專利名稱：磷化銦襯底上制備量子線陣列的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種磷化銦襯底上自組織生長量子線納米材料的制備方法。本發(fā)明的特征在于采用了一種應(yīng)變補(bǔ)償技術(shù)，使用四元合金銦鋁鎵砷(InAlGaAs)作為緩沖層和間隔層，通過調(diào)整其組分以獲得均勻的量子線陣列結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
量子線結(jié)構(gòu)材料的研究不僅是半導(dǎo)體物理學(xué)、材料學(xué)研究的基本問題，而且由于其具有優(yōu)異的光學(xué)和電學(xué)特性，因此在半導(dǎo)體激光器、紅外探測器等光電子器件以及其他一些微電子器件中都有潛在的應(yīng)用價值。InP襯底上生長的InAs量子線材料可將材料的發(fā)光波長拓寬到1.55微米，此波長對應(yīng)于光通信的一個重要的光纖低損耗窗口，因此很有希望制成在1.3～1.55微米波長范圍內(nèi)工作的具有良好熱穩(wěn)定性的光電器件。
目前制備半導(dǎo)體量子線結(jié)構(gòu)材料的方法很多，常用的主要有兩種一種是微結(jié)構(gòu)材料生長與微細(xì)加工技術(shù)相結(jié)合的方法。采用分子束外延(MBE)或金屬氧化物化學(xué)氣相沉積(MOCVD)技術(shù)生長按設(shè)計要求的異質(zhì)結(jié)構(gòu)，結(jié)合高空間分辨電子束直寫、干法或濕法刻蝕、高空間分辨的離子束注入隔離等工藝技術(shù)，制備量子線結(jié)構(gòu)材料。其中包括先進(jìn)行材料生長再進(jìn)行微細(xì)加工，以及先加工出合適的掩膜，再在其上進(jìn)行選擇性晶體生長兩種方式。該方法的優(yōu)點(diǎn)在于量子線的尺寸、形狀和密度可控，但由于加工帶來的界面損傷和工藝過程中引入的雜質(zhì)污染等因素，使其器件性能與理論預(yù)期相距甚遠(yuǎn)，另外，光刻等加工技術(shù)的分辨率也限制了高密度量子線制備。
另一種即為應(yīng)變自組織生長，也就是S-K生長模式。S-K生長模式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。這種方法制備出的量子線無位錯、密度高且成本較低，但因?yàn)榱孔泳€在浸潤層上為隨機(jī)形核，因此存在形狀、尺寸、分布均勻性和密度較難控制的缺點(diǎn)。
近年來，各國研究者已經(jīng)對磷化銦(InP)襯底上量子線的自組織生長展開了一系列研究，在InP(001)襯底上通過引入間隔層來制備多周期量子線陣列結(jié)構(gòu)可以有效的提高量子線的尺寸和空間分布均勻性，已經(jīng)有一些使用銦鋁砷(InAlAs)(Appl.Phys.Lett.Vol 75(8)，1173-1175，23Aug 1999，H.X.Li；Mate Sci and Eng B101(2003)259-261，B.Salem et al.；J.Cryst.Growth 227-228(2001)975-979，J.M.Garcia et al.)、銦鎵砷(InGaAs)(J.Cryst.Growth Vol 219(2000)180-183，J.Wu et al.)、InP(J.Cryst.Growth Vol 254(2003)1-5，H.R.Gutierrez et.al.)以及InAlAs/InGaAs短周期超晶格(J.Cryst.Growth Vol 219(2000)180-183，J.Wu et al.)作為間隔層來生長InAs量子線的報道，但制備出的量子線的尺寸均勻性仍然存在較大問題，而且也尚未見有在銦鋁鎵砷(InAlGaAs)間隔層上制備出質(zhì)量較好的量子線的報道。另外，也有學(xué)者在InP高指數(shù)面襯底上生長出了較好的量子線，比如在InP(775)B襯底上獲得的InGaAs/InAlAs量子線(J.Cryst.Growth Vol 251(2003)269-275，YasuhideOhno et al.)，以及InP(311)A襯底上獲得的InGaAs量子線(Appl.Phys.Lett.Vol 78(1)，76-78，1 Jan 2001，TakeyoshiSugaya et al.)，但使用高指數(shù)面襯底存在解理困難的問題。
盡管目前國際上各國學(xué)者在InP襯底上自組織生長量子線方面已經(jīng)取得了很大進(jìn)展，但到目前為止，制備出的量子線結(jié)構(gòu)的均勻性仍然難以控制，線的密度及長度也未能盡如人意。本發(fā)明對材料結(jié)構(gòu)和制備工藝進(jìn)行了適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)，使用InAlGaAs作為緩沖層以及間隔層并采用應(yīng)變補(bǔ)償技術(shù)，從而可以獲得高質(zhì)量的量子線陣列結(jié)構(gòu)，對今后進(jìn)一步研制InP基高性能光電器件也很有意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于避免上述背景技術(shù)中的不足之處，提出一種不涉及光刻等復(fù)雜工藝，利用分子束外延設(shè)備在InP襯底上自組織生長量子線陣列結(jié)構(gòu)的方法，采用四元InAlGaAs材料作為緩沖層和間隔層，使用應(yīng)變補(bǔ)償技術(shù)，通過調(diào)整InAlGaAs緩沖層和間隔層中各個組分的大小，可以制備出有序的量子線陣列結(jié)構(gòu)。本方法工藝簡單，可重復(fù)性強(qiáng)，所形成的量子線密度高且均勻性好。
本發(fā)明包含的制備工藝步驟有本發(fā)明一種磷化銦襯底上制備量子線陣列的方法，其特征在于，包括如下步驟步驟A將半絕緣磷化銦襯底進(jìn)行脫氧處理；步驟B在進(jìn)行脫氧處理后的半絕緣磷化銦襯底上生長一層緩沖層，該緩沖層與磷化銦襯底晶格匹配；步驟C在緩沖層上生長量子線和間隔層；步驟D重復(fù)步驟C3～7次，以生長多周期量子線結(jié)構(gòu)，提高量子線的尺寸和空間均勻性；步驟E在生長多周期量子線結(jié)構(gòu)之后，生長蓋帽層以保護(hù)所生長的材料，完成量子線陣列的制作。
其中在半絕緣磷化銦襯底上生長緩沖層后，停頓5～10分鐘，以獲得較為平整的緩沖層表面。
其中所述的緩沖層和間隔層是銦鋁鎵砷材料。
其中在磷化銦緩沖層上生長量子線和間隔層包括兩個步驟步驟C1首先生長5個原子單層厚的砷化銦量子線，停頓40～60秒；步驟C2之后生長厚度為20nm的銦鋁鎵砷間隔層，停頓40～60秒。
其中間隔層的晶格常數(shù)比磷化銦的晶格常數(shù)小。
其中在磷化銦襯底上生長的緩沖層的厚度為200～300nm。
其中生長蓋帽層的厚度為5～20nm，該蓋帽層的材料為銦鎵砷。
其中步驟A中，緩沖層中的鋁組分范圍為0.522-0.524。
其中步驟B中的間隔層鋁組分隨緩沖層中鋁組分的變化而變化，且與磷化銦襯底的晶格失配控制在-0.21％～-0.22％范圍內(nèi)。
其中在整個生長過程中的生長溫度保持一致，范圍為500～530℃，采用過飽和砷壓，且整個生長過程是在旋轉(zhuǎn)的情況下完成的。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明采用了一種應(yīng)變補(bǔ)償技術(shù)，通過調(diào)整InAlGaAs緩沖層和間隔層中各個組分的大小，使得InAlGaAs間隔層的晶格常數(shù)略小于InP襯底的晶格常數(shù)，從而對生長InAs量子線所產(chǎn)生的應(yīng)變進(jìn)行補(bǔ)償，以獲得高質(zhì)量的InAs量子線陣列結(jié)構(gòu)。采用本發(fā)明的工藝方法制備出的InP襯底上的量子線陣列線寬尺寸一般為15～25納米，垂直高度一般為2～5納米，寬度和高度尺寸均勻性很好，量子線長度可以達(dá)到1～2微米甚至更長。


為進(jìn)一步說明本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容，以下結(jié)合實(shí)施的實(shí)例及附圖詳細(xì)說明如后，其中圖1為本發(fā)明的材料結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為InP襯底上典型InAs量子線結(jié)構(gòu)原子力顯微鏡(AFM)表面形貌像；
圖3為InP襯底上典型InAs量子線結(jié)構(gòu)透射電子顯微鏡(TEM)[1-10]方向截面形貌像；圖4為InP襯底上典型InAs量子線結(jié)構(gòu)透射電子顯微鏡(TEM)[110]方向截面形貌像；圖5為InP襯底上典型InAs量子線結(jié)構(gòu)原子力顯微鏡(AFM)表面形貌像；圖6為InP襯底上典型InAs量子線結(jié)構(gòu)透射電子顯微鏡(TEM)[1-10]方向截面形貌像；圖7為InP襯底上典型InAs量子線結(jié)構(gòu)透射電子顯微鏡(TEM)[110]方向截面形貌像。
