一种基于MBE设备原位低温获得大尺寸Ga滴的方法与流程

本发明涉及大尺寸ga滴的制备方法，特别涉及一种基于mbe设备原位低温获得大尺寸ga滴的方法。

背景技术

半导体量子结构因其独特的光电特性，在各种光电和微电子器件中得到广泛运用。随着基础物理学和实际应用的不断发展，人们对实现新颖量子结构的需求不断提高，液滴外延因其几乎可以覆盖各种低维纳米结构的生长特性而逐渐被人们采用。液滴外延生长技术的原理，以ga滴外延生长为例，可概括为：在无as元素的氛围中，先在基底表面单独沉积ga原子以形成相应的ga滴，然后以ga滴为前驱体，通过后续诱导晶化生长出量子点、量子点对及量子环等目标量子结构。在ga滴形成过程中ga滴的尺寸控制是整个ga滴外延的关键点，因为其不但决定了目标量子结构的尺寸，而且还决定了后续的晶化过程。通过控制ga滴尺寸的大小从而精确控制后续生长为量子点抑或是生成量子环，而生长量子线、多个同心环等复杂量子结构无疑需要获得尺寸相当大的ga滴。

在现有技术中，温度是调控ga滴尺寸最重要的因素，而获得大尺寸的ga滴，必须升高生长温度。然而，过高的温度不仅会加剧ga滴刻蚀衬底，产生纳米自钻孔效应，这不仅对ga滴造成极大消耗而且还会在ga滴下方产生“寄生”的纳米孔进而污染最终的目标量子结构。显然，传统的液滴外延技术在获得大尺寸ga滴上存在着不可调和的矛盾：升高温度将对ga滴造成破坏，而为获得大尺寸ga滴却不得不提高温度。因此，寻求一种与温度无关的ga滴尺寸调控技术就显得至关重要。

目前关于获得大尺寸ga滴的报道主要可分为两类：

第一类是通过聚焦离子束诱导：使用一定能量的ga 离子束轰击gaas表面，破坏ga-as化学键，as会优先脱附，之后衬底上形成的富ga区域与溅射后残留在样品表面的ga原子汇聚形成大尺寸的ga滴。尽管该技术可以对金属液滴进行有效调控，但在刻蚀、溅射等加工过程中不可避免的对材料造成破坏和污染，引起较高的缺陷与杂质水平，从而极大地影响材料的光电特性。

第二类是在真空系统高温生长：将外延级的gaas/gap基片置于超高真空系统中，去除表面氧化膜后，升至高温退火得到ga滴。在高温环境下，沉积ga原子可得到超大尺寸的ga滴，然而过高的衬底温度将不可避免地引起自钻孔效应，在500℃下原位退火仅80秒后，ga滴完全消失，同时形成类似火山口的微纳结构。虽然通过升高衬底温度可获得大尺寸的ga滴，但在该过程中，过高的温度将使液滴严重刻蚀衬底表面，在造成ga滴损耗浪费的同时，也会严重污染晶化后的量子结构。

因此为了解决高温下制作大尺寸ga滴会在基底造成纳米孔，开发一种可以在较低的温度下制作大尺寸ga滴的方法是本领域亟需解决的问题。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种不会破坏基底材料的一种基于mbe设备原位低温获得大尺寸ga滴的方法。

为了解决上述技术问题，本发明提供的技术方案是：一种基于mbe设备原位低温获得大尺寸ga滴的方法，包括步骤，

s1、利用分子束外延系统在基底上沉积ga，以获得一层密度不低于3.5×10¹⁰/cm²的的ga滴，优选的，单个ga滴的宽度小于65nm、高度小于10nm，

s2、在所述分子束外延系统上原位引入脉冲激光，使脉冲激光辐照上述ga滴，使靠近的ga滴融合团聚。

本申请采用分子束外延系统，在较低的温度下直接在基底表面沉积一层致密的ga滴，直接在高真空外延设备mbe系统上原位进入脉冲激光对致密的ga滴进行辐照，利用光热效应使ga滴瞬时加热，ga滴在膨胀后相邻的ga滴互相融合，从而制备得到大尺寸的ga滴，由于制备大尺寸ga的温度较低，因此不会破坏基底材料。

进一步的是：所述步骤s1具体的包括步骤，在真空背景为10^-8torr以下、温度为150℃-200℃的条件下在所述基底表面沉积一层密度不低于3.5×10¹⁰/cm²的ga滴。

