[发明专利]一种基于MBE设备原位低温获得大尺寸Ga滴的方法

说明书

本发明公开了一种基于MBE设备原位低温获得大尺寸Ga滴的方法，包括步骤，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，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Ga滴融合团聚形成大尺寸的Ga滴。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的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。

技术领域

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。

发明内容

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，