CN1123913C - 分子束外延自组织生长量子线的制备方法 - Google Patents
分子束外延自组织生长量子线的制备方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN1123913C CN1123913C CN01110768A CN01110768A CN1123913C CN 1123913 C CN1123913 C CN 1123913C CN 01110768 A CN01110768 A CN 01110768A CN 01110768 A CN01110768 A CN 01110768A CN 1123913 C CN1123913 C CN 1123913C
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- gaas
- growth
- molecular beam
- self
- beam epitaxy
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
- 238000001451 molecular beam epitaxy Methods 0.000 title claims abstract description 13
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title claims abstract description 13
- 239000000463 material Substances 0.000 title abstract description 23
- 230000012010 growth Effects 0.000 claims abstract description 61
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 21
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 17
- 229910001218 Gallium arsenide Inorganic materials 0.000 claims description 61
- 229910052785 arsenic Inorganic materials 0.000 claims description 17
- RQNWIZPPADIBDY-UHFFFAOYSA-N arsenic atom Chemical compound [As] RQNWIZPPADIBDY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 17
- GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N Gallium Chemical compound [Ga] GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 16
- 229910052733 gallium Inorganic materials 0.000 claims description 16
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 claims description 12
- 239000013078 crystal Substances 0.000 claims description 10
- 230000001815 facial effect Effects 0.000 claims description 9
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims description 8
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims description 8
- MDPILPRLPQYEEN-UHFFFAOYSA-N aluminium arsenide Chemical compound [As]#[Al] MDPILPRLPQYEEN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 7
- 229910052738 indium Inorganic materials 0.000 claims description 4
- APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N indium atom Chemical compound [In] APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 claims description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 abstract description 13
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 abstract description 7
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 abstract description 7
