一種砷化鎵表面量子點(diǎn)形核位置的低損傷加工方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種砷化鎵表面量子點(diǎn)形核位置的低損傷加工方法，其具體操作是：將尖端為球狀的二氧化硅探針安裝在掃描探針顯微鏡上，將清洗過(guò)的砷化鎵固定在樣品臺(tái)上；啟動(dòng)掃描探針顯微鏡，給探針施加0.5-1GPa的接觸壓力，并使探針按照設(shè)定的掃描軌跡、掃描循環(huán)次數(shù)在砷化鎵表面進(jìn)行掃描。該方法能在不同晶面、不同摻雜類(lèi)型的砷化鎵表面加工各種納米凹結(jié)構(gòu)，所需的接觸壓力不引起基體晶格缺陷，且其操作簡(jiǎn)單、位置可控、靈活性高。
【專(zhuān)利說(shuō)明】—種砷化鎵表面量子點(diǎn)形核位置的低損傷加工方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及砷化鎵的納米加工方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著科技的進(jìn)步，量子器件在光電檢測(cè)、量子點(diǎn)發(fā)光、量子計(jì)算、光伏產(chǎn)業(yè)等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。為了實(shí)現(xiàn)量子器件的應(yīng)用，首先必須實(shí)現(xiàn)量子點(diǎn)的定位生長(zhǎng)；而量子點(diǎn)優(yōu)先在襯底表面化學(xué)勢(shì)較低的納米凹坑處形核，通過(guò)控制襯底表面納米凹坑的位置即可實(shí)現(xiàn)量子點(diǎn)的定位生長(zhǎng)。砷化鎵(GaAs)具有高的電子遷移率和直接能隙結(jié)構(gòu)，使其成為最重要的量子點(diǎn)生長(zhǎng)襯底。因此，砷化鎵表面量子點(diǎn)形核位置(即納米凹槽)的可控加工備受:關(guān)注。
[0003]根據(jù)不同的原理，目前應(yīng)用于砷化鎵表面量子點(diǎn)形核位置(納米凹槽)的加工方法主要有:(1)機(jī)械壓痕方法:使用金剛石探針，在外力作用下壓入砷化鎵基體，可直接加工點(diǎn)狀的納米孔。此類(lèi)納米孔的形成依賴(lài)于高接觸壓力下砷化鎵的塑性變形和位錯(cuò)產(chǎn)生，力口工所需的接觸壓力高于6GPa，加工后產(chǎn)生大量缺陷。由于量子點(diǎn)外延生長(zhǎng)的非共格特性，基體的缺陷極容易傳導(dǎo)至量子點(diǎn)內(nèi)部從而降低了其發(fā)光性能。(2)自組裝方法:在分子束外延生長(zhǎng)腔體內(nèi)，首先在砷化鎵表面沉積鎵液滴并形成富含鎵的界面，此時(shí)界面處的砷化鎵將分解為砷、鎵原子，而砷原子擴(kuò)散至生長(zhǎng)腔中，或者在液滴周?chē)匦滦魏藶樯榛墶Ｓ纱?，液滴處砷化鎵基體材料逐漸被移出，并產(chǎn)生溝槽。盡管此方法可形成無(wú)位錯(cuò)的低損傷結(jié)構(gòu)，但液滴在砷化鎵表面隨機(jī)分布，加工的納米溝槽位置不可控。(3)陽(yáng)極氧化法:使用導(dǎo)電的原子力顯微鏡探針，在電場(chǎng)作用下可在砷化鎵表面進(jìn)行氧化加工形成凸起的氧化層，隨后用HF等溶液刻蝕去除氧化層形成納米凹結(jié)構(gòu)，加工過(guò)程強(qiáng)烈依賴(lài)于探針與樣品的導(dǎo)電性。顯然，該方法比較適用于導(dǎo)電性較好的摻雜樣品，而不適合對(duì)未摻雜的半絕緣的砷化鎵進(jìn)行加工?？傊壳俺Ｓ玫纳榛壉砻媪孔狱c(diǎn)形核位置加工方法面臨著加工損傷性高、位置不可控、加工條件苛刻等挑戰(zhàn)。因此，亟待開(kāi)發(fā)位置可控、損傷性低的砷化鎵表面量子點(diǎn)形核位置加工方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供一種砷化鎵表面量子點(diǎn)形核位置的低損傷加工方法，該方法能在砷化鎵表面加工各種納米凹結(jié)構(gòu)一量子點(diǎn)形核位置，所需的接觸壓力不引起基體晶格缺陷，且其操作簡(jiǎn)單、位置可控、靈活性高。
