一種單/多層異質量子點結構的製作方法
2023-05-27 06:04:06 1
專利名稱：一種單/多層異質量子點結構的製作方法
技術領域：
本發明涉及半導體材料與器件，特別是指一種單/多層異質量子點結構的製作方法。
量子點是尺寸在納米量子的微小晶體結構，其典型特徵是電子波函數的完全局域化和能譜的量子化。量子點結構具有一些十分顯著的量子化效應，它直接影響量子點的各種物理性質，如電子結構，輸運性質以及光學性質等。因此具有極為廣闊的器件應用前景。在光器件方面，主要應用於製作發光管、雷射器和探測器等。電子器件方面可用於製作單電子電晶體，存儲器以及數字信息傳輸、計算單元等，有望在量子計算中發揮重要的作用。量子點發光器件具有發光線寬窄，閾值電流低，溫度特性好的優點。由於同樣的原因，量子點探測器具有探測窗口窄，探測靈敏度高的優點。
低維半導體材料這個概念的提出不久，直到二十世紀八十年代才製作出零維半導體材料。特別值得注意的是，目前國際上最新的量子點結構的應用研究迅速轉移到目前極有可能獲得某些突破的量子信息處理上來，但其量子點結構仍然是普通的量子點結構。在這個領域，多種研究方法或技術路線並存，任何一種好的方案都有可能獲得某些突破，從而形成主流的技術路線。
目前人們生長量子點的方法主要有(1)採用現代成熟的半導體集成電路工藝，特別是光刻工藝，製作納米量級的量子點。(2)在各種自然表面或人工做出圖形的襯底上生長量子點，如小角度表面、超臺階面、高指數表面，以及V型槽，解理異質結構的側面上生長或在掩膜表面上選擇局部生長等等。由於這些襯底表面上某些位置點的能量更低，外延生長時所吸附的原子趨向於沉積在這些點上，從而形成量子點。(3)應變自組織生長方法。在外延薄膜時，外延層厚度存在一個臨界厚度L，當外延層厚度未超過臨界厚度時，外延是二維平面生長，隨著浸潤層厚度增加，應變能不斷積累，當浸潤層厚度達到臨界厚度時，外延生長過程則由二維平面生長轉變為三維島狀生長，形成三維的團簇，成為量子點的陣列。其他還有採用表面活性劑等方法。
採用如上方法生長量子點存在一些問題，主要的有(1)光刻法會在量子點表面產生許多的位錯。當位錯存在時，電子和空穴可以進行非輻射複合，從而降低輻射複合的機率，降低量子點的發光效率；同理，量子點的溫度特性也會受到影響。這對製作電子器件也是不利的。
(2)光刻法還有工藝複雜，成本高的缺點，當光刻線寬需要降低時會大幅度提高工藝成本，而且工藝更複雜，導致成品率下降。
(3)利用表面凹坑的存在來生長量子點的缺點是不能在各種需要的襯底表面上形成和襯底表面凹坑無關的的量子點及其陣列結構，這使其應用存在很大的局限性。
(4)自組裝量子點方法的缺點是由於其生長機理利用了S-K生長模式，量子點的尺寸大小會受到限制，可調範圍較小；此外，必須要採用實時監控，目前只能在分子束外延(MBE)生長方法中採用。而不能用於其他生長方法，如工業生產中採用的金屬有機物化學氣相沉積法(MOCVD)，熱壁外延法，氫化物氣相沉積法(HVPE)等。
發明內容
本發明的目的是提供一種單/多層異質量子點結構的製作方法，其是採用簡便易行的工藝方法生長尺寸可調範圍大的高密度量子點。而且這種方法目前適用於目前各種外延生長技術，並且不受襯底的限制(不必有納米量級的凹坑)。這種方法可以用於製作發光器件和電學器件的活性層。製作出亮度高、溫度特性好、開啟電壓低的發光器件，以及新一代的量子電子器件。
