面向半导体分子束外延的一种图形化可控液滴外延方法

本发明属于半导体，涉及一种图形化可控液滴外延方法，具体来说是面向半导体分子束外延的一种图形化可控液滴外延方法。

背景技术：

1、半导体技术是当前人类经济社会、国防安全以及科研前沿得以不断进步的重要技术保障，因此围绕半导体技术进行相关的技术创新对整个国家的经济以及科技的发展至关重要。分子束外延技术作为重要的半导体材料以及量子结构的生长手段，自发明以来就极大地推动了相关半导体产业的发展。尤其是基于该技术制备的各类高质量的量子结构已经成功制备开发出了光电、光磁、微电以及逻辑计算用的各类半导体器件。

2、其中，基于分子束外延发展的液滴外延技术，由于其能灵活制备出包括量子点、量子环、纳米线、同心环以及量子点对等各类量子结构，一直以来备受关注。该技术的工艺过程可简单的归纳为两个步骤：1.在没有v族元素(n，p，as，sb)氛围下，沉积一定厚度的iii族元素(ga，in)使其在衬底表面先形成金属液滴；2.以这些预形成的液滴为结晶核后续再开v族晶化或是诱导生长出各种各样的量子结构。可以看出：第一步的液滴形成位置决定了后续量子结构的位置。但是现有常规的分子束外延获得液滴过程属于均匀沉积，液滴形成的位置属于热力学随机过程，无法实现对其位置的有效控制。

3、然而，随着半导体量子信息技术的不断发展，越来越多的应用场景(单光子源，量子比特，中间带太阳能电池)对量子结构位置的有序化构筑提出了强烈的要求。因此对于液滴外延技术而言，实现图形化可控制备液滴具有极其重要的意义。截止目前，为了实现有序液滴，人们尝试了利用比较高能量的激光或是离子束等手段烧蚀加热衬底表面使衬底材料中的v族元素分解离开表面留下iii族金属元素，这种方法存在的问题和局限性在于：首先，烧蚀过程不可避免会造成对底下衬底的晶格损伤，引入缺陷导致后续晶化后量子结构的晶体质量恶化；其次，烧蚀后形成的液滴并不能保证是纯的iii族元素可能还随机混杂着来不及彻底解离的v元素，这种v族元素在液滴中残留混杂的程度和分布属于随机过程，缺乏稳定的一致性，有可能会影响到后续量子结构晶化的可控性；除此之外，最重要的局限性就是该方法能制备的液滴只能是和衬底一样的同质iii族元素，即gaas衬底只能烧蚀形成ga滴，无法实现in滴，而在实际应用场景中，更多的我们需要异质外延。因此发展一项不受衬底材料制约，与传统的分子束外延液滴过程完全兼容等价的，且能安全高效地实现液滴的图形化构筑工艺具有极其重要的应用价值。

技术实现思路

1、本发明旨在解决上述问题，提供了面向半导体分子束外延的一种图形化可控液滴外延方法，可实现图形化制备iii族元素液滴，该方法的原理和实施过程完全兼容传统的液滴外延过程，不存在引入任何材料缺陷的风险，不对衬底种类有选择，从而解决当前现有图形化技术普遍存在的包括材料晶体质量潜在的损伤，液滴成分一致性差以及液滴的种类直接受限于选用的衬底等问题。

2、按照本发明的技术方案，所述图形化可控液滴外延方法，包括以下步骤，

3、s1：将衬底的温度维持在低于目标液滴材料的熔点，所述目标液滴材料为iii族金属材料；

4、s2：在衬底表面沉积目标液滴材料，形成金属镀膜层，沉积厚度高于目标液滴材料正常形成液滴时的临界厚度；

5、s3：原位引入激光干涉脉冲辐照作用于所述金属镀膜层，实现目标液滴的图形化有序构筑。

6、具体的，所述图形化可控液滴外延方法可以在在分子束外延系统内进行。

7、进一步的，所述衬底选自gaas、inp、gan、alas、si和ge中的一种或多种。

8、进一步的，所述步骤s1中，将衬底的温度t维持在低于目标液滴材料的熔点5-10℃。

9、进一步的，所述目标液滴材料为单质或合金。具体的，所述单质可以为in、ga等，所述合金可以为in-ga合金等。

10、进一步的，所述步骤s2中，沉积厚度高于目标液滴材料正常形成液滴时的临界厚度1-3个原子层。

11、进一步的，所述步骤s3中，原位引入激光干涉脉冲辐照作用于所述金属镀膜层，使得干涉增强区的温度高于目标液滴材料的熔点，干涉相消区的温度低于目标液滴材料的熔点，且激光干涉脉冲辐照的能量完全耗散前的瞬态平均温度高于目标液滴材料的熔点。

