Gsmbe製備ⅲ-ⅴ化合物半導體納米管結構材料的方法

2023-07-29 06:11:11

專利名稱：Gsmbe製備ⅲ-ⅴ化合物半導體納米管結構材料的方法
技術領域：
本發明屬III-V族化合物半導體材料的製備領域，特別是涉及一種GSMBE (氣態源分子束外延)製備III-V化合物半導體納米管結構材料的方法。
背景技術：
半導體納米管是一種新型納米材料，由於納米體系中的尺寸效應、表面與界面、電子相干性等特殊性能。受到物理、化學、材料學界以及許多高新技術產業部門的極大重視。納米材料與納米管結構在製造業、信息技術、能源、環境、健康醫療、生物技術和國家安全等領域中具有潛在的應用。化合物半導體納米管可以表現出明顯的量子效應，在紅外成像、紅外雷射器、半導體紅外探測、光敏電阻器、太陽能電池和熱電器件等領域具有良好的應用前景。V.Y. Prinz， V.A. Seleznev， A.K. Gutakovsky， A.V. Chehovskiy，V.V.Preobrazhenskii, M.A. Putyato， T.A. Gavrilov^ Physica E(Netherlands) 6 (2000) 828.R.Songmuang， Ch. Deneke， O.G. Schmidt, Appl. Phys. Lett. 89(2006) 223109.C. Deneke， C.Muller, O.G. Schmidt, Mater. Res. Soc. Symp. Proc.728 (2002) 141.L. Zhang, S.V. Golod， E.Deckardt， V. Prinz， D. Grutzmacher,Physica E (Netherlands) 23 (2004) 280.
納米科技研究的發展趨勢正從單純的材料合成向納米材料的可控生長方面側重和傾斜。納米材料和納米管結構的可控生長是納米材料與納米結構研究中的基本問題，現階段的研究主要在納米材料可控制備和結構性能關係研究的基礎上。
常規的半導體納米管材料生長技術比較多，有電弧放電法、化學氣相沉積法、雷射蒸發石墨法等，但不能進行納米管形狀尺寸的可控生長。

發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種GSMBE製備III-V化合物半導體納米管結構材料的方法，該方法操作簡單，成本低，適合大規模生產，且III-V族化合物半導體材料體系選擇餘地大，來源方便，可以對納米管內外壁材料進行摻雜製備。
本發明的一種GSMBE製備III-V化合物半導體納米管結構材料的方法，包括
(1) 將GaAs (100)襯底送入氣態源分子束外延系統GSMBE的預處理室，於400~450。C除氣25~35分鐘；
(2) 將上述襯底傳遞至GSMBE的生長室，將砷垸AsH3於1000'C進行裂解，得到As2用作As源，調節氣源爐AsH3壓力Pv為450~700 Torr，並控制束流強度；
(3) 襯底在As氣氛的保護下進行生長前的表面解吸，襯底溫度於58(TC下進行外延生長，生長時襯底以每分鐘5轉的速度旋轉，以保證外延材料的均勻性；
其中，Al的分子束強度fA,為7.16， Ga的分子束強度fba為33.6， In的分子束強度fIn 為14.79，偏差在±5%;
GaAs緩衝層的生長工藝條件為Ga的生長溫度為1080 °C，AsH3的裂解壓力為600Torr， 在此條件下GaAs的生長速率為0.78nm/h, GaAs緩衝層厚度為300nm;
