在GaAs纳米线侧壁生长同质量子结构的MBE方法

技术领域

本发明属于半导体材料与器件技术领域，涉及一种GaAs纳米线侧壁 生长同质量子结构的MBE方法。

背景技术

光电技术的发展很大一部分依赖于微纳米技术的进步，其中纳米线、 量子点、量子环由于其独特的多维限制效应带来的光学、电学及量子特征 受到广泛的关注，同时量子环也是一种研究磁学特性及Aharonov-Bohm效 应的完美载体。

传统的量子点、量子环多采用S-K模式或者液滴法的自组织方式生长， 在激光器、LED及光电二极管等传统光电子领域获得了广泛的应用，其尺 寸、位置及密度通常由温度、速率等方式定性地控制。量子通信及量子信 息的发展对非经典单光子源提出了新的需求，人们也对“类原子”体系的 量子点、量子环中的单电子、单光子发射等特性产生了浓厚的兴趣，其中 微结构的设计与可控生长则是必备的材料基础，而这在传统的自组织生长 体系中是很难实现的。

液滴法制备量子点是Takaaki MANO等人1999年左右提出的，其后在 2005年逐步被应用到制备量子环领域，经历了量子点-量子环-共轴多环结 构的发展，在形貌控制领域获得了巨大的成功，但时至今日在光学及磁学 表征并未有显著的发展，反映了液滴法制备微结构本身的局限性。同时， 液滴法也存在着自组织生长共通的局限性，也即其密度与位置无法获得定 量的控制，因而在表征及研究量子点与纳米环的性质时只能通过定性降低 其密度并用微区表征的方式，多个量子单位以及环境电荷会对其电学、光 学性质构成串扰，这一点对于隔离制备单个量子器件是非常不利的。此外 传统的液滴法制备量子结构均是在异质材料上进行的，如晶格匹配的 AlAs/GaAs体系，晶格不匹配的GaAs/InAs体系，但是从未有过在同质材 料上形成量子结构的实例。

因而克服液滴法制备量子结构光电性质有限的局限性，进一步拓展同 质外延结构的可控性，同时能够采用可控的结构生长设计避免繁琐的制备 工艺实现隔离单个量子点、量子环器件的制备，具有很重要的理论研究与 实践应用的价值。

发明内容

为解决上述的一个或多个问题，本发明的目的在于，提供一种在GaAs 纳米线侧壁生长同质量子结构的MBE方法，该方法可以实现同质量子结构 的密度的定量控制。

本发明提供了一种在GaAs纳米线侧壁生长同质量子结构的MBE方法， 包括如下步骤：

步骤1：取一半导体衬底；

步骤2：在该半导体衬底上生长二氧化硅层；

步骤3：对生长有二氧化硅层的半导体衬底进行清洗；

步骤4：采用自催化的方法，在二氧化硅层上生长纳米线，该纳米线 的顶端有一Ga液滴；

步骤5：采用高As压处理消耗纳米线顶端的Ga液滴，抑制顶端的纳 米线的VLS生长，形成基片；

步骤6：在低As压的环境中，在基片上淀积Ga液滴；

步骤7：在As的环境中，在基片上纳米线的侧壁上，As与Ga液滴结 合晶化形成量子环或者量子点。

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明采用应力控制成核的机制生长量子结构，可以有效地解决 同质材料外延结构的可控性；

(2)本发明采用应力控制成核的液滴成核法，使得量子点、量子环的 密度与位置均能定量的控制，实现了单根纳米线上生长单个量子点或者量 子环，避免了传统制备量子器件过程中繁琐的隔离工艺。

(3)本发明采用液滴外延法，通过温度及As压控制形貌，能够获得孔 洞结构、量子点、量子环以及耦合双环等不同的量子结构；

(4)本发明将量子点(环)与具有二维限制作用的纳米线结合起来，对 载流子具有更好的三维限制作用，光谱测试也显示了良好的光学特性与单 光子发射特征。

(5)本发明在MBE中利用自催化生长纳米线的成熟技术，具有流程简 单、重复性高的优点，同时纳米线的特征尺寸均匀，具备大规模制备量子 器件的可能。

附图说明

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实 施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明，其中：