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 abstract description 4
- 238000000407 epitaxy Methods 0.000 abstract description 3
- 238000001259 photo etching Methods 0.000 abstract description 3
- 238000004377 microelectronic Methods 0.000 abstract description 2
- 239000007787 solid Substances 0.000 abstract description 2
- 230000002349 favourable effect Effects 0.000 abstract 1
- JBRZTFJDHDCESZ-UHFFFAOYSA-N AsGa Chemical compound [As]#[Ga] JBRZTFJDHDCESZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 46
- 238000010025 steaming Methods 0.000 description 5
- 239000002800 charge carrier Substances 0.000 description 4
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 2
- 230000034655 secondary growth Effects 0.000 description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 2
- MHAJPDPJQMAIIY-UHFFFAOYSA-N Hydrogen peroxide Chemical compound OO MHAJPDPJQMAIIY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 1
- 238000003776 cleavage reaction Methods 0.000 description 1
- 230000002950 deficient Effects 0.000 description 1
- 239000008367 deionised water Substances 0.000 description 1
- 229910021641 deionized water Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000001312 dry etching Methods 0.000 description 1
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 1
- 238000000609 electron-beam lithography Methods 0.000 description 1
- 230000005669 field effect Effects 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 238000012856 packing Methods 0.000 description 1
- 238000005498 polishing Methods 0.000 description 1
- 238000007781 pre-processing Methods 0.000 description 1
- 230000001737 promoting effect Effects 0.000 description 1
- 230000007017 scission Effects 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N sulfuric acid Substances OS(O)(=O)=O QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Physical Deposition Of Substances That Are Components Of Semiconductor Devices (AREA)
Abstract
本发明公开了一种分子束外延自组织生长量子线的制备方法。它利用分子束外延技术和高面指数衬底本身不平整性的特点，在控制好一定的生长温度、元素蒸气压比、生长速率和生长时间等生长条件下，在分子束外延设备中自组织一次外延制备量子线材料。它不涉及光刻、外延层腐蚀等复杂工艺，制备工艺简单，可重复性强，制造成本低。利用本方法制备的量子线具有高密度、高均匀性及良好的一维特性。可应用于固体光电子和微电子等器件。
Description
技术领域
本发明公开了一种分子束外延自组织生长量子线的制备方法，特别适用于制备量子线结构的固体光电子和微电子器件如激光器、场效应晶体管等器件结构材料。
背景技术
量子线材料的研究不仅是半导体物理学、材料学研究的基本问题，而且其优异的光学和电学特性可直接被利用制备成性能优良的器件产品，因此国内外都投入很大的资金和技术力量来从事这一领域的研究。目前制备量子线的工艺方法主要有以下几种：
