一种生长可控量子点和量子环的方法技术

本发明专利技术公开了一种生长可控量子点和量子环的方法，该方法包括：制备μｍ量级的包含有条形区域、方孔区域和圆孔区域的光刻板；对该光刻板图形衬底进行普通光刻；湿法腐蚀制备图形衬底；采用一定的生长条件和沉积量的分子束外延ＭＢＥ生长方法，在同一衬底片上生长出量子点密度从高到低、量子环密度从低到高变化且位置可控的量子点和量子环结构。利用本发明专利技术，通过引入图形衬底的衬底处理方式，在同一生长条件下、同一衬底上不同的区域制备出不同形貌的图形衬底，使得在平面上形成的量子点或者量子环的形貌和分布发生变化，实现了对量子点和量子环密度和分布位置的调制。

Method for growing controllable quantum dots and quantum rings

The invention discloses a method for controllable growth of quantum dots and quantum rings, the method comprises: preparing m level includes a lithographic plate strip, square hole area and hole area; common on the optical lithography rigid patterned substrate; patterned substrate by wet etching using molecular growth conditions; and the deposition of MBE beam epitaxial growth method, the growth of quantum dots from high to low density quantum dots, quantum ring density change from low to high and controllable and quantum ring structure on the same substrate. By using the invention, by introducing a substrate processing pattern substrate, area in the same growth conditions, the same substrate prepared by different patterned substrate with different morphology, the morphology of the quantum dots formed in the plane or quantum ring and the distribution changes, to achieve the modulation of quantum dots and quantum ring density the location and distribution of.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及半导体材料生长
，尤其涉及一种液滴外延结合图形衬底生长InAs/GaAs可控量子点和量子环的方法。
技术介绍
低微纳米结构材料在诸如量子信息处理，量子密码通讯等方面有 着越来越广泛的应用，许多非常具有实用价值的量子器件如单分子光 源都是基于对量子点的可控生长才能得以实现的。目前的低微纳米结 构材料的生长包括分子束外延(MBE)生长技术，金属有机化合物气 相淀积技术(MOCVD)等等，其中基于分子束外延(MBE)生长技 术的应变自组装(SK)生长技术是较为常用的生长技术，GaAs中的InAs量子点已经成为被大多数MBE系统所选择的、生 长规律和生长技术相对比较成熟的典型材料体系，InAs/GaAs量子点激 光器也是研究最多的、最为成熟的激光器。1994年Kirstatedter等用单 层的应变自组装量子点为发光有源区首先研制出了低温下连续工作的 量子点激光器。近些年来，量子点激光器的输出功率也在不断提高， 中科院半导体所半导体材料科学重点实验室在InAs/GaAs量子点激光 器的研究方面也做出了出色的工作，研制的980nm量子点激光器的阈 值电流密度为218A/cm2，最大室温连续输出功率达到了 3.6W， 1W输 出时工作寿命超过4000h。