图1为本发明的制备流程图；

图2为本发明的结构示意图；

图3为采用本发明的方法生长的侧壁量子孔洞结构的SEM图像；

图4为采用本发明的方法生长的侧壁量子点结构SEM的图像；

图5为采用本发明的方法生长的侧壁量子环结构SEM的图像；

图6为采用本发明的方法生长的侧壁耦合量子双环结构的SEM图像。

具体实施方式

请参阅图1及图2所示，本发明提供一种在GaAs纳米线侧壁生长同 质量子结构的MBE方法，包括如下步骤：

步骤1：取一半导体衬底10，该半导体衬底10的材料为GaAs(001) 或GaAs(111)B。需要说明的是，选用衬底的材料除镓砷GaAs，还可以为 硅Si等半导体材料。

步骤2：在该半导体衬底10上生长二氧化硅层(SiO₂)11，采用的是离 子束溅射的方法，该二氧化硅层11的厚度为10-20nm。制备SiO₂层11的 方式有多种，基本原则为能够精确控制薄层的厚度，过厚的SiO₂层11会导 致表面无法生长纳米线或者生长少量无固定取向的纳米线。生长SiO₂层 11之前，如果GaAs衬底比较脏，需要用三氯乙烯、丙酮和无水乙醇对表 面进行清洗并烘干；

步骤3：对生长有二氧化硅层11的半导体衬底10进行清洗，所述清 洗的水溶液为HF，浓度为2-4％，时间控制在2-10s，如果处理时间过长会 导致表面的SiO₂层11消失，从而无法生长纳米线；

步骤4：采用自催化的方法，在二氧化硅层11上生长纳米线12，该 纳米线12的顶端有一Ga液滴13，在二氧化硅层11上生长纳米线12的温 度为600-670℃；生长时间为60-90min；生长速率为0.6-0.8ML/s，所述 纳米线12的长度为5-7μm，直径约为200-300nm。

纳米线12主要采用VLS的自催化方式生长，催化煤质为Ga液滴13。 在生长过程中，由于GaAs的闪锌矿ZB相与纤锌矿WZ相在纳米线体系中 成核能量相近，因而很容易在GaAs纳米线中同时存在ZB、WZ及层错等缺 陷共存的相位形态，也即纳米线侧壁存在不同的应力中心。

步骤5：采用高As压(约为5E-6Torr)处理消耗纳米线12顶端的Ga 液滴13，抑制纳米线12顶端的VLS生长，形成基片，处理时间主要以顶 端残余Ga液滴13完全晶化形成GaAs为准；

步骤6：在低As压(低于1E-8Torr)的环境中，在基片上淀积Ga液滴 13。在淀积Ga液滴的过程中，扩散到纳米线12侧壁的Ga分子在侧壁的 应力处选择性成核并形成Ga液滴结构；

步骤7：在As(约为3E-6Torr)的环境中，在基片上纳米线12的侧壁 上，随着Ga、As分子的迁移并晶化形成不同结构的GaAs晶体量子结构14。

为了验证本发明的效果，申请人分别采用560-650℃及1E-6Torr至 3E-6Torr的环境对实验结果进行对比，分别获得了量子孔洞、量子点、 量子环以及耦合量子双环等不同的量子结构，扫描电镜(SEM)图像分别如 图3-6所示。

图3为量子孔洞的结构，基本特征为GaAs侧壁无凸起边缘，反而在 Ga液滴的位置处出现了一个深入侧壁的孔洞结构。原因在于As压过低、 温度过高导致的Ga分子扩散长度较大，使得纳米线侧壁的Ga-As键断裂， 形成孔洞结构；

图4为量子点结构，特征是一个近似半球的GaAs表面凸起形貌；

图5为典型的量子环结构，与平面圆形量子环不同，此处呈现近似方 形的形貌，原因可能与纳米线有限的{110}侧壁面积及不同方向的扩散系 数不同有关。环的内外径分别在70nm和100nm附近，高度在10nm左右；

图6为低温高As环境下生成的耦合量子双环结构。

另外通过增加Ga液滴的淀积量和减小淀积温度能够有效的控制单根 纳米线侧壁的量子结构数量，如600℃时仅有一个量子结构，降温至560℃ 时会出现2-3个量子结构。

本发明可用于基于量子环的电磁学研究以及类原子体系中光电子性 质研究，同时相应的光谱测试结果显示了其作为量子通信技术中单光子源 的巨大潜质。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行 了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而 已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修 改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。