进一步的是：所述步骤s1中所述基底在ga滴沉积过程中保持旋转。

进一步的是：所述基底为gaas、gap或gan。

进一步的是：所述基底包括衬底和生长在衬底表面的缓冲层，优选地，基底衬底和缓冲层的材质均为gaas。

进一步的是：所述步骤s1之前还包括步骤s0：制作基底，具体的包括以下步骤，

a、对衬底进行去气处理，

b、脱去衬底表面氧化膜，

c、在衬底表面生长一层缓冲层。

进一步的是：所述基底为gaas基底，所述步骤a中去气处理温度为200℃-300℃，所述步骤b中脱去衬底表面氧化膜的温度为580℃-610℃，所述步骤c中生长缓冲层的温度为580℃-610℃。

进一步的是：脉冲激光为紫外单脉冲激光。

进一步的是：所述脉冲激光的强度为15mj至35mj。

进一步的是：经过所述步骤s2制得的ga滴直径为110nm-230nm，高度为18nm-42nm。

本发明的有益效果是：本申请采用分子束外延系统，在较低的基底温度下直接在基底表面沉积一层致密的ga滴，直接在高真空外延设备mbe系统上原位引入脉冲激光对致密的ga滴进行照射，ga滴在膨胀时与相邻的ga滴互相融合，从而制备得到大尺寸ga滴，由于整个制备大尺寸ga滴的过程基底温度始终可以处于低温，因此可有效避免ga滴对基底材料的刻蚀作用。由于直接在分子束外延系统上原位引入脉冲激光故除了能有效避免氧化、污染等问题，而且能无缝实时对接传统的液滴外延工艺，极大提高液滴外延技术的可控性、高效性以及适用性。

附图说明

图1是沉积有致密ga滴的gaas基底示意图。

图2是ga滴吸收脉冲激光照射后的变化图。

图3是低温下获得的高密度ga滴原始表面形貌afm结果图。

图4是经激光辐照融合变大后的ga滴afm结果图。

图5是不同能量紫外激光辐照后的ga滴尺寸大小对比图。

图中标记为：ga滴1a、大尺寸ga滴1b、缓冲层2、衬底3。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

本申请中出现的mbe、afm均为本领域专用术语，其中mbe指分子束外延，afm指原子力显微镜。

一种基于mbe设备原位低温获得大尺寸ga滴1b的方法，包括步骤，

s1、利用分子束外延系统在基底上沉积ga，以获得一层密度不低于3.5×10¹⁰/cm²的致密的ga滴1a，其中如图3所示，单个ga滴1a的宽度小于65nm、高度小于10nm。

具体的是，在真空背景为10^-8torr量级以下、温度为150℃-200℃的条件下在所述基底表面沉积一层致密的ga滴1a，在此过程中，为保持ga滴1a在基底上沉积的均匀性，放置基底的样品架需保持旋转，从而使基底在沉积ga滴1a的过程中保持旋转，此外，在本申请中，基底温度设置越低越利于获得致密的ga滴1a层。

s2、在所述分子束外延系统上原位引入脉冲激光，使脉冲激光辐照上述ga滴1a，利用光热效应瞬间加热ga滴1a，使相邻的ga滴1a融合团聚形成大尺寸ga滴1b。

具体的是，如图2所示，在ga滴1a沉积结束后，打开激光窗口，立即原位引入脉冲激光辐照上述ga滴1a表面以进行光致融合调控，如图2所示，由于步骤s1中制备的单个ga滴1a之间彼此间距很小，受热膨胀后靠近的ga滴1a会融合团聚在一起，从而形成大尺寸ga滴1b，此外，还可以通过提高脉冲激光的强度以进一步提高大尺寸ga滴1b的尺寸。

在本申请中，所述脉冲激光的强度为15mj至35mj。

在步骤s1中所述基底可以是但不限于gaas、gap或gan，其中基底可以由衬底3和生长于衬底3表面的缓冲层2构成，在本申请中采用gaas作为基底，如图1所示，该gaas基底包括gaas衬底3和生长于gaas衬底3表面的gaas缓冲层2，在本申请中，进行步骤s1之前还可先制作gaas基底，再在gaas基底表面沉积ga以形成致密的ga滴1a，其中制作gaas基底具体的包括以下步骤：

s0、制作gaas基底，具体的是：

a、对gaas衬底3进行去气处理，具体的是，在进样室加热至200℃-300℃从而对gaas衬底3去气。

b、脱去gaas衬底3表面氧化膜，具体的是，将去气后的gaas衬底3经磁力传送杆传入生长室，gaas衬底3在富as氛围中升至580℃-610℃维持15分钟以脱去gaas衬底3表面氧化膜。

c、在gaas衬底3表面生长一层gaas缓冲层2，具体的是，将步骤b中的gaas衬底3升温至580℃-610℃，使其表面生长出gaas缓冲层2。

此外，在制作完上述gaas基底后为防止后续沉积ga滴1a时ga与系统气氛残留的as继续反应，可暂时将基底温度降低至400℃并停止供应as，直至真空环境降至10^-8torr以下后再将温度降低至150℃-200℃。