[0005]本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)其發(fā)明目的，所采用的技術(shù)方案是，一種砷化鎵表面量子點(diǎn)形核位置的低損傷加工方法，其具體操作是:
[0006]將尖端為球狀的二氧化硅探針安裝在掃描探針顯微鏡上，將清洗過(guò)的砷化鎵固定在樣品臺(tái)上；啟動(dòng)掃描探針顯微鏡，給探針施加0.5-lGPa的接觸壓力，并使探針按照設(shè)定的掃描軌跡、掃描循環(huán)次數(shù)在砷化鎵表面進(jìn)行掃描。
[0007]本發(fā)明的機(jī)理和過(guò)程是:[0008]在開(kāi)放的大氣環(huán)境中，砷化鎵表面和二氧化硅探針表面存在吸附水膜，在掃描時(shí)接觸表面形成半月形毛細(xì)水膜并在界面生成GaAs-O-Si分子橋；在0.5-lGPa接觸壓力下(該壓力為砷化鎵屈服的臨界接觸壓力的0.1-0.2倍)，隨著掃描的進(jìn)行，GaAs-O-Si分子橋被拉伸并存儲(chǔ)了摩擦耗散能，隨后分子橋斷裂將能量傳導(dǎo)至砷化鎵表面的Ga-As化學(xué)鍵。吸附水膜中的水分子和吸收了能量的Ga-As發(fā)生水解反應(yīng)生成GaOx和AsOy氧化物。即，二氧化硅探針和砷化鎵表面發(fā)生了摩擦化學(xué)反應(yīng)。摩擦化學(xué)產(chǎn)物以磨屑的形式被去除。通過(guò)此種途徑，砷化鎵材料在僅為砷化鎵屈服的臨界接觸壓力的0.1-0.2倍的低接觸壓力下即可被去除。由于加工過(guò)程使用的接觸壓力未引起加工區(qū)域屈服，形成用于量子點(diǎn)形核的納米凹結(jié)構(gòu)保持單晶結(jié)構(gòu)。
[0009]與現(xiàn)有的技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是:
[0010]一、加工過(guò)程在常溫、常壓、開(kāi)放的大氣環(huán)境下實(shí)現(xiàn)，不需要真空、恒溫、恒濕等苛刻環(huán)境，只需簡(jiǎn)單的掃描即可加工出所需的量子點(diǎn)形核位置(納米凹結(jié)構(gòu))；掃描過(guò)程中不需要對(duì)探針施加電場(chǎng)，也不需要后續(xù)化學(xué)刻蝕；有效降低了加工成本和操作難度，加工效率聞;
[0011]二、掃描過(guò)程中不需要對(duì)探針施加電場(chǎng)，加工不依賴(lài)于探針、砷化鎵的導(dǎo)電性，不僅可用于摻雜的半導(dǎo)體砷化鎵的加工、也可用于未摻雜半絕緣砷化鎵的加工，拓寬了應(yīng)用范圍。[0012]三、加工過(guò)程使用的0.5-lGPa的接觸壓力遠(yuǎn)低于砷化鎵屈服時(shí)的臨界接觸壓力(4.6GPa)，且遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于現(xiàn)有使用的金剛石探針的6GPa的接觸壓力，因此所加工結(jié)構(gòu)下方的晶格保持為單晶結(jié)構(gòu)，掃描過(guò)程不引入加工損傷。而且加工產(chǎn)物可被超聲水清洗去除。
[0013]四、掃描加工時(shí)的掃描軌跡、掃描次數(shù)等參數(shù)可以根據(jù)實(shí)際要求進(jìn)行設(shè)定，加工定位精確，可滿足各種加工需求，靈活性強(qiáng)。
[0014]上述的二氧化硅探針的球狀尖端的曲率半徑為0.5-1.2 μ m。
[0015]下面結(jié)合附圖和具體的實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0016]圖1為實(shí)施例一方法在n-GaAs (100)表面加工出的納米線的原子力顯微鏡圖。
[0017]圖2為實(shí)施例二方法在n-GaAs (100)表面加工出的納米線的原子力顯微鏡圖。
[0018]圖3為實(shí)施例三方法在n-GaAs (100)表面加工出的納米線的原子力顯微鏡圖。
[0019]圖4為實(shí)施例四方法在n-GaAs (100)表面加工出的納米線的原子力顯微鏡圖。
[0020]圖5為實(shí)施例五方法在n-GaAs (100)表面加工出的納米線的原子力顯微鏡圖。
