【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于半导体领域，具体涉及一种基于分子束外延的原位激光直接制备半导体量子环的方法。
技术介绍
1、人类社会的快速发展，很大程度上得益于半导体
的不断进步，而在整个半导体
中最重要的一个原始环节就是获得各类高质量的半导体材料以及量子结构。随着分子束外延，mocvd(金属有机化合物化学气相沉积)等各类外延技术的专利技术，各种量子结构包括但不限于量子点，量子阱，纳米线以及量子环等被陆续成功制备并被广泛应用于光电探测，光电转换，激光器，微电子电路以及量子计算等各个科技领域。针对上述各类量子结构制备的新工艺、新手段(材料质量更好，可控性更强，效率更高)的研究一直以来是半导体领域各国竞争最激烈的赛场。
2、其中的半导体量子环结构除了在常规的光电以及计算等领域有重大应用价值之外，还特别在磁力器件上也有重要的应用前景。然而，目前获得量子环结构的方法仅局限于报道的“液滴外延”技术，该技术包含两个工艺步骤(液滴生长及退火再结晶)：以最典型的gaas量子环为例，首先是在衬底表面沉积一定量的ga原子以形成金属液滴，然后再打开砷束流后，在砷的氛围下退火晶化，通过对退火温度以及砷压的控制最终液滴将转变为环状结构。显然，液滴ga中通过二次砷的并入再结晶过程很容易产生晶体缺陷，再加上金属液滴的自钻孔效应以及长时间的退火中断，都会严重影响最终量子环的材料质量；同时，该方法的所有过程都是热力学随机生长过程，因此一致性和稳定性较差；此外，该技术较难实现高对称性的量子环，其制备的量子环的形状普遍与严格的几何环形偏离较大。因此，为了能解决
技术实现思路
1、本专利技术旨在解决上述问题，提供了一种基于分子束外延的原位激光直接制备半导体量子环的方法，能够制备高晶体质量、高对称性的半导体量子环，同时该方法还具备高效可控等优点。
2、按照本专利技术的技术方案，所述基于分子束外延的原位激光直接制备半导体量子环的方法，包括以下步骤，
3、s1：对衬底加热处理，所述衬底为iii-v族化合物半导体材料，通式为ab；
4、s2：对加热处理后的衬底进行第一次原位激光脉冲辐照；
5、s3：对第一次原位激光脉冲辐照后的衬底进行第二次原位激光脉冲辐照；
6、所述第二次原位激光脉冲辐照的能量低于所述第一次原位激光脉冲辐照的能量；
7、s4：通入b，对第二次原位激光脉冲辐照后的衬底进行中断退火；
8、s5：重复步骤s3-s4，直至形成ab半导体量子环。
9、本专利技术中：
10、步骤s2通过第一次原位激光脉冲辐照，衬底中的b原子脱附使得留下的a原子在衬底表面发生强烈的迁移，由于激光的热烧蚀效应将在表面随机形成一些纳米孔，而这些纳米孔四周侧壁包含了大量的原子层台阶，相比于其他光滑平整表面原子层位置，这些台阶处的a原子在激光作用时更容易脱离晶格进行游离迁移；
11、步骤s3在纳米孔形成的基础上进行第二次原位激光脉冲辐照，游离的a原子将以纳米孔为中心向四周辐射状迁移到纳米孔外台面上；由于第二次原位激光脉冲辐照只激发纳米孔处a原子发生游离迁移，需将激光脉冲能量降低，即第二次原位激光脉冲辐照的能量低于第一次原位激光脉冲辐照的能量；
12、步骤s4通入b，迁移至台面处的a原子重新与通入的b原子结合再晶化，在纳米孔外围台面处形成环形的ab纳米岛；
13、步骤s5中重复第二次原位激光脉冲辐照和中断退火操作，环形ab纳米岛将逐步长大成最终的ab量子环结构。
14、进一步的，所述步骤s1中，对衬底加热处理，使衬底温度维持在250-530℃。
15、进一步的，所述iii-v族化合物半导体材料为ga基或in基材料，即通式ab中a为ga或in。
16、优选的，所述iii-v族化合物半导体材料为gaas、gasb、inas、insb。
17、进一步的，所述第一次原位激光脉冲辐照的能量为40-60mj；所述第二次原位激光脉冲辐照的能量为15-25mj。
18、进一步的，所述第一次原位激光脉冲辐照与第二次原位激光脉冲辐照的波长和脉宽一致，具体可以采用常规激光脉冲辐照参数，如波长532-193nm，脉宽10ns。
19、进一步的，所述第一次原位激光脉冲辐照和第二次原位激光脉冲辐照的偏振模式为s波。
20、进一步的，所述第一次原位激光脉冲辐照和第二次原位激光脉冲辐照之间的间隔时间为5-10s。
21、进一步的，所述步骤s4中，通入b的压强为(1.0-3.5)×10-6torr。
22、进一步的，所述步骤s4中，中断退火的时间不超过45s，例如可以为4-45s。具体的，中断时间的下限可实际由rheed(反射高能电子衍射仪)测试经激光辐照后表面再构由原来富a状态的4x2再构转变为富b状态的2x4再构所需的时间而标定(一般为4-8s)，而上限建议不超过45s。
23、进一步的，所述步骤s5中，重复次数为13-25次，具体可以根据时间需要进行调整。
24、本专利技术的技术方案相比现有技术具有以下优点：本专利技术中量子环的制备过程为通过多次迁移加再晶化从而逐步生长出量子环，该过程非常接近于外延生长过程，因此可以保证所获得的量子环具有很好的晶体质量以及对称性。另外，由于借助了原位激光的辅助，因此整个过程高效、稳定、可控、无氧化及无污染，此外更重要的是未来可以凭借现有成熟的激光干涉或是其他激光光场调控技术快速升级实现图形化定位加工出量子环。故本专利技术将极大地推动整个基于半导体量子环结构的高性能器件开发以及产业化的速度，同时更有望催生出一些相关的新应用以及新技术。
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1.基于分子束外延的原位激光直接制备半导体量子环的方法，其特征在于，包括以下步骤，
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S1中，对衬底加热处理，使衬底温度维持在250-530℃。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述III-V族化合物半导体材料为Ga基或In基材料。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一次原位激光脉冲辐照的能量为40-60mJ；所述第二次原位激光脉冲辐照的能量为15-25mJ。
5.如权利要求1或4所述的方法，其特征在于，所述第一次原位激光脉冲辐照与第二次原位激光脉冲辐照的波长和脉宽一致。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一次原位激光脉冲辐照和第二次原位激光脉冲辐照的偏振模式为S波。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一次原位激光脉冲辐照和第二次原位激光脉冲辐照之间的间隔时间为5-10s。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S4中，通入B的压强为(1.0-3.5)×10-6torr。
9.如权利要求
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S5中，重复次数为13-25次。
...【技术特征摘要】
1.基于分子束外延的原位激光直接制备半导体量子环的方法，其特征在于，包括以下步骤，
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤s1中，对衬底加热处理，使衬底温度维持在250-530℃。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述iii-v族化合物半导体材料为ga基或in基材料。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一次原位激光脉冲辐照的能量为40-60mj；所述第二次原位激光脉冲辐照的能量为15-25mj。
5.如权利要求1或4所述的方法，其特征在于，所述第一次原位激光脉冲辐照与第二次原位激光脉冲辐照的波长和...
【专利技术属性】
技术研发人员：石震武，张高俊，彭长四，耿彪，朱泽群，韩照祥，程灵素，任卯韫，
申请(专利权)人：苏州大学，
类型：发明
国别省市：
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