为了便于理解，本申请进一步地提供了以下几种具体的实施例但不限于所提供的几种实施例，其中实施例一、实施例二和实施例三仅改变激光脉冲强度。

实施例一

s0、制作gaas基底，具体的是：

a、将1/4的2英寸gaas衬底在进样室加热至200℃去气2小时，随后样品经磁力传送杆传入生长室。

b、gaas衬底3在富as氛围中升至580℃维持15分钟以脱去表面氧化膜。

c、然后将gaas衬底3升温至600℃，使gaas表面生长300nm厚的gaas缓冲层2，具体的生长速率为450nm/h。

缓冲层生长结束后，关闭ga源快门停止ga源供应，在as压的保护下暂时先将衬底降至400℃，紧接着关闭as针阀停止as供应，以防止后续沉积ga滴1a时与生长室氛围中的as原子反应。

s1、利用分子束外延系统在基底上沉积ga，以获得一层致密的ga滴1a，具体的，包括以下步骤，

在gaas基底表面沉积ga以形成一层致密的ga滴1a，具体的是，

待系统真空背景降低到10^-9torr量级，1torr＝133.3pa，将gaas衬底3温度降至180℃以0.168ml/s的速率沉积4mls的ga。沉积过程中为了保持生长的均匀性，样品架保持旋转。沉积完ga滴1a后，样品架停止旋转。

通过图3可以看出，通过采用mbe系统沉积制得的ga滴1a彼此之间具有很小的间距。

s2、在沉积结束后，打开激光窗口，立即原位引入紫外单脉冲激光辐照上述ga滴1a表面以进行光致融合调控，其中，紫外单脉冲激光中心波长355nm，脉宽10ns，能量为35mj。从图4可以清楚发现，gaas基底表面成功出现了大量大尺寸ga滴1b,其中获得的最大尺寸的大尺寸ga滴1b达到了宽度为230nm，高度为42nm。

实施例二

s1、利用分子束外延系统在基底上沉积ga，以获得一层致密的ga滴1a，包括以下步骤，

制作gaas基底，具体的是：

a、将1/4的2英寸gaas衬底在进样室加热至200℃去气2小时，随后样品经磁力传送杆传入生长室。

b、gaas衬底3在富as氛围中升至580℃维持15分钟以脱去表面氧化膜，

c、然后将gaas衬底3升温至600℃，使gaas表面生长300nm厚的gaas缓冲层2，具体的生长速率为450nm/h。

缓冲层生长结束后，关闭ga源快门停止ga源供应，在as压的保护下暂时先将衬底降至400℃，紧接着关闭as针阀停止as供应，以防止后续沉积ga滴1a时与生长室氛围中的as原子反应。

在gaas基底表面沉积ga以形成一层致密的ga滴1a，具体的是：

待系统真空背景降低到10^-9torr量级，1torr＝133.3pa，将gaas衬底3温度降至180℃以0.168ml/s的速率沉积4mls的ga。沉积过程中为了保持生长的均匀性，样品架保持旋转。沉积完ga滴1a后，样品架停止旋转。

s2、在沉积结束后，打开激光窗口，立即原位引入紫外单脉冲激光辐照上述ga滴1a表面以进行光致融合调控，其中，紫外单脉冲激光中心波长355nm，脉宽10ns，能量为15mj，从图5可以看出，经该能量强度的脉冲激光辐照后最终获得的大尺寸ga滴1b宽度为110nm，高度为18nm。

实施例三

s1、利用分子束外延系统在基底上沉积ga，以获得一层致密的ga滴1a，包括以下步骤，

制作gaas基底，具体的是：

a、将1/4的2英寸gaas衬底在进样室加热至200℃去气2小时，随后样品经磁力传送杆传入生长室。

b、gaas衬底3在富as氛围中升至580℃维持15分钟以脱去表面氧化膜，

c、然后将gaas衬底3升温至600℃，使gaas表面生长300nm厚的gaas缓冲层2，具体的生长速率为450nm/h。

缓冲层生长结束后，关闭ga源快门停止ga源供应，在as压的保护下暂时先将衬底降至400℃，紧接着关闭as针阀停止as供应，以防止后续沉积ga滴1a时与生长室氛围中的as原子反应。

