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)(中國科學院半導體研究所集成光電子學國家重點實驗室，北京 100083)

2)(中國科學院半導體研究所半導體超晶格國家重點實驗室，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)(中國科學院半導體研究所集成光電子學國家重點實驗室，北京 100083)

2)(中國科學院半導體研究所半導體超晶格國家重點實驗室，北京 100083)

(2010年4月12日收到;2010年6月28日收到修改稿)

報道了在V型槽圖形襯底上利用分子束外延技術外延生長的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構，量子線尺寸約為底邊60 nm高14 nm的近三角形.低溫87 K下光致發光譜測試在793.7和799.5 nm處出現峰值，驗證了量子線的存在.理論近似計算結果顯示，相比等寬度量子阱有8 meV的藍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動受到了二維方向的限制［1］而具有分立的能級結構和集中的電子態密度分布，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］中將有重要的應用價值［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量的尺度達到100 nm左右的量子線，隨后的工藝主要是使用金屬有機化學氣相淀積(MOCVD)，金屬有機物氣相外延(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］，驗證了量子線中一維電子態的許多相關性質，如高態激子子帶束縛能級降低［10］，鮮明的一維能帶結構［11］以及常溫下窄的光致發光(PL)譜線［12］等.Wang 等［13—15］通過改進 V 型槽量子線的生長方法提高了量子線的生長質量，生長出的量子線的激子擴散長度超過1 μm，比激子的玻爾半徑大兩個數量級.

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勢，但是生長有一定的困難.

國內程文芹等［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生長設備中生長出量子線結構，提高了量子線的生長質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構，PL譜測試觀察到輕重空穴不同的躍遷峰值，并且與理論計算符合得較好.

2.V型量子線制備實驗

量子線外延之前的關鍵步驟是制備V型槽圖形襯底，V型槽圖形襯底是經過光刻工藝在 SI(001)GaAs襯底上制備出沿［－110］方向寬度為2 μm線條，之后利用NH4OH∶H2O2∶H2O腐蝕液進行腐蝕出側壁接近(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量的關鍵.腐蝕液配制時要先將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間，H2O2的加入時間決定了V型槽側壁的狀況，如果加入的時間過早，H2O2會分解而使得V型槽腐蝕出來的側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，并以氮氣保護，隨后送入MBE設備中進行外延生長多層GaAs/Al0.4Ga0.6As結構.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構.

圖3 變溫生長出量子線截面SEM圖

V型槽量子線生長機理可以從以下兩方面解釋:MBE在非平面襯底上生長GaAs材料時到達各個晶面上有效的Ga原子束流與晶向有關系，F{111}=F{001}cos(54.7°)［21］.從上述關系式中可以看出，沉積在(001)面上的 Ga原子數目要多于沉積在(111)面上的 Ga原子數目.Hersee等［21］和 Haider等［22］的研究發現，Ⅲ族原子的遷移長度與晶向有關，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原子就會向(001)面遷移而形成量子線.

3.量子線PL譜結果分析與討論

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(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頸區，這個頸區能在橫向對載流子提供很好的限制作用.

在生長出量子線以后，進行微區PL譜測試，為了排除V型槽之間脊型區域量子阱在PL譜測試時的影響，進行了第二步光刻，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+)激光光源進行微區PL譜測試，如圖4所示.

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

由圖4 PL微區測試譜可以看出，中心波長范圍從674 nm(能量為1.84 eV)到731 nm(能量為1.7 eV)的多峰結構是(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］.

多峰結構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隨著發生變化.從測得的圖3的截面SEM圖片中可以看出，側壁量子阱的厚度具有明顯的不均勻性，故認為這是出現多峰結構的主要原因之一.第二，Al組分的漲落.Al組分的漲落會引起勢壘高度的變化，因而影響量子阱中電子和空穴能級的位置，進而發光峰的位置會有相應的變化.

為了驗證1.55和1.562 eV處的發光峰為量子線的發光峰，進行了理論上的計算，利用有效質量理論，只考慮(001)面，將形成量子線的部分近似為量子阱進行計算［27，28］，采用單能帶有效質量近似得出量子阱中束縛能級隨波數變化關系

通過求解上述方程可以求解出量子阱中各束縛態子能級的能量E，其中

計算中只考慮Γ點，電子和輕、重空穴質量以及能隙如下:溫度 T=87 K;GaAs:Eg=1.4957 eV，

計算結果顯示，溝底區域等效量子阱中基態電子到價帶重空穴、輕空穴的躍遷能量分別為1.5417和1.5537 eV，與實際測量的1.55和1.562 eV相差分別為8.21和8.27 meV，認為8 meV的藍移正是由于橫向量子限制引起的.而且理論計算值與實際測量值對應說明1.55 eV對應于量子線中基態電子與價帶重空穴的躍遷能量，1.562 eV對應于量子線基態電子與價帶輕空穴的躍遷能量.

4.結 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構，并且很好地保持了V型槽的形狀.SEM圖像和微區PL譜測試結果驗證了量子線的存在，此外將量子線部分等效為相同厚度量子阱的計算結果與量子線測量峰值相符合，8 meV的藍移正是由量子線的橫向限制引起的，進一步驗證了量子線的存在.

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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

*國家重點基礎研究發展計劃(批準號:2007CB936304，2006CB302802)、國家高技術研究發展計劃(批準號:2007AA03Z421，2009AA03Z404)和國家自然科學基金(批準號: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).