(1)以二维材料为基础，利用磁场对载流子进行另一维限制来实现。这种方法只能用来研究很少的一些基本物理问题。
(2)分裂栅技术，通过栅电极加偏压耗尽载流子来实现。缺点是对微细加工技术要求高且形成的结构尺度太大，量子效应不明显。
(3)依然以二维材料为基础，在生长室对二维材料进行解理，然后在断面上进行二次外延形成‘T型’量子线结构。这种方法难度大不易推广。
(4)在外延生长前，利用电子束光刻干法刻蚀，对要生长的衬底表面进行‘预加工’出一定的形状。其优点量子线的尺寸均匀，缺点是存在界面损伤和界面质量问题，且生长后的尺度不是很窄(量子线密度低)，量子线的截面形状有‘V槽’和‘脊型’等。
(5)在小偏角衬底上自组织方法生长。优点是工艺简单，但量子线密度低，一维特性需进一步提高。
发明内容
本发明的目的在于避免上述背景技术中的不足之处而提供一种不涉及光刻、外延层腐蚀等复杂工艺，利用分子束外延技术和高面指数衬底不平整性，在生长室一次生长形成自组织量子线的制备方法。该方法工艺简单，可重复性强，制造成本低，所形成的量子线密度高且均匀性好。
本发明的目的是这样完成的，利用分子束外延设备控制生长条件自组织生长量子线，它还包含的制备加工步骤有：
a.采用分子束外延工艺，在高面指数砷化镓1衬底上生长一层厚度为50至150纳米砷化镓或40至100周期砷化镓/砷化铝超晶格的缓冲层2；
b.在缓冲层2上生长一层厚度为10至50纳米的砷化镓下势垒层3；
c.在砷化镓下势垒层3上生长一层厚度为1至8纳米厚的镓铟砷量子线势阱层4；
d.在镓铟砷量子线势阱层4生长一层厚度为10至50纳米的砷化镓上势垒层5。
本发明还包含以下的制备加工步骤：
本发明切抛的高面指数砷化镓1衬底的晶面切抛沿(111)B晶面偏向(110)B晶面方向，偏角大小为5至22度。
本发明生长砷化镓或砷化镓/砷化铝超晶格缓冲层2、砷化镓下势垒层3、镓铟砷量子线势阱层4、砷化镓上势垒层5的砷蒸气压均为1.33×10-3至3.4×10-5帕斯卡、镓蒸气压均为1.33×10-3至3.4×10-5帕斯卡，砷蒸气压与镓蒸气压之比为1∶1至40∶1。
本发明生长砷化镓或砷化镓/砷化铝超晶格缓冲层2的温度为530至610℃；生长砷化镓下势垒层3、镓铟砷量子线势阱层4、砷化镓上势垒层5的温度均为560至590℃。
本发明生长镓铟砷量子线势阱层4的铟组份范围为0.05至1。
本发明相比背景技术有如下优点：
1.本发明利用分子束外延技术和高面指数衬底的不平整性特点，通过控制生长温度、元素蒸气压等生长条件自组织生长，在生长室一次生长完成。因此该方法具有工艺简单，可重复性强等特点便于实现批量生产。
2.本发明由于是一次自组织生长完成，不涉及光刻和外延层腐蚀等复杂工艺，因此制备出的量子线密度高、均匀性好具有良好的一维特性，可大大提高材料和器件的电学和光学特性。
3.本所用的制造设备、源及器材等通用性强，因此可大大降低制造加工成本。
附图说明
图1是本发明的材料结构示意图。
具体实施方式
参照图1，采用市售通用的分子束外延生长设备控制生长条件，本发明采取以下加工步骤：
首先在高面指数砷化镓1衬底上生长一层厚度为50至150纳米砷化镓或40至100周期砷化镓/砷化铝超晶格的缓冲层2。实施例采用市售常规的RIBER-32P型分子束外延设备进行量子线结构材料外延生长。高面指数砷化镓1衬底的晶面的切抛沿(111)B晶面偏向(110)B晶面方向，偏角大小为5至22度。实施例采用砷化镓(GaAs)材料作衬底，切抛沿(553)B晶面，偏角为12.3°。然后对(553)B砷化镓1衬底进行常规的化学腐蚀、清洗以去除机械损伤和氧化层并烘干。(553)B砷化镓衬底1的化学腐蚀速度会对外延生长的材料质量产生很大影响。衬底腐蚀的速度过慢时就无法去除抛光机械损伤和表面氧化层；过快时易在表面形成腐蚀条纹，这样在进行分子束外延生长时会在外延层形成大量的缺陷，影响材料的光学和电学性质，严重时甚至会使表面呈雾状，无法发光，同时大大降低载流子的迁移率。因此合适的衬底腐蚀速度是进行衬底清洁和高质量薄膜外延的前提。实施例采用浓硫酸(H2SO4)、双氧水(H2O2)和去离子水(H2O)的常规腐蚀液并把腐蚀速度控制在20至35纳米/分钟进行衬底表面处理。把处理好并烘干的(553)B砷化镓衬底装入RIBER-32P型分子束外延设备的生长室。装入生长室的衬底在砷蒸气压为1.33×10-3至3.4×10-5帕斯卡下经过高温预处理，这一过程是为了去除衬底表面的薄氧化层。然后在生长温度530至610℃下生长一层厚度为50至150纳米的砷化镓(GaAs)缓冲层2。实施例采用砷蒸气压为6.6×10-4帕斯卡，镓蒸气压为6.6×10-5帕斯卡，砷(As)与镓(Ga)蒸气压比为10∶1。生长温度为580℃。砷化镓(GaAs)缓冲层2生长厚度为80纳米，生长速率约为1.0微米/小时。