AlGaAs腐蝕犧牲層的生長工藝條件為Ga的生長溫度為1080 °C, Al的生長溫度為 1M(TC， AsH3的裂解壓力為700Torr，在此條件下AlGaAs的生長速率為0.98nm/h， AlGaAs 腐蝕犧牲層厚度1.6^im;
InGaAs應變層的生長工藝條件為Ga的生長溫度為1080 °C， In的生長溫度為850'C ， AsH3的裂解壓力為700Torr，在此條件下InGaAs的生長速率為0.98pm/h， InGaAs應變層 的厚度6nm;
GaAs管徑內壁層的生長工藝條件為Ga的生長溫度為1080 °C， AsH3的裂解壓力為 600Torr，在此條件下GaAs的生長速率為0.78nm/h， GaAs管徑內壁層厚度為6nm;
(4)通過半導體刻蝕工藝製作圖形，經腐蝕後製作成III-V族化合物半導體納米管結 構材料。
所述步驟(3)中的襯底表面解吸的工藝為GaAs襯底在As氣氛的保護下加熱至解吸 溫度600'C 63(TC以去除表面的氧化層，解吸過程用RHEED來監控，隨著氧化層的脫附， RHEED的衍射圖案將產生由點狀拉伸為長條的突變，由此觀察到2X4的As的穩態再構；
所述步驟(3)中AlGaAs三元合金的組分是通過校正Al和Ga的束流比fA!/fb (&為 7.16， fba為33.6，偏差在±5%)，並採用XRD測定外延層與襯底之間的失配度而確定的；
所述步驟(3)中的InGaAs三元合金的組分是通過校正In和Ga的束流比fm/fba (是 fm為14.79， f(ja為33.6，偏差在±5%)，並採用XRD測定外延層與襯底之間的失配度而確 定的；
所述步驟(3)中的AlGaAs中Al的組分佔30%， Ga的組分佔70%，組份偏差在±2%。； 所述步驟(3)中的InGaAs中In的組分佔20%， Ga的組分佔80%，組份偏差在±2%。 本發明在GSMBE製備半導體納米管結構的過程中，採用半絕緣單拋的GaAs (100) 襯底。先在GaAs襯底上外延生長一層300nrn的GaAs緩衝層，GaAs緩衝層的引入可以使 材料從襯底到結構有良好的過度，減少直接進行異質外延引起的缺陷和位錯等；由於 AlGaAs與GaAs材料具有良好的晶格E配，採用AlGaAs材料作為腐蝕犧牲層，在GaAs 緩衝層後生長AlGaAs材料；在腐蝕犧牲層上面設計生長InGaAs層，通過控制In的組份，
5精確控制InGaAs應變材料層的生長，使材料在應變範圍內達到良好的外延質量；在應變 InGaAs材料層上面進行內管壁GaAs材料的生長。通過在工藝過程對腐蝕犧牲層的腐蝕， 使AlGaAs材料上面的InGaAs層的應力釋放，巻曲形成管狀結構。另外，此結構材料還可 適用於金屬有機氣相外延(M0CVD或M0VPE)等氣相外延方法。 有益效果
(1) 本發明的m-V族化合物半導體材料體系選擇餘地大，來源方便，如InGaAs/GaAs， InAs/GaAs， InGaP/GaAs ，InGaAs/InP等；並且可以分別對納米管內外壁材料進行摻雜； 同時可實現材料的生長溫度，厚度，均勻性等多方面的良好控制；
(2) 該製備方法操作簡單，僅需要外延沉積幾層，材料生長的外延方法多，可以用MBE， MOCVD等，且對環境友好，成本低，適合大規模生產。


圖1為本發明的半導體納米管材料結構示意圖2為AlGaAs/GaAs外延材料的XRD搖擺曲線(其中，S為襯底峰，L為外延峰；材料 的晶格失配度Aa/a:321ppm， a為襯底材料的晶格常數，Aa為外延材料和襯底材料的晶格 常數之差；八1的百分含量八1%=30.5%);
圖3為InGaAs/GaAs外延材料的XRD搖擺曲線(其中，S為襯底峰，L為外延峰；材料的 晶格失配度Aa/a^3448ppm， a為襯底材料的晶格常數，Aa為外延材料和襯底材料的晶格 常數之差；111的百分含量111%=19.75%)。