本發明的技術方案是本發明一種製作單/多層異質量子點結構的方法，其特徵在於，該方法包括如下製備步驟步驟1選擇襯底材料，在該襯底上外延生長所需要的另一材料作為下一步的襯底；步驟2對外延生長的材料表面進行鈍化，以利於量子點的形成；步驟3在經鈍化後的上述襯底上生長一層納米尺寸的量子點作為誘導層；步驟4然後在誘導層上再生長一層或多層異質量子點結構；所生長的單/多層異質量子點結構可以作為光學器件或電子器件的活性層。
其中步驟1所說的襯底可以是異質襯底也可以是同質襯底；如生長III族氮化物就可以採用同質氮化鎵(GaN)單晶，或者異質的藍寶石，矽單晶(Si)，尖晶石(MgAl2O4)，碳化矽(SiC)，氮化鋁(AlN)，氧化鋅(ZnO)，矽上生長氧化鋁複合襯底(Al2O3/Si)、矽上生長氮化鋁複合襯底(AlN/Si)、矽上生長氧化鋅複合襯底(ZnO/Si)和AlN/SiC等等各種複合襯底；總之，只要能夠使在該襯底上外延的材料有較好的質量可以作為下一步生長量子點誘導層的模板即可。
其中步驟2所說的鈍化可以用多種鈍化方法，如氣體鈍化，採用氫氣，氧氣對表面進行鈍化；或用液體、固體鈍化，如各種硫化物，氧化物等等；所說的鈍化只要能夠有效的填充襯底表面的懸掛鍵，提高表面原子的躍遷勢壘即可。
其中步驟3所說的生長納米尺寸的量子點誘導層時，應採用相應的溫度，該溫度的範圍視不同材料而定；溫度影響表面能的大小，而表面能的大小是決定外延是否按三維模式進行生長的關鍵。
其中步驟4所說的生長一層或多層異質量子點結構，量子點可以是單層也可以是多層，層數不限，每一層厚度為1納米到500納米；不同層之間可以為不同材料，不同層之間也可以為相同材料；甚至可以不需要生長這一層，而直接使用步驟3所生長的的量子點作為量子點活性層。
其中步驟4所說的光學器件包括發光二極體，雷射二極體或光電探測器等；電學器件包括庫侖阻塞器件，量子存儲器件等。
本發明先選取所需半導體材料作為襯底，對表面進行鈍化，以降低襯底表面的表面能，這樣隨後生長的低溫層就會以三維生長的模式澱積到襯底表面上，於是形成一層納米量級的島狀結構作為誘導層，再生長單層或多層所需的異質量子點結構。
目前已知的外延生長模式有三種F-vdM(Frank-var der Merwe)模式，V-M(Volmer-Webber)模式，S-K(Stranski-Krastanov)模式。外延生長過程中到底是二維還是三維生長模式佔統治地位，取決於襯底、界面和外延層之間的表面能。當外延層表面能和界面能總和大於襯底表面能時，則發生V-W生長，即島狀生長，於是可以形成量子點。鈍化襯底表面的目的就是降低襯底表面的表面能。澱積到襯底上的第一層納米尺寸的量子點不作為活性層，而利用垂直耦合效應以其作為調整層，在上面再生長一層或數數層量子點結構。
為了更好的說明本發明的意義，下面對以上所提到的詞彙做進一步解釋。
所說的「半導體材料」，包括單質半導體材料，如矽、鍺等。也包括III族氮化物，磷化物，砷化物及II-VI族等化合物半導體。
所說的「異質」，指的是兩種成分不同的半導體材料。兩者最本質的區別是禁帶寬度不同，即兩種半導體材料中，導帶底的能量之間或價帶頂之間的能量之間有一個能量差。
所說的「鈍化」含義如下可以是多種鈍化方法。可以是氣體鈍化，如採用氫氣，氧氣對表面進行鈍化。也可以是液體、固體鈍化，如各種硫化物，氧化物等等。只要能夠有效的填充襯底表面的懸掛鍵，提高表面原子的躍遷勢壘即可。