接着在缓冲层2上生长一层厚度为10至50纳米的砷化镓(GaAs)下势垒层3，在砷化镓(GaAs)下势垒层3上再生长一厚度为1至8纳米的镓铟砷(GaxIn1-xAs)量子线势阱层4。生长砷化镓(GaAs)下势垒层3和镓铟砷(GaxIn1-xAs)量子线势阱层4的砷(As)与镓(Ga)蒸气压均为1.33×10-3至3.4×10-5帕斯卡，并且砷蒸气压与镓蒸气压之比为1∶1至40∶1，生长温度为560至590℃。实施例生长砷化镓(GaAs)下势垒层3的砷蒸气压为6.6×10-4帕斯卡，镓蒸气压为6.6×10-5帕斯卡，砷(As)与镓(Ga)蒸气压比为10∶1，生长温度为570℃，生长速率为0.6微米/小时，生长砷化镓(GaAs)下势垒层3的厚度为20纳米。实施例镓铟砷(GaxIn1-xAs)量子线势阱层4采用的砷蒸气压为6.6×10-4帕斯卡，镓蒸气压为6.6×10-5帕斯卡，砷(As)与镓(Ga)蒸气压比为10∶1，生长温度为570℃，生长速率为0.6微米/小时，生长镓铟砷量子线势阱层4的厚度为3纳米。本发明生长温度的高低直接影响到外延材料的质量，太高或太低的生长温度都无法得到镜亮的表面，而且生长温度对材料的发光有强烈的影响。本发明镓铟砷(GaxIn1-xAs)量子线势阱层4的铟(In)组份范围0.05至1。实施例采用铟(In)的组份为0.15。
本发明为实现对镓铟砷量子线势阱层4中载流子的两维限制作用，最后在镓铟砷量子线势阱层4上再生长一层厚度为10至50纳米的砷化镓(GaAs)上势垒层5。生长砷化镓(GaAs)上势垒层5的砷(As)与镓(Ga)蒸气压均为1.33×10-3至3.4×10-5帕斯卡，并且砷蒸气压与镓蒸气压之比为1∶1至40∶1，生长温度为560至590℃。实施例生长砷化镓(GaAs)上势垒层5的采用砷(As)蒸气压为6.6×10-4帕斯卡，镓(Ga)蒸气压为6.6×10-5帕斯卡，砷蒸气压与镓蒸气压之比为10∶1，生长温度为570℃，生长速率为0.6微米/小时，生长砷化镓(GaAs)上势垒层5的厚度为30纳米。
本发明原理是利用高面指数的不平整性，在不同生长条件下，包括生长温度、元素蒸气压比、生长时间和生长速率等，在分子束外延设备中自组织生长量子线结构材料。该材料量子线结构具有高密度、高均匀性、生长过程简单等优点。本发明所需的生长温度、元素蒸气压比、生长速率、生长时间和源等均有RIBER-32P型分子束外延设备提供和控制。
本发明镓铟砷量子线势阱层4外延生长的材料的表面是平整的或是折皱状(锯齿状)的。控制好生长条件使镓铟砷量子线势阱层4材料的形成为折皱状(锯齿状)的，再生长上势垒层5材料，这样就使载流子限制在势阱层的宽处，而在两边界面处受到锯齿状边缘的势垒材料的限制，形成量子线结构材料。
Claims (5)
1.一种分子束外延自组织生长量子线的制备方法，它包括步骤：利用分子束外延设备控制生长条件自组织生长量子线，其特征在于它还包含的加工步骤有：
a.采用分子束外延工艺，在高面指数砷化镓(1)衬底上生长一层厚度为50至150纳米砷化镓或40至100周期砷化镓/砷化铝超晶格的缓冲层(2)；
b.在缓冲层(2)上生长一层厚度为10至50纳米的砷化镓下势垒层(3)；
c.在砷化镓下势垒层(3)上生长一层厚度为1至8纳米厚的镓铟砷量子线势阱层(4)；
d.在镓铟砷量子线势阱层(4)生长一层厚度为10至50纳米的砷化镓上势垒层(5)。
2.根据权利要求1所述的分子束外延自组织生长量子线的制备方法，其特征在于切抛的高面指数砷化镓(1)衬底的晶面沿(111)B晶面偏向(110)B晶面方向，偏角大小为5至22度。
3.根据权利要求1或2所述的分子束外延自组织生长量子线的制备方法，其特征在于生长砷化镓或砷化镓/砷化铝超晶格缓冲层(2)、砷化镓下势垒层(3)、镓铟砷量子线势阱层(4)、砷化镓上势垒层(5)的砷蒸气压均为1.33×10-3至3.4×10-5帕斯卡、镓蒸气压均为1.33×10-3至3.4×10-5帕斯卡，砷蒸气压与镓蒸气压之比为1∶1至40∶1。
4.根据权利要求3所述的分子束自组织生长量子线的制备方法，其特征在于生长砷化镓或砷化镓/砷化铝超晶格缓冲层(2)的温度为530至610℃；生长砷化镓下势垒层(3)、镓铟砷量子线势阱层(4)、砷化镓上势垒层(5)的温度均为560至590℃。
5.根据权利要求4所述的分子束外延自组织生长量子线的制备方法，其特征在于生长镓铟砷量子线势阱层(4)的铟组份范围为0.05至1。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN01110768A CN1123913C (zh) | 2001-04-20 | 2001-04-20 | 分子束外延自组织生长量子线的制备方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN01110768A CN1123913C (zh) | 2001-04-20 | 2001-04-20 | 分子束外延自组织生长量子线的制备方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN1312583A CN1312583A (zh) | 2001-09-12 |
| CN1123913C true CN1123913C (zh) | 2003-10-08 |
Family
ID=4658828
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN01110768A Expired - Fee Related CN1123913C (zh) | 2001-04-20 | 2001-04-20 | 分子束外延自组织生长量子线的制备方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN1123913C (zh) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100513316B1 (ko) * | 2003-01-21 | 2005-09-09 | 삼성전기주식회사 | 고효율 반도체 소자 제조방법 |