具體實施例方式
下面結合具體實施例，進一步闡述本發明。應理解，這些實施例僅用於說明本發明而 不用於限制本發明的範圍。此外應理解，在閱讀了本發明講授的內容之後，本領域技術人 員可以對本發明作各種改動或修改，這些等價形式同樣落於本申請所附權利要求書所限定 的範圍。
實施例1
採用氣態源分子束外延在半絕緣單拋的GaAs (100)襯底上進行材料生長，襯底溫度 為580°C。先在GaAs襯底上外延生長一層300nrn的GaAs緩衝層，生長了 1.6nmAlGaAs 材料作為腐蝕犧牲層，在腐蝕犧牲層上面生長6nm InGaAs應變層，在應變InGaAs材料層上面進行內管壁6nm GaAs材料的生長。通過圖2和圖3的x-ray測試分析，AlGaAs腐蝕 層材料和InGaAs應變層的材料組份達到了設計要求，材料質量非常好。 具體工藝如下
(1) 將GaAs (100)襯底送入氣態源分子束外延系統GSMBE的預處理室，於400~450 C除氣25~35分鐘；
(2) 將上述襯底傳遞至GSMBE的生長室，將砷垸AsH3於100(TC進行裂解，得到As2 用作As源，調節氣源爐AsH3壓力Pv為450~700 Torr，並控制束流強度；
(3) 襯底在As氣氛的保護下進行生長前的表面解吸，襯底溫度於580'C下進行外延生 長，生長時襯底以每分鐘5轉的速度旋轉，以保證外延材料的均勻性；
解吸的工藝GaAs襯底在As氣氛的保護下加熱至解吸溫度600°C~63(TC以去除表面 的氧化層，解吸過程用RHEED來監控，隨著氧化層的脫附，RHEED的衍射圖案將產生由 點狀拉伸為長條的突變，由此觀察到2X4的As的穩態再構；
其中，Al的分子束強度fA!為7.16， Ga的分子束強度fba為33.6， In的分子束強度fln 為14.79，偏差在±5%;
GaAs緩衝層的生長工藝條件為Ga的生長溫度為1080 °C，AsH3的裂解壓力為600Torr， 在此條件下GaAs的生長速率為0.78pm/h， GaAs緩衝層厚度為300nm;
AlGaAs腐蝕犧牲層的生長工藝條件為Ga的生長溫度為1080 °C, Al的生長溫度為 1140'C，AsH3的裂解壓力為700Torr，在此條件下AlGaAs的生長速率為0.98nm/h， AlGaAs 腐蝕犧牲層厚度1.6nm;
InGaAs應變層的生長工藝條件為Ga的生長溫度為1080 'C， In的生長溫度為850°C， AsH3的裂解壓力為700Torr，在此條件下InGaAs的生長速率為0.98pm/h， InGaAs應變層 的厚度6nm;
GaAs管徑內壁層的生長工藝條件為Ga的生長溫度為1080 'C， AsH3的裂解壓力為 600Torr，在此條件下GaAs的生長速率為0.78pm/h， GaAs管徑內壁層厚度為6nm;
(4)通過半導體刻蝕工藝製作圖形，經腐蝕後製作成III-V族化合物半導體納米管結 構材料。
權利要求
1.一種GSMBE製備III-V化合物半導體納米管結構材料的方法，包括(1)將GaAs襯底送入氣態源分子束外延系統GSMBE的預處理室，於400～450℃除氣25～35分鐘；(2)將上述襯底傳遞至GSMBE的生長室，將砷烷AsH3於1000℃進行裂解，得到As2用作As源，調節氣源爐AsH3壓力PV為450～700Torr，並控制束流強度；(3)襯底在As氣氛的保護下進行生長前的表面解吸，襯底溫度於580℃下進行外延生長，生長時襯底以每分鐘5轉的速度旋轉，以保證外延材料的均勻性；其中，Al的