專利名稱：在GaAs納米線側(cè)壁生長同質(zhì)量子結(jié)構(gòu)的MBE方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體材料與器件技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種GaAs納米線側(cè)壁生長同質(zhì)量子結(jié)構(gòu)的MBE方法。
背景技術(shù)：
光電技術(shù)的發(fā)展很大一部分依賴于微納米技術(shù)的進(jìn)步，其中納米線、量子點(diǎn)、量子環(huán)由于其獨(dú)特的多維限制效應(yīng)帶來的光學(xué)、電學(xué)及量子特征受到廣泛的關(guān)注，同時量子環(huán)也是一種研究磁學(xué)特性及Aharonov-Bohm效應(yīng)的完美載體。傳統(tǒng)的量子點(diǎn)、量子環(huán)多采用S-K模式或者液滴法的自組織方式生長，在激光器、LED及光電二極管等傳統(tǒng)光電子領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用，其尺寸、位置及密度通常由溫度、速率等方式定性地控制。量子通信及量子信息的發(fā)展對非經(jīng)典單光子源提出了新的需求，人們也對“類原子”體系的量子點(diǎn)、量子環(huán)中的單電子、單光子發(fā)射等特性產(chǎn)生了濃厚的興趣，其中微結(jié)構(gòu)的設(shè)計與可控生長則是必備的材料基礎(chǔ)，而這在傳統(tǒng)的自組織生長體系中是很難實(shí)現(xiàn)的。液滴法制備量子點(diǎn)是Takaaki MANO等人1999年左右提出的，其后在2005年逐步被應(yīng)用到制備量子環(huán)領(lǐng)域，經(jīng)歷了量子點(diǎn)-量子環(huán)-共軸多環(huán)結(jié)構(gòu)的發(fā)展，在形貌控制領(lǐng)域獲得了巨大的成功，但時至今日在光學(xué)及磁學(xué)表征并未有顯著的發(fā)展，反映了液滴法制備微結(jié)構(gòu)本身的局限性。同時，液滴法也存在著自組織生長共通的局限性，也即其密度與位置無法獲得定量的控制，因而在表征及研究量子點(diǎn)與納米環(huán)的性質(zhì)時只能通過定性降低其密度并用微區(qū)表征的方式，多個量子單位以及環(huán)境電荷會對其電學(xué)、光學(xué)性質(zhì)構(gòu)成串?dāng)_，這一點(diǎn)對于隔離制備單個量子器件是非常不利的。此外傳統(tǒng)的液滴法制備量子結(jié)構(gòu)均是在異質(zhì)材料上進(jìn)行的，如晶格匹配的AlAs/GaAs體系，晶格不匹配的GaAs/InAs體系，但是從未有過在同質(zhì)材料上形成量子結(jié)構(gòu)的實(shí)例。因而克服液滴法制備量子結(jié)構(gòu)光電性質(zhì)有限的局限性，進(jìn)一步拓展同質(zhì)外延結(jié)構(gòu)的可控性，同時能夠采用可控的結(jié)構(gòu)生長設(shè)計避免繁瑣的制備工藝實(shí)現(xiàn)隔離單個量子點(diǎn)、量子環(huán)器件的制備，具有很重要的理論研究與實(shí)踐應(yīng)用的價值。

發(fā)明內(nèi)容
為解決上述的一個或多個問題，本發(fā)明的目的在于，提供一種在GaAs納米線側(cè)壁生長同質(zhì)量子結(jié)構(gòu)的MBE方法，該方法可以實(shí)現(xiàn)同質(zhì)量子結(jié)構(gòu)的密度的定量控制。本發(fā)明提供了一種在GaAs納米線側(cè)壁生長同質(zhì)量子結(jié)構(gòu)的MBE方法，包括如下步驟:步驟1:取一半導(dǎo)體襯底；步驟2:在該半導(dǎo)體襯底上生長二氧化硅層；步驟3:對生長有二氧化硅層的半導(dǎo)體襯底進(jìn)行清洗；步驟4:采用自催化的方法，在二氧化硅層上生長納米線，該納米線的頂端有一 Ga液滴；步驟5:采用高As壓處理消耗納米線頂端的Ga液滴，抑制頂端的納米線的VLS生長，形成基片；步驟6:在低As壓的環(huán)境中，在基片上淀積Ga液滴；步驟7:在As的環(huán)境中，在基片上納米線的側(cè)壁上，As與Ga液滴結(jié)合晶化形成量子環(huán)或者量子點(diǎn)。從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明具有以下有益效果:(I)本發(fā)明采用應(yīng)力控制成核的機(jī)制生長量子結(jié)構(gòu)，可以有效地解決同質(zhì)材料外延結(jié)構(gòu)的可控性；(2)本發(fā)明采用應(yīng)力控制成核的液滴成核法，使得量子點(diǎn)、量子環(huán)的密度與位置均能定量的控制，實(shí)現(xiàn)了單根納米線上生長單個量子點(diǎn)或者量子環(huán)，避免了傳統(tǒng)制備量子器件過程中繁瑣的隔離工藝。