| CN108616032A (zh) * | 2018-06-25 | 2018-10-02 | 中科芯电半导体科技（北京）有限公司 | 一种应用在垂直腔面发射激光器中的分布式布拉格反射镜 |
| CN109904723A (zh) * | 2019-03-18 | 2019-06-18 | 太原理工大学 | 一种纳米线激光器外延结构及其制备方法 |
-
2001
- 2001-04-20 CN CN01110768A patent/CN1123913C/zh not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN1312583A (zh) | 2001-09-12 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US6979489B2 (en) | Zinc oxide nanotip and fabricating method thereof | |
| Dagata et al. | P2S5 passivation of GaAs surfaces for scanning tunneling microscopy in air | |
| CN106480498A (zh) | 一种纳米图形衬底侧向外延硅基量子点激光器材料及其制备方法 | |
| CN106785913A (zh) | GaN基金属‑超薄氧化物‑半导体的复合结构纳米激光器及其制备方法 | |
| CN1123913C (zh) | 分子束外延自组织生长量子线的制备方法 | |
| CN1212652C (zh) | 一种基于自组织的纳米颗粒图案的光刻方法 | |
| CN1824849A (zh) | 硅衬底ⅲ族氮化物外延生长 | |
| JP3443803B2 (ja) | 半導体構造およびその製造方法 | |
| CN1123922C (zh) | 量子线场效应晶体管的制备方法 | |
| CN108364850A (zh) | 一种直立GaAs纳米线的制备方法 | |
| JPS6288318A (ja) | 半導体装置の製造方法 | |
| CN115084308B (zh) | 锗衬底-砷化镓/锗异质结薄膜复合结构及其制法和应用 | |
| Park et al. | Nanoscale selective growth and optical characteristics of quantum dots on III-V substrates prepared by diblock copolymer nanopatterning | |
| Shirai et al. | The role of gold clusters in semiconductor microstructure fabrication | |
| Hobart et al. | Growth of low-dimensional structures on nonplanar patterned substrates | |
| CN100373534C (zh) | 在解理面上制作半导体纳米结构的方法 | |
| Rajkumar et al. | In-situ growth of three-dimensionally confined structures on patterned GaAs (111) B substrates | |
| KR100525798B1 (ko) | 단일 기판에 다양한 크기의 양자세선을 형성하는 방법 | |
| CN118508237A (zh) | 一种在soi上侧向选区异质外延高质量埋藏式量子阱的方法 | |
| Dialynas et al. | InAs nanostructures on polar GaAs surfaces | |
| Chao et al. | Controlled formation of well-aligned GaAs nanowires with a high aspect ratio on transparent substrates | |
| Tateno et al. | Bending at thinned GaAs nodes in GaP-based free-standing nanowires | |
| CN103738916B (zh) | 一种砷化镓表面量子点形核位置的低损伤加工方法 | |
| Koledov et al. | Structure and morphology of the Znx Mg1− xO nanowires studied using shape memory composite nano-tweezers | |
| Goswami | Development of Scalable Quantum Nano-Electronic Devices Using Bottom-Up and Top-Down Fabrication |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C19 | Lapse of patent right due to non-payment of the annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |