专利名称：分子束外延自组织生长量子线结构材料制备方法
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结构材料制备方法，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。
量子线结构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)在小偏角衬底上白组织方法生长。优点是工艺简单，但量子线密度低，一维特性需进一步提高。
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量子线结构的制备方法。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，它包含的制备加工步骤有a．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1×10-5至2.5×10-7托、镓蒸气压均为1×10-5至2.5×10-7托，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。
以下结合附图对本发明作进一步详细描述。
图1是本发明的材料结构示意图。
参照图1，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12.3o。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1×10-5至2.5×10-7托下经过高温预处理，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5×10-6托，镓蒸气压为5×10-7托，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1×10-5至2.5×10-7托，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5×10-6托，镓蒸气压为5×10-7托，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5×10-6托，镓蒸气压为5×10-7托，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1×10-5至2.5×10-7托，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5×10-6托，镓(Ga)蒸气压为2.5×10-7托，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。
权利要求
1．一种分子束外延自组织生长量子线结构材料制备方法，其特征在于它包含的加工步骤有a．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结构材料制备方法，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结构材料制备方法，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1×10-5至2.5×10-7托、镓蒸气压均为1×10-5至2.5×10-7托，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结构材料制备方法，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所述的分子束外延白组织生长量子线结构材料制备方法，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。
全文摘要
本发明公开了一种分子束外延自组织生长量子线结构材料制备方法。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结构材料。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。
文档编号H01S5/00GK1312583SQ01110768
公开日2001年9月12日 申请日期2001年4月20日 优先权日2001年4月20日
发明者阎发旺, 张文俊, 张荣桂, 梁春广 申请人:信息产业部电子第十三研究所