 3.0 nm。
步驟4:在生長GaAs覆蓋層后在線退火，退火溫度為4卯-690 'C范圍內(nèi)的一個(gè)溫度，退火時(shí)間為20-200秒(s)。
下面舉例進(jìn)一步說明本發(fā)明之方法
實(shí)施例一采用MOCVD外延技術(shù)生長InAs量子環(huán)材料層，制備步驟包括 步驟h在GaAs襯底上生長GaAs過渡層，生長溫度為700'C，生長厚度為200 nm; 步驟2:在GaAs過渡層上生長InAs量子點(diǎn)層，溫度為52(TC; InAs量子點(diǎn)的生長速率
為0.01個(gè)單原子層/秒(ML/s)，厚度為2.1ML。
步驟3:在InAs量子點(diǎn)層上生長GaAs覆蓋層，生長溫度為520 'C范圍內(nèi)的一個(gè)溫度，
GaAs覆蓋層的生長速率為0.3nm/s，厚度為2.0nm。
步驟4:在生長GaAs覆蓋層后在線退火，退火溫度為52(TC，退火時(shí)間為100秒(s)。 所獲得的InAs量子環(huán)的面密度約為8.5x 108，如圖1所示。橢圓形量子環(huán)中心圓孔的深
度約為2.0-2.3 nm，長軸方向的直徑約為90 -110 nm，如圖3所示。
權(quán)利要求
1、一種量子環(huán)材料的外延層結(jié)構(gòu)，其特征在于，采用MOCVD外延技術(shù)生長各外延層；制備步驟包括在GaAs襯底上依次生長GaAs過渡層、InAs量子點(diǎn)層、GaAs覆蓋層。
2、 一種量子環(huán)材料的制備方法，其特征在于，步驟包括在GaAs襯底上生長GaAs層， 厚度為100 - 200 nm，生長溫度為650 - 700 。C范圍內(nèi)的一個(gè)溫度，然后降低溫度到490 -560 r范圍內(nèi)的一個(gè)溫度；在490 - 560 'C范圍內(nèi)的一個(gè)溫度，依次生長InAs量子點(diǎn)層和 GaAs覆蓋層。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的量子環(huán)材料的制備方法，其特征在于，所述InAs量子點(diǎn)層的 生長速率為0.005 - 0.05個(gè)單原子層/秒(ML/s)，厚度為1.8-2.8ML; GaAs覆蓋層的生長速率 為0.1-lnm/s，厚度為0.5-3.0nm。
4、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的量子環(huán)材料的制備方法，其特征在于，在生長GaAs覆蓋層后 在線退火，退火溫度為490 - 690 。C范圍內(nèi)的一個(gè)溫度，退火時(shí)間為20 - 200秒(s)。
全文摘要
本發(fā)明提供一種GaAs基InAs量子環(huán)材料的制備方法，屬于半導(dǎo)體物理和固態(tài)量子信息材料領(lǐng)域。該領(lǐng)域已知技術(shù)制備量子環(huán)的方法，是使用復(fù)雜的光刻技術(shù)制備量子環(huán)或利用MBE(分子束外延)技術(shù)自組織方法制備量子環(huán)。利用光刻技術(shù)制備的量子環(huán)，制備工藝復(fù)雜，成本高，且容易引入缺陷。而采用MBE技術(shù)自組織方法制備量子環(huán)，相對來說比較簡單，即首先生長自組織量子點(diǎn)，然后生長一層極薄的覆蓋層將量子點(diǎn)部分覆蓋，最后經(jīng)過退火過程，量子點(diǎn)就會自發(fā)轉(zhuǎn)變成納米自組織量子環(huán)。利用該方法制備的量子環(huán)的優(yōu)點(diǎn)是尺寸可以做得很小，且量子環(huán)中缺陷大大地降低。本發(fā)明采用MOCVD(金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積)技術(shù)生長各外延層，通過改變各外延層的生長參數(shù)，包括InAs量子點(diǎn)層和GaAs覆蓋層的生長溫度，生長速率，厚度，以及退火溫度和時(shí)間等，獲得了橢圓形InAs量子環(huán)。該方法易于控制，工藝穩(wěn)定。量子環(huán)在納米器件方面具有很好的應(yīng)用前景。
文檔編號H01L21/205GK101556916SQ20091006688
公開日2009年10月14日 申請日期2009年4月30日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月30日
發(fā)明者劉國軍, 軼 曲, 林 李, 梅 李, 李占國, 勇 王, 王曉華, 薄報(bào)學(xué) 申請人:長春理工大學(xué)