[發明專利]在GaAs納米線側壁利用納米環作為掩膜生長量子點的方法

無效

• 申請號: 201310290299.4
• 申請日: 2013-07-11
• 公開（公告）號: CN103367588A
• 公開（公告）日: 2013-10-23
• 發明（設計）人: 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（專利權）人: 中國科學院半導體研究所
• 主分類號: H01L33/30
• 分類號: H01L33/30;H01L21/20
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司 11021
• 代理人: 任巖

技術領域

本發明屬于半導體材料與器件技術領域，涉及一種在GaAs納米線側壁利用納米環作為掩膜生長量子點的方法。

背景技術

近年來，采用分子束外延生長III-V族納米線及其納米光電器件研究成為新型納米光電器件和量子物理研究領域的熱點。量子點、量子環由于其獨特的多維限制效應帶來的光學、電學及量子特征受到廣泛的關注，將量子點與納米線結合，不僅能夠極大地改善納米線光電特征，而且還可能產生新奇量子效應。

傳統的量子點多采用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光電子領域獲得了廣泛的應用，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展對非經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、量子環中的單電子、單光子發射等特性產生了濃厚的興趣，其中微結構的設計與可控生長則是必備的材料基礎，而這在傳統的自組織生長體系中是很難實現的。

液滴法制備量子點是Takaaki?MANO等人1999年左右提出的，其后在2005年逐步被應用到制備量子環領域，經歷了量子點-量子環-共軸多環結構的發展，在形貌控制領域獲得了巨大的成功，但時至今日在光學及磁學表征并未有顯著的發展，反映了液滴法制備微結構本身的局限性。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與納米環的性質時只能通過定性降低其密度并用微區表征的方式，多個量子單位以及環境電荷會對其電學、光學性質構成串擾，這一點對于隔離制備單個量子器件是非常不利的。

圖形法生長量子點作為近年來興起的一門技術，在量子點的定位方面具有重要的意義。傳統的圖形化襯底均是通過電子束光刻的技術實現的，但由于其帶來的不可避免的機械應力性非復合中心，導致目前所獲得的定位量子點存在發光效率低、光譜半寬過大的問題。

因而克服圖形法制備量子點光電性質有限的局限性，采用可控的結構生長設計避免繁瑣的制備工藝實現隔離單個量子點、量子環器件的制備，同時有效地實現納米線與量子點的結合，具有很重要的理論研究與實踐應用的價值。

發明內容

(一)要解決的技術問題

為解決上述的一個或多個問題，本發明提供了一種在GaAs納米線側壁利用液滴法制備的納米環作為掩膜生長量子點的方法，并實現了其密度的定量控制。

(二)技術方案

為達到上述目的，本發明提供了一種在GaAs納米線側壁利用納米環作為掩膜生長量子點的方法，包括：取一半導體襯底1；在該半導體襯底1上生長二氧化硅層2；對生長有二氧化硅層2的半導體襯底1進行清洗；采用自催化的方法，在二氧化硅層2上生長納米線3，該納米線3的頂端有一Ga液滴4；采用高As壓處理消耗納米線3頂端的Ga液滴4，抑制頂端的納米線3的VLS生長，形成基片；在低As壓的環境中，在基片上淀積Ga液滴；在As環境中，在基片上納米線3的側壁上，As與Ga液滴結合晶化形成納米環5；利用納米環作為掩膜生長量子點6，并生長蓋層。

上述方案中，步驟1中所述半導體襯底1采用的材料為GaAs(001)或GaAs(111)B。

上述方案中，步驟2中所述在半導體襯底1上生長二氧化硅層2，采用的是離子束濺射的方法。所述二氧化硅層2的厚度為10-20nm。

上述方案中，步驟3中所述清洗的水溶液為HF，濃度為2-4％。

上述方案中，步驟4中所述在二氧化硅層2上生長納米線3的溫度為600-670℃；生長時間為60-90min；生長速率為0.6-0.8ML/s。所述納米線3的長度為5-7μm。

上述方案中，步驟5中所述高As壓是指As氣壓強高于5E-6Torr，步驟6中所述低As壓是指As氣壓強低于1E-9Torr，步驟7中所述As環境是指As氣壓強介于5E-7至3E-6Torr之間。

上述方案中，步驟6中所述量子點6采用的材料為InAs、GaSb或InAsP。

(三)有益效果

從上述技術方案可以看出，本發明具有以下有益效果：

(1)本發明采用應力控制成核的液滴成核法形成納米環圖形掩膜，使得納米環以及與其相關的量子點的密度與位置均能定量的控制，可以實現單根納米線上生長單個量子點，避免了傳統制備量子器件過程中繁瑣的隔離工藝。

(2)本發明將量子點與具有二維限制作用的納米線結合起來，對載流子具有更好的三維限制作用，預示更好的光電學性質。