圖形襯底量子線生長制備與熒光特性研究*

王秀平 楊曉紅 韓 勤 鞠研玲 杜 云 朱 彬 王 杰倪海橋 賀繼方 王國偉 牛智川

1)(中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所集成光電子學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083)

2)(中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所半導(dǎo)體超晶格國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083)

(2010年4月12日收到;2010年6月28日收到修改稿)

圖形襯底量子線生長制備與熒光特性研究*

王秀平1)?楊曉紅1)韓 勤1)鞠研玲1)杜 云1)朱 彬1)王 杰1)倪海橋2)賀繼方2)王國偉2)牛智川2)

1)(中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所集成光電子學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083)

2)(中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所半導(dǎo)體超晶格國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083)

(2010年4月12日收到;2010年6月28日收到修改稿)

報(bào)道了在V型槽圖形襯底上利用分子束外延技術(shù)外延生長的GaAs/AlGaAs量子線.外延截面在掃描電子顯微鏡下可以看到在V型槽底部形成了彎月型量子線結(jié)構(gòu)，量子線尺寸約為底邊60 nm高14 nm的近三角形.低溫87 K下光致發(fā)光譜測試在793.7和799.5 nm處出現(xiàn)峰值，驗(yàn)證了量子線的存在.理論近似計(jì)算結(jié)果顯示，相比等寬度量子阱有8 meV的藍(lán)移正是由于橫向量子限制引起的.

V型槽圖形襯底，量子線，GaAs

PACS:07.77.Gx，78.67.Lt，81.65.Cf

1.引 言

量子線由于電子的運(yùn)動(dòng)受到了二維方向的限制［1］而具有分立的能級(jí)結(jié)構(gòu)和集中的電子態(tài)密度分布，而且電子的遷移率［2］和自由程有很大的提升［3］.這樣的特性使得量子線能夠充當(dāng)未來高速集成電路各器件單元之間的連接線路，而且在未來的光電子探測器件［4，5］、單電子器件［6］中將有重要的應(yīng)用價(jià)值［7，8］.

早期的量子線制備方法主要是利用電子束曝光和干法或者濕法腐蝕.這種方法由于存在界面損傷、離子束轟擊損傷而較難制備出高質(zhì)量的尺度達(dá)到100 nm左右的量子線，隨后的工藝主要是使用金屬有機(jī)化學(xué)氣相淀積(MOCVD)，金屬有機(jī)物氣相外延(MOVPE)或者分子束外延(MBE)來生長量子線.1989年Kapon等利用MOCVD成功生長出了V型槽量子線［9］，驗(yàn)證了量子線中一維電子態(tài)的許多相關(guān)性質(zhì)，如高態(tài)激子子帶束縛能級(jí)降低［10］，鮮明的一維能帶結(jié)構(gòu)［11］以及常溫下窄的光致發(fā)光(PL)譜線［12］等.Wang 等［13—15］通過改進(jìn) V 型槽量子線的生長方法提高了量子線的生長質(zhì)量，生長出的量子線的激子擴(kuò)散長度超過1 μm，比激子的玻爾半徑大兩個(gè)數(shù)量級(jí).

目前在V型槽圖形襯底上生長GaAs/AlGaAs量子線較多采用 MOCVD和MOVPE方法，MBE方法在δ摻雜器件生長方面具有優(yōu)勢，但是生長有一定的困難.

國內(nèi)程文芹等［16］使用MBE在V型槽圖形襯底上生長出了 GaAs/AlGaAs量子線，厚度為大約50 nm的V型量子線，77 K低溫PL譜測試量子線峰值在1.5347和1.5403 eV處.國際上 Shen和Tanaka［17］，Sugaya 等［18］也 成 功 生 長 出 了 量 子 線.Shen和Tanaka生長了高度大約為14—16 nm，寬度為40—50 nm的近拋物型量子線，16 K低溫PL譜測試顯示量子線峰值在1.564 eV.Sugaya等生長了約為22 nm×85 nm的近似三角型量子線，15 K低溫PL譜測試結(jié)果顯示量子線的峰值位于1.5657 eV處.但是目前生長出的量子線都沒能很好地保持V型槽形狀，而且PL譜測試結(jié)果并沒有觀察到明顯的輕重空穴躍遷的分離.本文是國際上首次采用AlGaAs限制層低溫463℃生長和GaAs高溫645℃生長的襯底變溫生長方法在MBE生長設(shè)備中生長出量子線結(jié)構(gòu)，提高了量子線的生長質(zhì)量并且很好地保持生長之后V型槽的形狀，生長出了彎月型量子線結(jié)構(gòu)，PL譜測試觀察到輕重空穴不同的躍遷峰值，并且與理論計(jì)算符合得較好.