[0021]圖6為實(shí)施例六方法在n-GaAs (100)表面加工出的納米線的原子力顯微鏡圖。
[0022]圖7為實(shí)施例七方法在n-GaAs (100)表面加工出的納米線的原子力顯微鏡圖。
[0023]圖8為實(shí)施例八方法在n-GaAs (100)表面加工出的納米線的原子力顯微鏡圖。
[0024]圖9為實(shí)施例九的方法在n-GaAs (100)表面加工出的納米孔陣列的原子力顯微鏡圖。
[0025]圖10為實(shí)施例十的方法在n-GaAs (100)表面加工出的納米字母的原子力顯微鏡圖。
[0026]圖11為實(shí)施例1^一的方法在n-GaAs (100)表面加工出的加工的太極圖案的原子力顯微鏡圖。
[0027]圖12為實(shí)施例十二的方法在undoped-GaAs (100)表面加工出的納米線的原子力
顯微鏡圖。
[0028]圖13為實(shí)施例十三的方法在n-GaAs (111) A表面加工出的納米線的原子力顯微鏡圖。
[0029]圖14為實(shí)施例十四的方法在n-GaAs (111) B表面加工出的納米線的原子力顯微鏡圖。
【具體實(shí)施方式】
[0030]實(shí)施例一
[0031]一種砷化鎵表面量子點(diǎn)形核位置的低損傷加工方法，其具體操作是:
[0032]將尖端為球狀的二氧化硅探針安裝在掃描探針顯微鏡上，將清洗過(guò)的砷化鎵固定在樣品臺(tái)上；啟動(dòng)掃描探針顯微鏡，給探針施加0.5GPa的接觸壓力，并使探針按照設(shè)定的掃描軌跡、掃描循環(huán)次數(shù)在砷化鎵表面進(jìn)行掃描。
[0033]本例的砷化鎵材料具體為n_GaAs( 100)，設(shè)定的掃描軌跡為500nm長(zhǎng)的直線、掃描循環(huán)次數(shù)為50，使用的二氧化硅探針的球狀尖端的曲率半徑為1.2μπι。
[0034]加工完成后，在原子力顯微鏡上更換形貌掃描專(zhuān)用氮化硅探針即可獲得加工后的n-GaAs (100)原子力顯微鏡圖，見(jiàn)圖1。圖1示出本例在n-GaAs (100)表面加工出了長(zhǎng)度為500nm深度為1.8nm的納米線凹槽。
[0035]實(shí)施例二
[0036]本例與實(shí)施例一基本相同，唯一不同的僅僅是:給探針施加的接觸壓力改為0.7GPa。
[0037]圖2為本例方法在n-GaAs (100)表面加工出的納米線的原子力顯微鏡圖。圖2示出本例在n-GaAs (100)表面加工出了長(zhǎng)度為500nm、深度為2.1nm的納米線凹槽。
[0038]實(shí)施例三
[0039]本例與實(shí)施例一基本相同，唯一不同的僅僅是:給探針施加的接觸壓力改為0.8GPa。
[0040]圖3為本例方法在n-GaAs (100)表面加工出的納米線的原子力顯微鏡圖。圖3示出本例在n-GaAs (100)表面加工出了長(zhǎng)度為500nm、深度為2.3nm的納米線凹槽。
[0041]實(shí)施例四
[0042]本例與實(shí)施例一基本相同，唯一不同的僅僅是:給探針施加的接觸壓力改為
0.9GPa。
[0043]圖4為本例方法在n-GaAs (100)表面加工出的納米線的原子力顯微鏡圖。圖4示出本例在n-GaAs (100)表面加工出了長(zhǎng)度為500nm、深度為2.9nm的納米線凹槽。
[0044]實(shí)施例一至四表明，加工深度與加工時(shí)給探針施加的接觸壓力成正相關(guān)。
[0045]實(shí)施例五
[0046]—種砷化鎵表面量子點(diǎn)形核位置的低損傷加工方法，其具體操作是:
[0047]將尖端為球狀的二氧化硅探針安裝在掃描探針顯微鏡上，將清洗過(guò)的砷化鎵固定在樣品臺(tái)上；啟動(dòng)掃描探針顯微鏡，給探針施加0.SGPa的接觸壓力，并使探針按照設(shè)定的掃描軌跡、掃描循環(huán)次數(shù)在砷化鎵表面進(jìn)行掃描。
[0048]本例的砷化鎵材料具體為n_GaAs( 100)，設(shè)定的掃描軌跡為500nm長(zhǎng)的直線、掃描循環(huán)次數(shù)為10，使用的二氧化硅探針的球狀尖端的曲率半徑為Ι.ομπι。