在gaas基底表面沉积ga以形成一层致密的ga滴1a，具体的是：

待系统真空背景降低到10^-9torr量级，1torr＝133.3pa，将gaas衬底3温度降至180℃以0.168ml/s的速率沉积4mls的ga。沉积过程中为了保持生长的均匀性，样品架保持旋转。沉积完ga滴1a后，样品架停止旋转。

s2、在沉积结束后，打开激光窗口，立即原位引入紫外单脉冲激光辐照上述ga滴1a表面以进行光致融合调控，其中，紫外单脉冲激光中心波长355nm，脉宽10ns，能量为25mj，从图5可以看出，经该能量强度的脉冲激光辐照后最终获得的大尺寸ga滴1b宽度为185nm，高度为34nm。

从上述实施例一到实施例三可以看出，在其他条件不变的情况下，随着脉冲激光的强度组件加大，大尺寸ga滴1b的尺寸也随之变大，由此可见，本申请可以通过增加激光脉冲的强度，进一步增大大尺寸ga滴1b的尺寸。

实施例四

s1、利用分子束外延系统在基底上沉积ga，以获得一层致密的ga滴1a，包括以下步骤，

制作gaas基底，具体的是：

a、将1/4的2英寸gaas衬底在进样室加热至250℃去气2小时，随后样品经磁力传送杆传入生长室。

b、gaas衬底3在富as氛围中升至600℃维持15分钟以脱去表面氧化膜，

c、然后将gaas衬底3升温至580℃，使gaas表面生长300nm厚的gaas缓冲层2。

缓冲层生长结束后，关闭ga源快门停止ga源供应，在as压的保护下暂时先将衬底降至400℃，紧接着关闭as针阀停止as供应，以防止后续沉积ga滴1a时与生长室氛围中的as原子反应。

在gaas基底表面沉积ga以形成一层致密的ga滴1a，具体的是：

待系统真空背景降低到10^-8torr量级，将gaas衬底3温度降至150℃用于沉积的ga以形成一层致密的ga滴1a。沉积过程中为了保持生长的均匀性，样品架保持旋转。沉积完ga滴1a后，样品架停止旋转。

通过图3可以看出，通过采用mbe系统沉积制得的ga滴1a彼此之间具有很小的间距。

s2、在沉积结束后，打开激光窗口，立即原位引入紫外单脉冲激光辐照上述ga滴1a表面以进行光致融合调控，其中，紫外单脉冲激光中心波长355nm，脉宽10ns，能量为35mj，从而获得大尺寸ga滴1b。

实施例五

s1、利用分子束外延系统在基底上沉积ga，以获得一层致密的ga滴1a，包括以下步骤，

制作gaas基底，具体的是：

a、将1/4的2寸英gaas衬底在进样室加热至300℃去气2小时，随后样品经磁力传送杆传入生长室。

b、gaas衬底3在富as氛围中升至610℃维持15分钟以脱去表面氧化膜，

c、然后将gaas衬底3升温至610℃，使gaas表面生长300nm厚的gaas缓冲层2。

缓冲层生长结束后，关闭ga源快门停止ga源供应，在as压的保护下暂时先将衬底降至400℃，紧接着关闭as针阀停止as供应，以防止后续沉积ga滴1a时与生长室氛围中的as原子反应。

在gaas基底表面沉积ga以形成一层致密的ga滴1a，具体的是：

待系统真空背景降低到10^-9torr量级，将gaas衬底3温度降至200℃用于沉积的ga以形成一层致密的ga滴1a。沉积过程中为了保持生长的均匀性，样品架保持旋转。沉积完ga滴1a后，样品架停止旋转。

s2、在沉积结束后，打开激光窗口，立即原位引入紫外单脉冲激光辐照上述ga滴1a表面以进行光致融合调控，其中，紫外单脉冲激光中心波长355nm，脉宽10ns，能量为35mj，从而在gaas表面获得大尺寸ga滴1b。

本申请采用mbe设备，在较低的温度下直接在基底表面沉积一层致密的ga滴1a，直接在高真空外延设备mbe系统上原位进入脉冲激光对致密的ga滴1a进行照射，ga滴1a在膨胀后相邻的ga滴1a互相融合，从而制备得到大尺寸ga滴1b，由于是在较低的温度下沉积ga滴1a，因此解决了制作大尺寸ga滴1b时高温的大尺寸ga滴1b会蚀刻基底材料的问题，由于直接在mbe系统上原位引入脉冲激光故除了能有效避免氧化、污染等问题，而且能无缝实时对接传统的液滴外延工艺，极大提高液滴外延技术的可控性、高效性以及适用性。

以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。