具體實(shí)施例方式
請參閱圖1所示，本發(fā)明一種磷化銦襯底上制備量子線陣列的方法，包括如下步驟步驟A將半絕緣磷化銦襯底10進(jìn)行脫氧處理；步驟B在進(jìn)行脫氧處理后的半絕緣磷化銦襯底10上生長一層緩沖層20，該緩沖層20與磷化銦襯底10晶格匹配，其中在半絕緣磷化銦襯底10上生長緩沖層20后，停頓5～10分鐘，以獲得較為平整的緩沖層表面；該緩沖層是銦鋁鎵砷材料；其中在磷化銦襯底10上生長的緩沖層20的厚度為200～300nm；該緩沖層20中的鋁組分范圍為0.522～0.524；
步驟C在緩沖層上生長量子線30和間隔層40；該間隔層是銦鋁鎵砷材料；其中在緩沖層20上生長量子線30和間隔層40包括兩個步驟步驟C1首先生長5個原子單層厚的砷化銦量子線30，停頓40～60秒；步驟C2之后生長厚度為20nm的銦鋁鎵砷間隔層40，停頓40～60秒；該間隔層40的晶格常數(shù)比磷化銦的晶格常數(shù)?。桓拈g隔層40鋁組分隨緩沖層20中鋁組分的變化而變化，且與磷化銦襯底10的晶格失配控制在-0.21％～-0.22％范圍內(nèi)；步驟D重復(fù)步驟C3～7次，以生長多周期量子線結(jié)構(gòu)，提高量子線的尺寸和空間均勻性；步驟E在生長多周期量子線結(jié)構(gòu)之后，生長蓋帽層50以保護(hù)所生長的材料，完成量子線陣列的制作，該蓋帽層50的厚度為5～20nm，該蓋帽層50的材料為銦鎵砷。
其中在整個生長過程中的生長溫度保持一致，范圍為500～530℃，采用過飽和砷壓，且整個生長過程是在旋轉(zhuǎn)的情況下完成的。
實(shí)施例1作為本發(fā)明的一個例子，下面結(jié)合附圖1詳細(xì)說明本發(fā)明中所采用的工藝步驟。本實(shí)施例采用VEECO公司的Mod GEN II型常規(guī)分子束外延設(shè)備進(jìn)行外延生長。參照圖1，首先在半絕緣InP(001)襯底10上生長一層厚度為200nm的InAlGaAs緩沖層20，實(shí)施例中緩沖層20組分為In0.523Al0.336Ga0.141As，與InP襯底晶格匹配。在停頓10分鐘以使緩沖層20表面平整后，在其上交替生長五個周期的InAs量子線30與InAlGaAs間隔層40，其中InAs量子線30的厚度為五個原子單層，InAlGaAs間隔層40的厚度為20nm。在生長每層量子線30前后，分別引入1分鐘的停頓，以使其更加均勻。實(shí)施例中InAlGaAs間隔層40的組分為In0.491Al0.352Ga0.157As，晶格常數(shù)比InP的晶格常數(shù)略小。在生長完五個周期后，為了使用原子力顯微鏡測試量子線表面形貌，再繼續(xù)生長一層淀積厚度為五個原子單層的InAs量子線30，其厚度為五個原子單層。對于作AFM表面形貌測試的樣品，在生長完量子線周期后不生長InGaAs蓋層而是繼續(xù)生長5個原子單層的InAs量子線40。本發(fā)明中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獲得較好的表面。實(shí)施例中整個生長過程生長溫度為510℃，As壓大于8×10-6Torr，且InP襯底10保持旋轉(zhuǎn)。
圖2為實(shí)施例中InAs量子線結(jié)構(gòu)的AFM形貌圖。如圖所示，形成了沿[1-10]方向伸長的高密度量子線，其長度大部分超過500nm，部分可以達(dá)到將近2微米。量子線水平方向上的平均周期和寬度分別約為28nm和19nm，垂直方向上高度平均值約為2.2nm。
圖3為實(shí)施例中InAs量子線結(jié)構(gòu)[1-10]方向上的暗場TEM截面像。厚薄交替區(qū)域的黑白場對比清楚的顯示出了InAs量子線截面的周期結(jié)構(gòu)。
圖4為實(shí)施例中InAs量子線結(jié)構(gòu)[110]方向上的暗場TEM截面像。從圖中可以看出沿[1-10]方向伸長的量子線的高度的均勻性很好。
實(shí)施例2作為本發(fā)明的另一個例子，本實(shí)施例結(jié)合附圖1對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。本實(shí)例中InAlGaAs緩沖層20的組分為In0.524Al0.288Ga0.188As，InAlGaAs間隔層的組分為In0.492Al0.304Ga0.204As，其它工藝過程與上一個例子中的完全相同。