所說的「單/多層薄膜」含義如下單層薄膜是指一層和界面兩邊材料部不同的薄膜。多層薄膜則是指數層薄膜結構，每層薄膜由不同材料構成。
我們利用該方法生長了銦鎵氮量子點。如
圖1所示為該樣品的原子力顯微鏡俯視圖，由圖可見，已經形成了納米量級的量子點。由於這些點大小為納米量級，所以可以形成量子限制效應。請參閱圖2為該量子點的光致發光光譜圖。圖中還給出了相同生長條件下，生長相同時間的單層銦鎵氮薄膜的光致發光譜圖作為對比。通過對比可以發現，量子點樣品的發光效率要高得多。
實施例III族氮化物量子點發光二極體圖3表示根據本發明第一實施例的III族氮化物量子點發光二極體的截面圖。該結構的製備包括以下步驟步驟1選擇襯底材料，在該襯底上外延生長所需要的另一材料作為下一步的襯底；如採用(0001)面藍寶石(C-Al2O3)1作襯底；在(0001)面藍寶石襯底上外延生長一層氮化鎵的緩衝層2，緩衝層10-50nm厚，生長溫度是450-600℃；在緩衝層上生長一定厚度的N型氮化鎵3，生長溫度1000-1100℃，厚度為0.5-4微米。
步驟2對外延生長的材料表面進行鈍化，以利於量子點的形成；也就是對氮化鎵3薄膜進行鈍化。
步驟3在經鈍化後的上述襯底上生長一層納米尺寸的量子點作為誘導層；也就是在氮化鎵模板上生長低溫氮化鎵量子點4，作為調整層；在氮化鎵量子點上面覆蓋一層或多層InGaN量子點，作為器件的活性層。具體生長條件及多層膜的結構視所設計的結構而定。
步驟4然後在誘導層上再生長一層或多層異質量子點結構；所生長的單/多層異質量子點結構可以作為光學器件或電子器件的活性層；在活性層的上面生長0.5到3微米的P型層。
其中的襯底除(0001)面藍寶石(C-Al2O3)外，也可以採用任何一個面的藍寶石做襯底，或者氮化鎵(GaN)單晶，矽單晶(Si)，尖晶石(MgAl2O4)，碳化矽(SiC)，氮化鋁(AlN)，氧化鋅(ZnO)，矽上生長氧化鋁複合襯底(Al2O3/Si)、矽上生長氮化鋁複合襯底(AlN/Si)、矽上生長氧化鋅複合襯底(ZnO/Si)和AlN/SiC等等各種複合襯底。總之，只要能夠使在該襯底上外延的III族氮化物有較好的質量可以作為GaN量子點的模板即可。雖然在多種襯底上外延都可以得到同樣的效果，我們認為目前以(0001)面藍寶石做襯底較好，該襯底和其他襯底相比具有廉價，易於獲得的優點。
前述各材料的外延生長方法採用MOCVD方法是目前最好的方式。
前述中的鈍化可以是各種有效的鈍化方法。包括各種氧化劑，硫化物，氫化物。只要能夠有效的填充氮化鎵表面的懸掛鍵，增大表面擴散勢壘即可。
前述中量子點可以是單層也可以是多層，層數不限，每一層厚度為1納米到500納米。不同層之間可以為不同材料，例如圖3中所標示的A、B、C分別表示不同的異質材料層；不同層之間也可以為相同材料。例如A層和C層相同又與B層不同，從而構成一個雙異質結構。該層結構中採用了本發明。當以這樣的III族單/多層量子點為器件的活性層時，製作的發光器件將會具有高的發光效率，低的開啟電壓(閾值電壓)，以及優良的溫度特性。
本發明與以往的技術相比，該發明具有以下意義1)適用於目前常用的各類外延生長設備，如分子束外延(MBE)，金屬有機氣相沉積法(MOCVD)，氫化物氣相沉積法(HVPE)，熱壁外延等等。