[0049]圖5為本例方法在n-GaAs (100)表面加工出的納米線的原子力顯微鏡圖。圖5示出本例在n-GaAs (100)表面加工出了長(zhǎng)度為500nm、深度為1.lnm、的納米線凹槽。
[0050]實(shí)施例六
[0051]本例與實(shí)施例五基本相同，唯一不同的僅僅是:掃描循環(huán)次數(shù)改為40。
[0052]圖6為本例方法在n-GaAs (100)表面加工出的納米線的原子力顯微鏡圖。圖6示出本例在n-GaAs (100)表面加工出了長(zhǎng)度為500nm、深度為2.0nm的納米線凹槽。
[0053]實(shí)施例七
[0054]本例與實(shí)施例一基本相同，唯一不同的僅僅是:掃描循環(huán)次數(shù)改為80。
[0055]圖7為本例方法在n-GaAs (100)表面加工出的納米線的原子力顯微鏡圖。圖7示出本例在n-GaAs (100)表面加工出了長(zhǎng)度為500nm、深度為3.6nm的納米線凹槽。
[0056]實(shí)施例八
[0057]本例與實(shí)施例一基本相同，唯一不同的僅僅是:掃描循環(huán)次數(shù)改為120。
[0058]圖8為本例方法在n-GaAs (100)表面加工出的納米線的原子力顯微鏡圖。圖8示出本例在n-GaAs (100)表面加工出了長(zhǎng)度為500nm、深度為4.5nm的納米線凹槽。
[0059]實(shí)施例五至八表明，加工深度與加工時(shí)的掃描循環(huán)次數(shù)成正相關(guān)。
[0060]實(shí)施例九
[0061]一種砷化鎵表面量子點(diǎn)形核位置的低損傷加工方法，其具體操作是:
[0062]將尖端為球狀的二氧化硅探針安裝在掃描探針顯微鏡上，將清洗過(guò)的砷化鎵固定在樣品臺(tái)上；啟動(dòng)掃描探針顯微鏡，給探針施加1.0GPa的接觸壓力，并使探針按照設(shè)定的掃描軌跡、掃描循環(huán)次數(shù)在砷化鎵表面進(jìn)行掃描。
[0063]本例的砷化鎵材料具體為n-GaAs (100)，設(shè)定的掃描軌跡為四個(gè)邊長(zhǎng)為250nm的正方形面(相鄰正方形面中心的間距為800nm)，每個(gè)正方形面區(qū)域的掃描循環(huán)次數(shù)為2次，使用的二氧化硅探針的球狀尖端的曲率半徑為0.5 μ m。
[0064]圖9為實(shí)施例九的方法在n-GaAs (100)表面加工出的納米孔陣列的原子力顯微鏡圖。圖9示出本例在n-GaAs (100)表面加工出了一組2X2的納米方孔陣列，相鄰方孔邊長(zhǎng)為250nm,深度為6nm,相鄰孔中心間距為800nm。
[0065]實(shí)施例十
[0066]一種砷化鎵表面量子點(diǎn)形核位置的低損傷加工方法，其具體操作是:
[0067]將尖端為球狀的二氧化硅探針安裝在掃描探針顯微鏡上，將清洗過(guò)的砷化鎵固定在樣品臺(tái)上；啟動(dòng)掃描探針顯微鏡，給探針施加0.7GPa的接觸壓力，并使探針按照設(shè)定的掃描軌跡、掃描循環(huán)次數(shù)在砷化鎵表面進(jìn)行掃描。
[0068]本例的砷化鎵材料具體為n-GaAs (100)，設(shè)定的掃描軌跡為字母“QDs”，掃描循環(huán)次數(shù)為50，使用的二氧化硅探針的球狀尖端的曲率半徑為I μ m。
[0069]圖10為本例方法在n-GaAs (100)表面加工出的納米字母的原子力顯微鏡圖。圖10示出，本例在n-GaAs (100)表面加工出了納米字母“QDs”凹圖案，圖案深度為1.9nm。
[0070]實(shí)施例^^一[0071]一種砷化鎵表面量子點(diǎn)形核位置的低損傷加工方法，其具體操作是:
[0072]將尖端為球狀的二氧化硅探針安裝在掃描探針顯微鏡上，將清洗過(guò)的砷化鎵固定在樣品臺(tái)上；啟動(dòng)掃描探針顯微鏡，給探針施加0.SGPa的接觸壓力，并使探針按照設(shè)定的掃描軌跡、掃描循環(huán)次數(shù)在砷化鎵表面進(jìn)行掃描。
[0073]本例的砷化鎵材料具體為n-GaAs (100)，設(shè)定的掃描軌跡為為500nm長(zhǎng)的直線直徑2μπι的太極圖案，掃描循環(huán)次數(shù)為2，使用的二氧化硅探針的球狀尖端的曲率半徑為I μ m0