(3)本發(fā)明采用液滴外延法，通過溫度及As壓控制形貌，能夠獲得孔洞結(jié)構(gòu)、量子點(diǎn)、量子環(huán)以及耦合雙環(huán)等不同的量子結(jié)構(gòu)；(4)本發(fā)明將量子點(diǎn)(環(huán))與具有二維限制作用的納米線結(jié)合起來，對載流子具有更好的三維限制作用，光譜測試也顯示了良好的光學(xué)特性與單光子發(fā)射特征。(5)本發(fā)明在MBE中利用自催化生長納米線的成熟技術(shù)，具有流程簡單、重復(fù)性高的優(yōu)點(diǎn)，同時納米線的特征尺寸均勻，具備大規(guī)模制備量子器件的可能。


為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明，其中:圖1為本發(fā)明的制備流程圖；圖2為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為采用本發(fā)明的方法生長的側(cè)壁量子孔洞結(jié)構(gòu)的SEM圖像；圖4為采用本發(fā)明的方法生長的側(cè)壁量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)SEM的圖像；圖5為采用本發(fā)明的方法生長的側(cè)壁量子環(huán)結(jié)構(gòu)SEM的圖像；圖6為采用本發(fā)明的方法生長的側(cè)壁耦合量子雙環(huán)結(jié)構(gòu)的SEM圖像。
具體實(shí)施例方式請參閱圖1及圖2所示，本發(fā)明提供一種在GaAs納米線側(cè)壁生長同質(zhì)量子結(jié)構(gòu)的MBE方法，包括如下步驟:步驟1:取一半導(dǎo)體襯底10，該半導(dǎo)體襯底10的材料為GaAs(OOl)或GaAs (111)B。需要說明的是，選用襯底的材料除鎵砷GaAs，還可以為硅Si等半導(dǎo)體材料。步驟2:在該半導(dǎo)體襯底10上生長二氧化硅層(SiO2) 11，采用的是離子束濺射的方法，該二氧化硅層11的厚度為10-20nm。制備SiO2層11的方式有多種，基本原則為能夠精確控制薄層的厚度，過厚的SiO2層11會導(dǎo)致表面無法生長納米線或者生長少量無固定取向的納米線。生長SiO2層11之前，如果GaAs襯底比較臟，需要用三氯乙烯、丙酮和無水乙醇對表面進(jìn)行清洗并烘干；
步驟3:對生長有二氧化硅層11的半導(dǎo)體襯底10進(jìn)行清洗，所述清洗的水溶液為HF，濃度為2-4%，時間控制在2-lOs，如果處理時間過長會導(dǎo)致表面的SiO2層11消失，從而無法生長納米線；步驟4:采用自催化的方法，在二氧化硅層11上生長納米線12，該納米線12的頂端有一 Ga液滴13，在二氧化硅層11上生長納米線12的溫度為600-670°C ;生長時間為60-90min ;生長速率為0.6-0.8ML/s，所述納米線12的長度為5_7 μ m，直徑約為200_300nm。納米線12主要采用VLS的自催化方式生長，催化煤質(zhì)為Ga液滴13。在生長過程中，由于GaAs的閃鋅礦ZB相與纖鋅礦WZ相在納米線體系中成核能量相近，因而很容易在GaAs納米線中同時存在ZB、WZ及層錯等缺陷共存的相位形態(tài)，也即納米線側(cè)壁存在不同的應(yīng)力中心。步驟5:采用高As壓(約為5E_6Torr)處理消耗納米線12頂端的Ga液滴13，抑制納米線12頂端的VLS生長，形成基片，處理時間主要以頂端殘余Ga液滴13完全晶化形成GaAs為準(zhǔn)；步驟6:在低As壓(低于lE_8Torr)的環(huán)境中，在基片上淀積Ga液滴13。在淀積Ga液滴的過程中，擴(kuò)散到納米線12側(cè)壁的Ga分子在側(cè)壁的應(yīng)力處選擇性成核并形成Ga液滴結(jié)構(gòu)；步驟7:在As (約為3E_6Torr)的環(huán)境中，在基片上納米線12的側(cè)壁上，隨著Ga、As分子的遷移并晶化形成不同結(jié)構(gòu)的GaAs晶體量子結(jié)構(gòu)14。為了驗(yàn)證本發(fā)明的效果，申請人分別采用560-650°C及l(fā)E_6Torr至3E_6Torr的環(huán)境對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，分別獲得了量子孔洞、量子點(diǎn)、量子環(huán)以及耦合量子雙環(huán)等不同的量子結(jié)構(gòu)，掃描電鏡(SEM)圖像分別如圖3-6所示。圖3為量子孔洞的結(jié)構(gòu),基本特征為GaAs側(cè)壁無凸起邊緣,反而在Ga液滴的位置處出現(xiàn)了一個深入側(cè)壁的孔洞結(jié)構(gòu)。