[发明专利]一种砷化镓表面量子点形核位置的低损伤加工方法

说明书

技术领域

本发明涉及砷化镓的纳米加工方法。

背景技术

随着科技的进步，量子器件在光电检测、量子点发光、量子计算、光伏产业等领域展现出广阔的应用前景。为了实现量子器件的应用，首先必须实现量子点的定位生长；而量子点优先在衬底表面化学势较低的纳米凹坑处形核，通过控制衬底表面纳米凹坑的位置即可实现量子点的定位生长。砷化镓(GaAs)具有高的电子迁移率和直接能隙结构，使其成为最重要的量子点生长衬底。因此，砷化镓表面量子点形核位置（即纳米凹槽）的可控加工备受关注。

根据不同的原理，目前应用于砷化镓表面量子点形核位置（纳米凹槽）的加工方法主要有：（1）机械压痕方法：使用金刚石探针，在外力作用下压入砷化镓基体，可直接加工点状的纳米孔。此类纳米孔的形成依赖于高接触压力下砷化镓的塑性变形和位错产生，加工所需的接触压力高于6GPa，加工后产生大量缺陷。由于量子点外延生长的非共格特性，基体的缺陷极容易传导至量子点内部从而降低了其发光性能。（2）自组装方法：在分子束外延生长腔体内，首先在砷化镓表面沉积镓液滴并形成富含镓的界面，此时界面处的砷化镓将分解为砷、镓原子，而砷原子扩散至生长腔中，或者在液滴周围重新形核为砷化镓。由此，液滴处砷化镓基体材料逐渐被移出，并产生沟槽。尽管此方法可形成无位错的低损伤结构，但液滴在砷化镓表面随机分布，加工的纳米沟槽位置不可控。（3）阳极氧化法：使用导电的原子力显微镜探针，在电场作用下可在砷化镓表面进行氧化加工形成凸起的氧化层，随后用HF等溶液刻蚀去除氧化层形成纳米凹结构，加工过程强烈依赖于探针与样品的导电性。显然，该方法比较适用于导电性较好的掺杂样品，而不适合对未掺杂的半绝缘的砷化镓进行加工。总之，目前常用的砷化镓表面量子点形核位置加工方法面临着加工损伤性高、位置不可控、加工条件苛刻等挑战。因此，亟待开发位置可控、损伤性低的砷化镓表面量子点形核位置加工方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种砷化镓表面量子点形核位置的低损伤加工方法，该方法能在砷化镓表面加工各种纳米凹结构—量子点形核位置，所需的接触压力不引起基体晶格缺陷，且其操作简单、位置可控、灵活性高。

本发明为实现其发明目的，所采用的技术方案是，一种砷化镓表面量子点形核位置的低损伤加工方法，其具体操作是：

将尖端为球状的二氧化硅探针安装在扫描探针显微镜上，将清洗过的砷化镓固定在样品台上；启动扫描探针显微镜，给探针施加0.5-1GPa的接触压力，并使探针按照设定的扫描轨迹、扫描循环次数在砷化镓表面进行扫描。

本发明的机理和过程是：

在开放的大气环境中，砷化镓表面和二氧化硅探针表面存在吸附水膜，在扫描时接触表面形成半月形毛细水膜并在界面生成GaAs-O-Si分子桥；在0.5-1GPa接触压力下（该压力为砷化镓屈服的临界接触压力的0.1-0.2倍），随着扫描的进行，GaAs-O-Si分子桥被拉伸并存储了摩擦耗散能，随后分子桥断裂将能量传导至砷化镓表面的Ga-As化学键。吸附水膜中的水分子和吸收了能量的Ga-As发生水解反应生成GaO_x和AsO_y氧化物。即，二氧化硅探针和砷化镓表面发生了摩擦化学反应。摩擦化学产物以磨屑的形式被去除。通过此种途径，砷化镓材料在仅为砷化镓屈服的临界接触压力的0.1-0.2倍的低接触压力下即可被去除。由于加工过程使用的接触压力未引起加工区域屈服，形成用于量子点形核的纳米凹结构保持单晶结构。

与现有的技术相比，本发明的有益效果是：

一、加工过程在常温、常压、开放的大气环境下实现，不需要真空、恒温、恒湿等苛刻环境，只需简单的扫描即可加工出所需的量子点形核位置（纳米凹结构）；扫描过程中不需要对探针施加电场，也不需要后续化学刻蚀；有效降低了加工成本和操作难度，加工效率高；

二、扫描过程中不需要对探针施加电场，加工不依赖于探针、砷化镓的导电性，不仅可用于掺杂的半导体砷化镓的加工、也可用于未掺杂半绝缘砷化镓的加工，拓宽了应用范围。

三、加工过程使用的0.5-1GPa的接触压力远低于砷化镓屈服时的临界接触压力（4.6GPa），且远远低于现有使用的金刚石探针的6GPa的接触压力，因此所加工结构下方的晶格保持为单晶结构，扫描过程不引入加工损伤。而且加工产物可被超声水清洗去除。

四、扫描加工时的扫描轨迹、扫描次数等参数可以根据实际要求进行设定，加工定位精确，可满足各种加工需求，灵活性强。

上述的二氧化硅探针的球状尖端的曲率半径为0.5-1.2μm。