12、进一步的，所述步骤s3中，激光干涉脉冲的脉冲宽度为5-50ns，偏振模式为s波，能量为10-40mj。

13、本发明的技术方案相比现有技术具有以下优点：本发明方法不对所需的衬底做任何限制，这从根本上保证了该方法可应用于所有的半导体材料体系，为各种量子结构自由构筑提供了可能；其次，整个实施过程可原位在分子束外延设备里实现，在流程上相比于传统的液滴外延技术只增加了一次脉冲干涉曝光，整个耗时只需几秒而已，显然其跟当前的分子束液滴外延技术具有一样高的效率；此外，由于液滴制备时的衬底温度设计在液滴金属的熔点以下，远远低于衬底材料的热力学外延时的生长温度，因此衬底材料处于非常稳定的状态，再加上激光只作用加热沉积在表层的iii族金属薄层，因此造成底下衬底材料损伤的风险极低。综上三点可以证明：本发明方法完全兼容传统的液滴外延技术，并能够安全高效地实现液滴的图形化构筑，势必为整个半导体新型量子器件的开发和产业化提供一项关键性技术。

技术特征：

1.面向半导体分子束外延的一种图形化可控液滴外延方法，其特征在于，包括以下步骤，

2.如权利要求1所述的图形化可控液滴外延方法，其特征在于，所述衬底选自gaas、inp、gan、alas、si和ge中的一种或多种。

3.如权利要求1所述的图形化可控液滴外延方法，其特征在于，所述步骤s1中，将衬底的温度维持在低于目标液滴材料的熔点5-10℃。

4.如权利要求1所述的图形化可控液滴外延方法，其特征在于，所述目标液滴材料为单质或合金。

5.如权利要求4所述的图形化可控液滴外延方法，其特征在于，所述目标液滴材料为in、ga或in-ga合金。

6.如权利要求1所述的图形化可控液滴外延方法，其特征在于，所述步骤s2中，沉积厚度高于目标液滴材料正常形成液滴时的临界厚度1-3个原子层。

7.如权利要求1所述的图形化可控液滴外延方法，其特征在于，所述步骤s3中，原位引入激光干涉脉冲辐照作用于所述金属镀膜层，使得干涉增强区的温度高于目标液滴材料的熔点，干涉相消区的温度低于目标液滴材料的熔点。

8.如权利要求1所述的图形化可控液滴外延方法，其特征在于，所述步骤s3中，原位引入激光干涉脉冲辐照作用于所述金属镀膜层后，激光干涉脉冲辐照的能量完全耗散前的瞬态平均温度高于目标液滴材料的熔点。

9.如权利要求1所述的图形化可控液滴外延方法，其特征在于，所述步骤s3中，激光干涉脉冲的脉冲宽度为5-50ns，偏振模式为s波。

10.如权利要求1所述的图形化可控液滴外延方法，其特征在于，所述步骤s3中，激光干涉脉冲的能量为10-40mj。

技术总结本发明属于半导体技术领域，涉及面向半导体分子束外延的一种图形化可控液滴外延方法。该方法包括以下步骤，将衬底的温度维持在低于目标液滴材料的熔点；在衬底表面沉积目标液滴材料，形成金属镀膜层，沉积厚度高于目标液滴材料正常形成液滴时的临界厚度；原位引入激光干涉脉冲辐照作用于所述金属镀膜层，实现目标液滴的图形化有序构筑。本发明方法可实现图形化制备III族元素液滴，该方法的原理和实施过程完全兼容传统的液滴外延过程，不存在引入任何材料缺陷的风险，不对衬底种类有选择，从而解决当前现有图形化技术普遍存在的包括材料晶体质量潜在的损伤，液滴成分一致性差以及液滴的种类直接受限于选用的衬底等问题。技术研发人员：石震武,任卯韫,彭长四,程灵素,耿彪受保护的技术使用者：苏州大学技术研发日：技术公布日：2024/6/11