原因在于As壓過低、溫度過高導(dǎo)致的Ga分子擴(kuò)散長度較大，使得納米線側(cè)壁的Ga-As鍵斷裂，形成孔洞結(jié)構(gòu)；圖4為量子點(diǎn)結(jié)構(gòu),特征是一個近似半球的GaAs表面凸起形貌；圖5為典型的量子環(huán)結(jié)構(gòu)，與平面圓形量子環(huán)不同，此處呈現(xiàn)近似方形的形貌，原因可能與納米線有限的{110}側(cè)壁面積及不同方向的擴(kuò)散系數(shù)不同有關(guān)。環(huán)的內(nèi)外徑分別在70nm和IOOnm附近,高度在IOnm左右；圖6為低溫高As環(huán)境下生成的耦合量子雙環(huán)結(jié)構(gòu)。另外通過增加Ga液滴的淀積量和減小淀積溫度能夠有效的控制單根納米線側(cè)壁的量子結(jié)構(gòu)數(shù)量，如600°C時僅有一個量子結(jié)構(gòu)，降溫至560°C時會出現(xiàn)2-3個量子結(jié)構(gòu)。本發(fā)明可用于基于量子環(huán)的電磁學(xué)研究以及類原子體系中光電子性質(zhì)研究，同時相應(yīng)的光譜測試結(jié)果顯示了其作為量子通信技術(shù)中單光子源的巨大潛質(zhì)。以上所述的具體實(shí)施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種在GaAs納米線側(cè)壁生長同質(zhì)量子結(jié)構(gòu)的MBE方法，包括如下步驟: 步驟1:取一半導(dǎo)體襯底； 步驟2:在該半導(dǎo)體襯底上生長二氧化硅層； 步驟3:對生長有二氧化硅層的半導(dǎo)體襯底進(jìn)行清洗； 步驟4:采用自催化的方法，在二氧化硅層上生長納米線，該納米線的頂端有一 Ga液滴； 步驟5:采用高As壓處理消耗納米線頂端的Ga液滴，抑制頂端的納米線的VLS生長，形成基片； 步驟6:在低As壓的環(huán)境中，在基片上淀積Ga液滴； 步驟7:在As的環(huán)境中，在基片上納米線的側(cè)壁上，As與Ga液滴結(jié)合晶化形成量子環(huán)或者量子點(diǎn)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在GaAs納米線側(cè)壁生長同質(zhì)量子結(jié)構(gòu)的MBE方法，其中該半導(dǎo)體襯底的材料為GaAs(OOl)或GaAs (111) B。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在GaAs納米線側(cè)壁生長同質(zhì)量子結(jié)構(gòu)的MBE方法，其中在半導(dǎo)體襯底上生長二氧化硅層，采用的是離子束濺射的方法。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的在GaAs納米線側(cè)壁生長同質(zhì)量子結(jié)構(gòu)的MBE方法，其中該二氧化硅層的厚度為10-20nm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在GaAs納米線側(cè)壁生長同質(zhì)量子結(jié)構(gòu)的MBE方法，其中清洗的水溶液為HF，濃度為2-4%。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的在GaAs納米線側(cè)壁生長同質(zhì)量子結(jié)構(gòu)的MBE方法，其中在二氧化硅層上生長納米線的溫度為600-670°C ;生長時間為60-90min ;生長速率為0.6-0.8ML/s。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的在GaAs納米線側(cè)壁生長同質(zhì)量子結(jié)構(gòu)的MBE方法，其中納米線的長度為5-7 μ m。
全文摘要
一種在GaAs納米線側(cè)壁生長同質(zhì)量子結(jié)構(gòu)的MBE方法，包括如下步驟步驟1取一半導(dǎo)體襯底；步驟2在該半導(dǎo)體襯底上生長二氧化硅層；步驟3對生長有二氧化硅層的半導(dǎo)體襯底進(jìn)行清洗；步驟4采用自催化的方法，在二氧化硅層上生長納米線，該納米線的頂端有一Ga液滴；步驟5采用高As壓處理消耗納米線頂端的Ga液滴，抑制頂端的納米線的VLS生長，形成基片；步驟6在低As壓的環(huán)境中，在基片上淀積Ga液滴；步驟7在As的環(huán)境中，在基片上納米線的側(cè)壁上，As與Ga液滴結(jié)合晶化形成量子環(huán)或者量子點(diǎn)。
文檔編號H01L21/20GK103165418SQ201310079069
公開日2013年6月19日 申請日期2013年3月13日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月13日
發(fā)明者査國偉, 李密鋒, 喻穎, 王莉娟, 徐建星, 尚向軍, 倪海橋, 賀振宏, 牛智川 申請人:中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所