但是SK生长技术有着量子点密度较难控制，而且对于晶格失配要 求很高，无法用于生长晶格匹配的衬底外延(如GaAs/AlGaAs)的缺 点。液滴外延(droplet印itaxy)是一种比较新的外延生长技术，1991 年由日本科学家Nobuyuki Koguchi等人提出。液滴外延的主要生长原 理是在首先单独生长III族元素的液滴之后，外延V族元素与之反应，以己经形成的液滴为基础晶化，最终形成m-v族元素化合物的量子点。作为一种新颖的量子点生长技术，液滴外延生长方式除了在生长量子 点密度方面较为容易控制，可以生长于晶格匹配的衬底外延之外，还 可以形成很多很有特点的量子结构，量子环就是其中之一。量子环的 形成，以及对其能级、震荡强度、极化性、磁场强度的可控性使得它 已经成为制作各种新器件的理想选择之一。近些年来，很多研究小组对液滴外延方式生长量子点以及量子环 进行了实验和研究，并初步得出了一定的结论。但是，对于量子环结 构的形成机理依然没有非常完整的结论，温度，沉积量，尤其是衬底 结构等因素对生长结果的影响依然并不清楚。国内外也有使用SK自组织生长方式制备量子环的方法，但是那需 要在自组织量子点生长完成之后再生长一层盖层并加以高温退火，盖 层的引入影响了量子点材料的应用，而且没有办法在同一样品上同时 制备量子点量子环共存的结构。图形衬底是一种通过制版、甩胶、光刻、腐蚀等一系列过程使得 原本是平面的生长面出现预定的凹陷或者隆起的结构，从而影响生长结果。到目前为止，有结合SK生长模式的图形衬底的制备方法，但是尚未有任何将图形衬底直接应用于液滴外延生长方式的研究报道。
技术实现思路
(一) 要解决的技术问题有鉴于此，本专利技术的主要目的在于提供一种生长可控量子点或量 子环的方法，通过引入图形衬底的衬底处理方式，在同一生长条件下、 同一衬底上不同的区域制备不同形貌的图形衬底，使得在平面上形成 的量子点或者量子环的形貌和分布发生变化，实现对量子点和量子环 密度和分布位置的调制。(二) 技术方案为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案是这样的 ，该方法包括制备iam量级的包含有条形区域、方孔区域和圆孔区域的光刻板;对该光刻板图形衬底进行普通光刻；湿法腐蚀制备图形衬底；采用一定的生长条件和沉积量的分子束外延MBE生长方法，在同一衬底片上生长出量子点密度从高到低、量子环密度从低到高变化且 位置可控的量子点和量子环结构。优选地，所述制备pm量级的包含有条形区域、方孔区域和圆孔区 域的光刻板，使用L-edit软件绘图，采用电子束曝光的方式进行制备; 所述条形区域包括lpm条形区域和2pm条形区域，其中，lpm条形区 域中沟与沟的间距分别为l]um、 2|tim、 3nm、 4)am， 2inm条形区域中沟 与沟的间距分别为2|am、 3pm、 4(im、 5pm;所述方孔区域为liam边长 方孔区域，孔与孔的行间距和列间距均分别为lpm、 2pm、 3|im、 4|im; 所述圆孔区域为l(im直径圆孔区域，孔与孔的行间距和列间距均分别 为l,、 2jim、 3拜、4拜。优选地，所述对光刻板图形衬底进行普通光刻，具体包括用去离子水清洗衬底片；将衬底片置入实验杯，加入丙酮溶液，加热，待丙酮沸腾后5分 钟倒出，重复3遍；加入乙醇溶液加热至沸腾5分钟后倒出，重复3遍； 用去离子水清洗衬底片20遍；用氮气吹干衬底片，放入烘箱以120。 C烘烤30分钟；滴AZ6103薄光刻胶，以3500转/分甩胶，以衬底自然解理面对准 光刻板主轴，光强8mW，曝光5秒；将(CH3)4NOH5H20和去离子水按照1: 4的比例调配成显影液，将 曝光过的底片放入该显影液中显影40秒后取出，用去离子水清洗。优选地，所述湿法腐蚀制备图形衬底，具体包括在冰水混合物 环境下，按照3: 50: 1的体积比分别先后加入H3P04、 H202、 H20， 打开超声，适度混合成腐蚀液，将曝光完毕的GaAs片放入腐蚀液进行 湿法腐蚀，腐蚀时间是40秒；腐蚀时间结束后，立刻将GaAs片放入 去离子水中清洗，得到深处50nm、浅处40nm的图形衬底结构。