[0074]圖11為本例方法在n-GaAs (100)表面加工出的太極圖案的原子力顯微鏡圖。圖11示出，本例在n-GaAs (100 )表面加工出了直徑為2 μ m的太極圖案，圖案的凹陷區(qū)深度為
1.5nm。
[0075]實(shí)施例十二
[0076]一種砷化鎵表面量子點(diǎn)形核位置的低損傷加工方法，其具體操作是:
[0077]將尖端為球狀的二氧化硅探針安裝在掃描探針顯微鏡上，將清洗過(guò)的砷化鎵固定在樣品臺(tái)上；啟動(dòng)掃描探針顯微鏡，給探針施加0.SGPa的接觸壓力，并使探針按照設(shè)定的掃描軌跡、掃描循環(huán)次數(shù)在砷化鎵表面進(jìn)行掃描。
[0078]本例的砷化鎵材料具體為undoped-GaAs (100),設(shè)定的掃描軌跡為為500nm長(zhǎng)的直線，掃描循環(huán)次數(shù)為120，使用的二氧化硅探針的球狀尖端的曲率半徑為Ιμπι。
[0079]圖12為本例的方法在undoped-GaAs (100)表面加工出的納米線的原子力顯微鏡圖。圖12示出，本例的方法在undoped-GaAs (100)表面加工出了長(zhǎng)度為500nm、深度為
4.8nm的納米線。
[0080]undoped-GaAs (100)為未摻雜的半絕緣材料，可見(jiàn)，本申請(qǐng)的方法突破了材料導(dǎo)電性的限制，可對(duì)半絕緣的GaAs進(jìn)行量子點(diǎn)形核位置加工。
[0081]實(shí)施例十三
[0082]本例的操作與實(shí)施例十二基本相同，不同的僅僅是選用的砷化鎵材料改為n-GaAs(Ill)A0
[0083]圖13為本例的方法在n-GaAs (111) A表面加工出的納米線的原子力顯微鏡圖。圖13示出，本例的方法在n-GaAs (111) A表面加工出了長(zhǎng)度為500nm、深度為5.1nm的納米線。
[0084]實(shí)施例十四
[0085]本例的操作與實(shí)施例十二基本相同，不同的僅僅是選用的砷化鎵材料改為n-GaAs(Ill)B0
[0086]圖14為本例的方法在n-GaAs (111) B表面加工出的納米線的原子力顯微鏡圖。圖14示出，本例的方法在n-GaAs (111) A表面加工出了長(zhǎng)度為500nm、深度為5.4nm的納米線。
[0087]上述實(shí)施例表明，本申請(qǐng)的方法，其加工出的凹結(jié)構(gòu)的深度和掃描時(shí)的接觸壓力和掃描循環(huán)次數(shù)成正相關(guān)。盡管繼續(xù)增加接觸壓力和掃描次數(shù)仍能提高加工深度，但實(shí)施例中數(shù)納米的深度已足以構(gòu)成有效的量子點(diǎn)形核位置。由于該方法依賴(lài)于摩擦化學(xué)，所以極低接觸壓力下砷化鎵材料的去除不引起結(jié)構(gòu)損傷，加工區(qū)域仍然保持為單晶結(jié)構(gòu)。同時(shí)，摩擦化學(xué)作用使得該方法不依賴(lài)樣品導(dǎo)電性，可在不同晶面、不同摻雜類(lèi)型的砷化鎵表面進(jìn)行高靈活性的可控加工。
【權(quán)利要求】
1.一種砷化鎵表面量子點(diǎn)形核位置的低損傷加工方法，其具體操作是: 將尖端為球狀的二氧化硅探針安裝在掃描探針顯微鏡上，將清洗過(guò)的砷化鎵固定在樣品臺(tái)上；啟動(dòng)掃描探針顯微鏡，給探針施加0.5-lGPa的接觸壓力，并使探針按照設(shè)定的掃描軌跡、掃描循環(huán)次數(shù)在砷化鎵表面進(jìn)行掃描。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種砷化鎵表面量子點(diǎn)形核位置的低損傷加工方法，其特征在于:所述的二氧化硅探針的球狀尖端的曲率半徑為0.5-1.2 μ m。
【文檔編號(hào)】B82B3/00GK103738916SQ201310732192
【公開(kāi)日】2014年4月23日 申請(qǐng)日期:2013年12月27日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月27日
【發(fā)明者】錢(qián)林茂, 宋晨飛, 余丙軍, 陳磊, 唐鵬 申請(qǐng)人:西南交通大學(xué)