2.V型量子線制備實(shí)驗(yàn)

量子線外延之前的關(guān)鍵步驟是制備V型槽圖形襯底，V型槽圖形襯底是經(jīng)過光刻工藝在 SI(001)GaAs襯底上制備出沿［－110］方向?qū)挾葹? μm線條，之后利用NH4OH∶H2O2∶H2O腐蝕液進(jìn)行腐蝕出側(cè)壁接近(111)A面 V型槽圖形襯底，圖1為V型槽示意圖.其中V型槽腐蝕是決定量子線生長質(zhì)量的關(guān)鍵.腐蝕液配制時(shí)要先將NH4OH，H2O2和H2O以體積比為1∶3∶50的比例混合，然后恒溫避光條件下靜置一段時(shí)間，H2O2的加入時(shí)間決定了V型槽側(cè)壁的狀況，如果加入的時(shí)間過早，H2O2會(huì)分解而使得V型槽腐蝕出來的側(cè)壁角度不夠并且粗糙度比較大.此外，溫度也是對V型槽腐蝕影響較大的因素.0℃條件下腐蝕速率約為0.45 μm/min，能夠得到很好的側(cè)壁接近(111)A面的V型槽圖形襯底，如圖2所示.

圖1 濕法腐蝕得到的V型槽圖形襯底示意圖

圖2 腐蝕V型槽SEM圖

在V型槽制備完畢，去掉表面的氧化物，并以氮?dú)獗Ｗo(hù)，隨后送入MBE設(shè)備中進(jìn)行外延生長多層GaAs/Al0.4Ga0.6As結(jié)構(gòu).圖3所示為變溫生長的樣品，AlGaAs限制層采用了低溫463℃生長，采用645℃高溫生長GaAs量子線層.其中AlGaAs的生長速率控制在 1.0 μm/h，GaAs的生長速率為 0.6 μm/h［19］，Ga和 As2束流的強(qiáng)度分別為 1.4 ×10－7Pa和1.3 ×10－5Pa［20］，其中 AlGaAs層的厚度為 180 nm，GaAs層厚度為10 nm.從圖3中樣品的SEM圖片中可以初步判定，襯底變溫生長的方法生長出了量子線結(jié)構(gòu).

圖3 變溫生長出量子線截面SEM圖

V型槽量子線生長機(jī)理可以從以下兩方面解釋:MBE在非平面襯底上生長GaAs材料時(shí)到達(dá)各個(gè)晶面上有效的Ga原子束流與晶向有關(guān)系，F(xiàn){111}=F{001}cos(54.7°)［21］.從上述關(guān)系式中可以看出，沉積在(001)面上的 Ga原子數(shù)目要多于沉積在(111)面上的 Ga原子數(shù)目.Hersee等［21］和 Haider等［22］的研究發(fā)現(xiàn)，Ⅲ族原子的遷移長度與晶向有關(guān)，沉積在(111)A面上Ga原子的遷移長度要大于(001)面上 Ga原子的遷移長度，因而(111)A面上的Ga原子就會(huì)向(001)面遷移而形成量子線.

3.量子線PL譜結(jié)果分析與討論

圖3所示為生長出的GaAs/Al0.4Ga0.6As量子線的外延截面的SEM圖片，可以看到底部形成了彎月型的量子線，量子線尺寸約為底邊60 nm，高14 nm的近三角形.量子線的頂部的底端形成了三種不同的晶面，中間是一個(gè)(001)晶面，兩邊形成了(113)A晶面.(113)A面和(111)A面交疊的部分形成了一個(gè)頸區(qū)，這個(gè)頸區(qū)能在橫向?qū)d流子提供很好的限制作用.

在生長出量子線以后，進(jìn)行微區(qū)PL譜測試，為了排除V型槽之間脊型區(qū)域量子阱在PL譜測試時(shí)的影響，進(jìn)行了第二步光刻，將V型槽用光刻膠掩蔽，而 V型槽上面的脊型區(qū)域暴露，之后使用H3PO4∶H2O2∶H2O 體積比為 1∶1∶38 的腐蝕液將脊型區(qū)域腐蝕掉，去膠之后將樣品在低溫87 K下使用488 nm氬離子(Ar+)激光光源進(jìn)行微區(qū)PL譜測試，如圖4所示.

圖4 87 K下GaAs/AlGaAs量子線微區(qū)PL譜圖 QWL表示量子阱層，QWR表示量子線

由圖4 PL微區(qū)測試譜可以看出，中心波長范圍從674 nm(能量為1.84 eV)到731 nm(能量為1.7 eV)的多峰結(jié)構(gòu)是(111)A面量子阱層的峰值，中心波長為793.7 nm(能量為1.562 eV)和799.5 nm(能量為1.55 eV)的兩個(gè)距離比較近的峰值是GaAs量子線的峰值，最右邊中心波長為824.6 nm(能量為1.5 eV)是 GaAs 襯底的譜峰［23，24］.