优选地，所述采用一定的生长条件和沉积量的分子束外延MBE生 长方法，在同一衬底片上生长出量子点密度从高到低、量子环密度从 低到高变化且位置可控的量子点和量子环结构，具体包括将同时具备lpm、2iim沟型结构和lpm孔型结构偏角0.5°的GaAs (100)衬底放入Riber-32p分子束外延系统中；生长全过程中令放置衬底的Mo托始终以50转/分的速度不停旋 转，以保证束流均匀的落在衬底上；在As4保护气中，将衬底加热至反射高能电子衍射RHEED出现 明暗对比明显的斑点图像，衬底脱氧完成；在580°C下生长20nmGaAs缓冲层；衬底降温至120°C，关闭As源保护气；打开In源并以O.lmon/s生长1.5mon的In，然后关闭In源；As阀门全开使得As压达到9.45xl(T6Torr并持续15分钟；升至450。C高温退火6分钟；降温，取出样品。优选地，所述量子点密度从高到低、量子环密度从低到高变化且 位置可控的量子点和量子环结构包括密度为2.04xl08cm'2、平均高度21.64nm、平均直径半径141.4nm 的量子点及量子环密度为O的结构，和密度为4xl07cm_2、平均高度6.4nm、平均直径半径97.8nm的量子 点及密度为2.24xl()8cn^、平均高度26.5764nm、平均外直径222.77nm、 平均内直径78.75nm的量子环结构；其中，量子点的密度随图形衬底所形成的侧面积的的增加而逐渐 减少，量子环的密度随图形衬底所形成的侧面积的减少而逐渐增加。所述量子点和量子环均倾向于形成在远离图形衬底所形成的台阶 处，量子点和量子环的密度最低点均处于图形衬底形成的台阶附近。(三)有益效果1、利用本专利技术，通过引入图形衬底的衬底处理方式，在同一生长 条件下、同本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种生长可控量子点和量子环的方法，其特征在于，该方法包括：　制备μｍ量级的包含有条形区域、方孔区域和圆孔区域的光刻板；　对该光刻板图形衬底进行普通光刻；　湿法腐蚀制备图形衬底；　采用一定的生长条件和沉积量的分子束外延ＭＢＥ生长方法，在同一衬底片上生长出量子点密度从高到低、量子环密度从低到高变化且位置可控的量子点和量子环结构。

【技术特征摘要】
1、一种生长可控量子点和量子环的方法，其特征在于，该方法包括制备μm量级的包含有条形区域、方孔区域和圆孔区域的光刻板；对该光刻板图形衬底进行普通光刻；湿法腐蚀制备图形衬底；采用一定的生长条件和沉积量的分子束外延MBE生长方法，在同一衬底片上生长出量子点密度从高到低、量子环密度从低到高变化且位置可控的量子点和量子环结构。2、 根据权利要求1所述的生长可控量子点和量子环的方法，其特 征在于，所述制备pm量级的包含有条形区域、方孔区域和圆孔区域的 光刻板，使用L-edit软件绘图，采用电子束曝光的方式进行制备；所述条形区域包括lpm条形区域和2^m条形区域，其中，lpm条 形区域中沟与沟的间距分别为lpm、 2pm、 3|im、 4pm， 2pm条形区域 中沟与沟的间距分别为2pm、 3pm、 4nm、 5pm;所述方孔区域为lpm边长方孔区域，孔与孔的行间距和列间距均 分另U为1,、 2|am、 3fim、 4|am;所述圆孔区域为lpm直径圆孔区域，孔与孔的行间距和列间距均 分另U为l拜、2|jjn、 3|im、 4fxm。3、 根据权利要求1所述的生长可控量子点和量子环的方法，其特征在于，所述对光刻板图形衬底进行普通光刻，具体包括 用去离子水清洗衬底片；将衬底片置入实验杯，加入丙酮溶液，加热，待丙酮沸腾后5分 钟倒出，重复3遍；加入乙醇溶液加热至沸腾5分钟后倒出，重复3遍； 用去离子水清洗衬底片20遍；用氮气吹干衬底片，放入烘箱以120。 C烘烤30分钟； 滴AZ6103薄光刻胶，以3500转/分甩胶，以衬底自然解理面对准 光刻板主轴，光强8mW，曝光5秒；将(CH3)4NOHsH20和去离子水按照1: 4的比例调配成显影液，将 曝光过的底片放入该显影液中显影40秒后取出，用去离子水清洗。4、 根据权利要求1所述的生长可控量子点和量子环的方法，其特征在于，所述湿法腐蚀制备图形衬底，具体包括在冰水混合物环境下，按照3:50: 1的体积比分别先后加入H3P04、H202、 H20，打开超声，适度混合成腐蚀液，将曝光完毕的GaAs片...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵暕，陈涌海，王占国，徐波，
申请(专利权)人：中国科学院半导体研究所，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]