分子束強度fAl為7.16，Ga的分子束強度fGa為33.6，In的分子束強度fIn為14.79，偏差在±5％；GaAs緩衝層的生長工藝條件為Ga的生長溫度為1080℃，AsH3的裂解壓力為600Torr，在此條件下GaAs的生長速率為0.78μm/h，GaAs緩衝層厚度為300nm；AlGaAs腐蝕犧牲層的生長工藝條件為Ga的生長溫度為1080℃，Al的生長溫度為1140℃，AsH3的裂解壓力為700Torr，在此條件下AlGaAs的生長速率為0.98μm/h，AlGaAs腐蝕犧牲層厚度1.6μm；InGaAs應變層的生長工藝條件為Ga的生長溫度為1080℃，In的生長溫度為850℃，AsH3的裂解壓力為700Torr，在此條件下InGaAs的生長速率為0.98μm/h，InGaAs應變層的厚度6nm；GaAs管徑內壁層的生長工藝條件為Ga的生長溫度為1080℃，AsH3的裂解壓力為600Torr，在此條件下GaAs的生長速率為0.78μm/h，GaAs管徑內壁層厚度為6nm；(4)通過半導體刻蝕工藝製作圖形，經腐蝕後製作成III-V族化合物半導體納米管結構材料。
2. 根據權利要求1所述的一種GSMBE製備III-V化合物半導體納米管結構材料的方法， 其特徵在於所述步驟(3)中的襯底表面解吸的工藝為GaAs襯底在As氣氛的保護下加 熱至解吸溫度600'C 63(TC以去除表面的氧化層，解吸過程用RHEED來監控，隨著氧化 層的脫附，RHEED的衍射圖案將產生由點狀拉伸為長條的突變，由此觀察到2X4的As 的穩態再構。
3. 根據權利要求1所述的一種GSMBE製備III-V化合物半導體納米管結構材料的方法， 其特徵在於所述步驟(3 )中AlGaAs三元合金的組分是通過校正Al和Ga的束流比fM/fca, fA,為7.16， fca為33.6，偏差在±5%，並採用XRD測定外延層與襯底之間的失配度而確定 的。
4. 根據權利要求1所述的一種GSMBE製備III-V化合物半導體納米管結構材料的方法， 其特徵在於所述步驟(3)中的AlGaAs中三元合金的組分的比例範圍是Al的組分佔30%， Ga的組分佔70M，組份偏差在±2%。
5. 根據權利要求1所述的一種GSMBE製備m-V化合物半導體納米管結構材料的方法，其特徵在於:所述步驟(3)中的InGaAs三元合金的組分是通過校正In和Ga的束流比fIn/fGa， f化為14.79, foa為33.6，偏差在±5%，並採用XRD測定外延層與襯底之間的失配度而確 定的。
6. 根據權利要求1所述的一種GSMBE製備III-V化合物半導體納米管結構材料的方法， 其特徵在於所述步驟(3)中的In的組分佔20。/。， Ga的組分佔80M，組份偏差在±2%。
全文摘要
本發明涉及一種GSMBE製備III-V化合物半導體納米管結構材料的方法，包括在GSMBE系統中，對襯底進行預處理；將砷烷裂解得到As2用作As源，調節氣源爐AsH3壓力PV為450～700Torr，並控制各分子束流強度；然後將襯底傳遞至GSMBE的生長室進行外延生長；通過半導體刻蝕工藝製作圖形，經腐蝕後製作成III-V族化合物半導體納米管結構材料。該III-V族化合物半導體材料體系選擇餘地大，來源方便，並且可以對納米管內外壁材料進行摻雜；製備方法操作簡單，成本低，適合大規模生產。
文檔編號C30B29/40GK101591811SQ20091005439
公開日2009年12月2日 申請日期2009年7月3日 優先權日2009年7月3日
發明者浩 孫, 徐安懷, 朱福英, 艾立鵾, 鳴 齊 申請人:中國科學院上海微系統與信息技術研究所