[发明专利]砷化铟和砷化镓的纳米结构及其制作方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种利用液滴分子束外延技术制作半导体纳米结构的方法，特别是指一种制作砷化铟和砷化镓的纳米结构及其制作方法。

背景技术

半导体纳米结构是纳米尺度的微小晶体结构，由于三维或二维量子限制作用，半导体纳米结构具有分立的电子能级，从而具有量子尺寸效应、量子隧穿和库仑阻塞效应以及非线性光学效应等特性，是新一代固态量子器件的基础。更重要的是，这些特异的光电性质完全取决于半导体纳米结构的尺寸和形状，可以通过对生长参数的控制来实现对半导体纳米结构光电性质的人工剪裁。因此半导体纳米结构在未来的纳米电子学、光子学和新一代超大规模集成电路方面有重要的应用前景。

早期制备半导体纳米结构主要采用自上而下的方法，通过光刻、电子束曝光等精细加工手段对量子阱材料进行刻蚀，从而获得纳米尺寸的半导体纳米结构。该方法的优点是量子点分布、尺寸、形状(在分辨率范围内)可控。缺点是刻蚀会引入缺陷和杂质等非辐射复合中心，严重影响半导体纳米结构的发光效率，另外对加工工艺和设备要求也很高，成本很高。

目前制备半导体纳米结构主要采用应变自组装的自下而上的办法。即在一种材料上外延生长晶格常数不同的另一种材料，随着浸润层厚度的增加，应变能不断积累。当外延层厚度超过临界厚度时，外延材料就会从二维平面生长转变为纳米尺寸的三维岛状生长，形成半导体纳米结构阵列，即S-K生长模式。利用这种方法可以制备出无缺陷、高密度半导体纳米结构材料，具有非常高的发光效率。例如，用应变自组织量子点材料研制的半导体激光器，其阈值电流已经比传统的量子阱激光器的还要小。

应变自组装技术无需诸如高空间分辨率的电子束曝光和刻蚀等复杂的工艺技术，方法简单，而且不会引入杂质污染或形成缺陷，因此是目前制备量子点材料最常用的方法。但是由于应变自组织成核的随机性，其形状、尺寸和空间分布虽可通过优化生长工艺在一定范围内加以调整，却难以做到准确控制，存在着均匀性和有序性差的问题，阻碍了半导体纳米结构的实际应用。另外，自组织方法只适用于晶格失配较大的材料体系，对于晶格完全匹配的材料体系则不适用。

发明内容

本发明的目的是提供一种砷化铟和砷化镓的纳米结构及其制作方法，主要是通过在势垒层上形成三族元素的液滴，和五族元素反应后晶化生成半导体纳米结构。这种方法可以用于制作发光器件和电子器件的有源层，制备出阈值电流低、温度特性好的激光器以及新型的电子器件。

本发明的技术方案如下：

本发明一种砷化铟和砷化镓的纳米结构，其特征在于，包括：

一衬底；

一缓冲层，该缓冲层制作在衬底上，以避免衬底上的缺陷；

一第一势垒层，该第一势垒层制作在缓冲层上，起到限制载流子作用；

一铟或镓的第一液滴层，该铟或镓的第一液滴层制作在第一势垒层表面；

一第二势垒层，该第二势垒层制作在铟或镓的液滴层的上面，保持原来的温度生长，以避免破坏纳米结构；

一第三势垒层，该第三势垒层制作在第二势垒层上，采用高温生长，以得到好的晶体质量；

一铟或镓的第二液滴层，该铟或镓的第二液滴层制作在第三势垒层表面，以便于表面形貌的表征。

其中所述的衬底为GaAs或InP材料。

其中所述的缓冲层、第一势垒层、第二势垒层和第三势垒层的组分及厚度可任意调节。

其中所生成的纳米结构为量子点或量子环或量子双环或量子点对。

本发明一种砷化铟和砷化镓的纳米结构的生长方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

步骤1：选择一衬底，在该衬底上依次外延生长缓冲层、第一势垒层；

步骤2：降低衬底的温度，在第一势垒层表面形成铟或镓的第一液滴层；

步骤3：将铟或镓的第一液滴层与砷反应生成砷化铟或砷化镓纳米结构层；

步骤4：在上述纳米结构层上生长第二势垒层和第三势垒层；

步骤5：降低衬底的温度，在第三势垒层的表面形成铟或镓的第二液滴层；

步骤6：将铟或镓的第二液滴层与砷反应生成砷化铟或砷化镓纳米结构层，完成砷化铟或砷化镓的纳米结构的制作。

其中所述的衬底为GaAs或InP材料。

其中所述的缓冲层、第一势垒层、第二势垒层和第三势垒层的组分及厚度可任意调节。

其中在第一势垒层表面形成液滴时将衬底的温度降至50-550度。