多峰結(jié)構(gòu)的形成可能有以下幾方面的原因［25］.第一，量子阱厚度漲落［26］.量子阱中電子、重空穴和輕空穴的子帶能量隨阱寬的變化而變化，因而光致熒光譜線的峰值就會(huì)隨著發(fā)生變化.從測得的圖3的截面SEM圖片中可以看出，側(cè)壁量子阱的厚度具有明顯的不均勻性，故認(rèn)為這是出現(xiàn)多峰結(jié)構(gòu)的主要原因之一.第二，Al組分的漲落.Al組分的漲落會(huì)引起勢壘高度的變化，因而影響量子阱中電子和空穴能級(jí)的位置，進(jìn)而發(fā)光峰的位置會(huì)有相應(yīng)的變化.

為了驗(yàn)證1.55和1.562 eV處的發(fā)光峰為量子線的發(fā)光峰，進(jìn)行了理論上的計(jì)算，利用有效質(zhì)量理論，只考慮(001)面，將形成量子線的部分近似為量子阱進(jìn)行計(jì)算［27，28］，采用單能帶有效質(zhì)量近似得出量子阱中束縛能級(jí)隨波數(shù)變化關(guān)系

通過求解上述方程可以求解出量子阱中各束縛態(tài)子能級(jí)的能量E，其中

計(jì)算中只考慮Γ點(diǎn)，電子和輕、重空穴質(zhì)量以及能隙如下:溫度 T=87 K;GaAs:Eg=1.4957 eV，

計(jì)算結(jié)果顯示，溝底區(qū)域等效量子阱中基態(tài)電子到價(jià)帶重空穴、輕空穴的躍遷能量分別為1.5417和1.5537 eV，與實(shí)際測量的1.55和1.562 eV相差分別為8.21和8.27 meV，認(rèn)為8 meV的藍(lán)移正是由于橫向量子限制引起的.而且理論計(jì)算值與實(shí)際測量值對應(yīng)說明1.55 eV對應(yīng)于量子線中基態(tài)電子與價(jià)帶重空穴的躍遷能量，1.562 eV對應(yīng)于量子線基態(tài)電子與價(jià)帶輕空穴的躍遷能量.

4.結(jié) 論

使用AlGaAs低溫463℃生長和GaAs高溫645℃生長量子線的襯底變溫生長方法在V型槽圖形襯底上成功生長出了彎月型量子線結(jié)構(gòu)，并且很好地保持了V型槽的形狀.SEM圖像和微區(qū)PL譜測試結(jié)果驗(yàn)證了量子線的存在，此外將量子線部分等效為相同厚度量子阱的計(jì)算結(jié)果與量子線測量峰值相符合，8 meV的藍(lán)移正是由量子線的橫向限制引起的，進(jìn)一步驗(yàn)證了量子線的存在.

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PACS:07.77.Gx，78.67.Lt，81.65.Cf

Preparation and photoluminescence study of patterned substrate quantum wires*

Wang Xiu-Ping1)?Yang Xiao-Hong1)Han Qin1)Ju Yan-Ling1)Du Yun1)Zhu Bin1)Wang Jie1)Ni Hai-Qiao2)He Ji-Fang2)Wang Guo-Wei2)Niu Zhi-Chuan2)
1)(State Key Laboratory on Integrated Optoelectronics，Institute of Semiconductors，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100083，China)
2)(State Key Laboratory for Superlattices and Microstructures，Institute of Semiconductors，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100083 China)
(Received 12 April 2010;revised manuscript received 28 June 2010)

GaAs/AlGaAs quantum wires grown by molecular beam epitaxy on a V-groove patterned substrate was described.The cross section of scan electron microscopy(SEM)image shows that crescent-type quantum wire were formed at the V groove bottom，which is a triangle of about 60 nm in width and 14 nm in height.Two peaks at 793.7 nm and 799.5 nm of photoluminescence spectrum at 87 K verified the existence of quantum wires.Theoretical calculation gives 8 meV blue shift，which is proved to be casued by lateral confinement compared with quantum well of the same width.

V-groove substrate，quantum wires，GaAs

*國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(批準(zhǔn)號(hào):2007CB936304，2006CB302802)、國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(批準(zhǔn)號(hào):2007AA03Z421，2009AA03Z404)和國家自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號(hào):60876093)資助的課題.

*Project supported by the National Basic Research Program of China(Grant Nos.2007CB936304，2006CB302802)，the National High Technology Research and Development Program of China(Grant Nos.2007AA03Z421，2009AA03Z404)，and the National Natural Science Foundation of China(Grant No.60876093).