2)適用於常用各類村底材料，對這些材料而言，都可以進行相應的表面鈍化，從而降低表面能。也就是說可以採用這種方法生長各材料系的量子點。
3)由V-M(Volmer-Webber)生長模式的原理可知利用這種生長方法可以生長不同尺度的量子點，調節幅度較大。
4)該方法工藝成本低，不需添加任何新的工藝設備即可完成。
權利要求
1.一種製作單/多層異質量子點結構的方法，其特徵在於，該方法包括如下製備步驟步驟1選擇襯底材料，在該襯底上外延生長所需要的另一材料作為下一步的襯底；步驟2對外延生長的材料表面進行鈍化，以利於量子點的形成；步驟3在經鈍化後的上述襯底上生長一層納米尺寸的量子點作為誘導層；步驟4然後在誘導層上再生長一層或多層異質量子點結構；所生長的單/多層異質量子點結構可以作為光學器件或電子器件的活性層。
2.根據權利要求1所述的一種單/多層異質量子點結構，其特徵在於，其中步驟1所說的襯底可以是異質襯底也可以是同質襯底；如生長III族氮化物就可以採用同質氮化鎵單晶，或者異質的藍寶石，矽單晶，尖晶石，碳化矽，氮化鋁，氧化鋅，矽上生長氧化鋁複合襯底、矽上生長氮化鋁複合襯底、矽上生長氧化鋅複合襯底等各種複合襯底；總之，只要能夠使在該襯底上外延的材料有較好的質量可以作為下一步生長量子點誘導層的模板即可。
3.根據權利要求1所述的一種單/多層異質量子點結構，其特徵在於，其中步驟2所說的鈍化可以用多種鈍化方法，如氣體鈍化，採用氫氣，氧氣對表面進行鈍化；或用液體、固體鈍化，如各種硫化物，氧化物等等；所說的鈍化只要能夠有效的填充襯底表面的懸掛鍵，提高表面原子的躍遷勢壘即可。
4.根據權利要求1所述的一種單/多層異質量子點結構，其特徵在於，其中步驟3所說的生長納米尺寸的量子點誘導層時，應採用相應的溫度，該溫度的範圍視不同材料而定；溫度影響表面能的大小，而表面能的大小是決定外延是否按三維模式進行生長的關鍵。
5.根據權利要求1所述的一種單/多層異質量子點結構，其特徵在於，其中步驟4所說的生長一層或多層異質量子點結構，量子點可以是單層也可以是多層，層數不限，每一層厚度為1納米到500納米；不同層之間可以為不同材料，不同層之間也可以為相同材料；甚至可以不需要生長這一層，而直接使用步驟3所生長的的量子點作為量子點活性層。
6.根據權利要求1所述的一種單/多層異質量子點結構，其特徵在於，其中步驟4所說的光學器件包括發光二極體，雷射二極體或光電探測器等；電學器件包括庫侖阻塞器件，量子存儲器件等。
全文摘要
一種製作單/多層異質量子點結構的方法，這種結構用於製作發光器件和微電子器件的活性層，選擇合適的襯底材料，在該襯底上外延所需的半導體薄膜材料作為襯底，然後對襯底材料表面進行鈍化，然後在鈍化後的表面上生長一層納米尺寸的島狀誘導層，再生長單/多層量子點結構，採用這種方法生長量子點工藝簡單，量子點尺寸可調度大，並且適用於多種超晶格外延生長設備；在這種單/多層異質量子點結構中，由於量子限制效應導致三維方向上的載流子局域化；採用該新結構的半導體光電器件可以通過製作內量子效率高、溫度特性穩定和開啟電壓低或閾值電壓低的發光器件和電子器件。
文檔編號H01L31/00GK1414644SQ0113684
公開日2003年4月30日 申請日期2001年10月26日 優先權日2001年10月26日
發明者陳振, 陸大成, 韓培德, 劉祥林, 王曉暉, 李昱峰, 王佔國 申請人:中國科學院半導體研究所