圖5為實(shí)施例中表面InAs量子線結(jié)構(gòu)的AFM形貌圖。如圖所示，沿[1-10]方向伸長的高密度量子線水平方向上的平均周期和寬度分別約為28nm和17nm，垂直方向上高度平均值約為4.3nm。
圖6為實(shí)施例中InAs量子線結(jié)構(gòu)[1-10]方向上的暗場TEM截面像。
圖7為實(shí)施例中InAs量子線結(jié)構(gòu)[110]方向上的暗場TEM截面像。
權(quán)利要求
1.一種磷化銦襯底上制備量子線陣列的方法，其特征在于，包括如下步驟步驟A將半絕緣磷化銦襯底進(jìn)行脫氧處理；步驟B在進(jìn)行脫氧處理后的半絕緣磷化銦襯底上生長一層緩沖層，該緩沖層與磷化銦襯底晶格匹配；步驟C在緩沖層上生長量子線和間隔層；步驟D重復(fù)步驟C3～7次，以生長多周期量子線結(jié)構(gòu)，提高量子線的尺寸和空間均勻性；步驟E在生長多周期量子線結(jié)構(gòu)之后，生長蓋帽層以保護(hù)所生長的材料，完成量子線陣列的制作。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磷化銦襯底上制備量子線陣列的方法，其特征在于，其中在半絕緣磷化銦襯底上生長緩沖層后，停頓5～10分鐘，以獲得較為平整的緩沖層表面。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磷化銦襯底上制備量子線陣列的方法，其特征在于，其中所述的緩沖層和間隔層是銦鋁鎵砷材料。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磷化銦襯底上制備量子線陣列的方法，其特征在于，其中在磷化銦緩沖層上生長量子線和間隔層包括兩個步驟步驟C1首先生長5個原子單層厚的砷化銦量子線，停頓40～60秒；步驟C2之后生長厚度為20nm的銦鋁鎵砷間隔層，停頓40～60秒。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的磷化銦襯底上制備量子線陣列的方法，其特征在于，其中間隔層的晶格常數(shù)比磷化銦的晶格常數(shù)小。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磷化銦襯底上制備量子線陣列的方法，其特征在于，其中在磷化銦襯底上生長的緩沖層的厚度為200～300nm。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磷化銦襯底上制備量子線陣列的方法，其特征在于，其中生長蓋帽層的厚度為5～20nm，該蓋帽層的材料為銦鎵砷。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磷化銦襯底上制備量子線陣列的方法，其特征在于，其中緩沖層中的鋁組分范圍為0.522-0.524。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磷化銦襯底上制備量子線陣列的方法，其特征在于，其中該間隔層鋁組分隨緩沖層中鋁組分的變化而變化，且與磷化銦襯底的晶格失配控制在-0.21％～-0.22％范圍內(nèi)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磷化銦襯底上制備量子線陣列的方法，其特征在于，其中在整個生長過程中的生長溫度保持一致，范圍為500～530℃，采用過飽和砷壓，且整個生長過程是在旋轉(zhuǎn)的情況下完成的。
全文摘要
一種磷化銦襯底上制備量子線陣列的方法，其特征在于，包括如下步驟步驟A將半絕緣磷化銦襯底進(jìn)行脫氧處理；步驟B在進(jìn)行脫氧處理后的半絕緣磷化銦襯底上生長一層緩沖層，該緩沖層與磷化銦襯底晶格匹配；步驟C在緩沖層上生長量子線和間隔層；步驟D重復(fù)步驟C3～7次，以生長多周期量子線結(jié)構(gòu)，提高量子線的尺寸和空間均勻性；步驟E在生長多周期量子線結(jié)構(gòu)之后，生長蓋帽層以保護(hù)所生長的材料，完成量子線陣列的制備。
文檔編號B82B3/00GK1824602SQ200510009600
公開日2006年8月30日 申請日期2005年2月23日 優(yōu)先權(quán)日2005年2月23日
發(fā)明者黃秀頎, 劉峰奇 申請人:中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所