一種砷化鎵表面量子點形核位置的低損傷加工方法
【專利摘要】本發明公開了一種砷化鎵表面量子點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，將清洗過的砷化鎵固定在樣品臺上；啟動掃描探針顯微鏡，給探針施加0.5-1GPa的接觸壓力，并使探針按照設定的掃描軌跡、掃描循環次數在砷化鎵表面進行掃描。該方法能在不同晶面、不同摻雜類型的砷化鎵表面加工各種納米凹結構，所需的接觸壓力不引起基體晶格缺陷，且其操作簡單、位置可控、靈活性高。
【專利說明】—種砷化鎵表面量子點形核位置的低損傷加工方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及砷化鎵的納米加工方法。
【背景技術】
[0002]隨著科技的進步，量子器件在光電檢測、量子點發光、量子計算、光伏產業等領域展現出廣闊的應用前景。為了實現量子器件的應用，首先必須實現量子點的定位生長；而量子點優先在襯底表面化學勢較低的納米凹坑處形核，通過控制襯底表面納米凹坑的位置即可實現量子點的定位生長。砷化鎵(GaAs)具有高的電子遷移率和直接能隙結構，使其成為最重要的量子點生長襯底。因此，砷化鎵表面量子點形核位置(即納米凹槽)的可控加工備受:關注。
[0003]根據不同的原理，目前應用于砷化鎵表面量子點形核位置(納米凹槽)的加工方法主要有:(1)機械壓痕方法:使用金剛石探針，在外力作用下壓入砷化鎵基體，可直接加工點狀的納米孔。此類納米孔的形成依賴于高接觸壓力下砷化鎵的塑性變形和位錯產生，力口工所需的接觸壓力高于6GPa，加工后產生大量缺陷。由于量子點外延生長的非共格特性，基體的缺陷極容易傳導至量子點內部從而降低了其發光性能。(2)自組裝方法:在分子束外延生長腔體內，首先在砷化鎵表面沉積鎵液滴并形成富含鎵的界面，此時界面處的砷化鎵將分解為砷、鎵原子，而砷原子擴散至生長腔中，或者在液滴周圍重新形核為砷化鎵。由此，液滴處砷化鎵基體材料逐漸被移出，并產生溝槽。盡管此方法可形成無位錯的低損傷結構，但液滴在砷化鎵表面隨機分布，加工的納米溝槽位置不可控。(3)陽極氧化法:使用導電的原子力顯微鏡探針，在電場作用下可在砷化鎵表面進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構，加工過程強烈依賴于探針與樣品的導電性。顯然，該方法比較適用于導電性較好的摻雜樣品，而不適合對未摻雜的半絕緣的砷化鎵進行加工。總之，目前常用的砷化鎵表面量子點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。因此，亟待開發位置可控、損傷性低的砷化鎵表面量子點形核位置加工方法。
【發明內容】
[0004]本發明的目的是提供一種砷化鎵表面量子點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構一量子點形核位置，所需的接觸壓力不引起基體晶格缺陷，且其操作簡單、位置可控、靈活性高。
[0005]本發明為實現其發明目的，所采用的技術方案是，一種砷化鎵表面量子點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，將清洗過的砷化鎵固定在樣品臺上；啟動掃描探針顯微鏡，給探針施加0.5-lGPa的接觸壓力，并使探針按照設定的掃描軌跡、掃描循環次數在砷化鎵表面進行掃描。
[0007]本發明的機理和過程是:[0008]在開放的大氣環境中，砷化鎵表面和二氧化硅探針表面存在吸附水膜，在掃描時接觸表面形成半月形毛細水膜并在界面生成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)，隨著掃描的進行，GaAs-O-Si分子橋被拉伸并存儲了摩擦耗散能，隨后分子橋斷裂將能量傳導至砷化鎵表面的Ga-As化學鍵。吸附水膜中的水分子和吸收了能量的Ga-As發生水解反應生成GaOx和AsOy氧化物。即，二氧化硅探針和砷化鎵表面發生了摩擦化學反應。摩擦化學產物以磨屑的形式被去除。通過此種途徑，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。由于加工過程使用的接觸壓力未引起加工區域屈服，形成用于量子點形核的納米凹結構保持單晶結構。
[0009]與現有的技術相比，本發明的有益效果是:
[0010]一、加工過程在常溫、常壓、開放的大氣環境下實現，不需要真空、恒溫、恒濕等苛刻環境，只需簡單的掃描即可加工出所需的量子點形核位置(納米凹結構)；掃描過程中不需要對探針施加電場，也不需要后續化學刻蝕；有效降低了加工成本和操作難度，加工效率聞;
[0011]二、掃描過程中不需要對探針施加電場，加工不依賴于探針、砷化鎵的導電性，不僅可用于摻雜的半導體砷化鎵的加工、也可用于未摻雜半絕緣砷化鎵的加工，拓寬了應用范圍。[0012]三、加工過程使用的0.5-lGPa的接觸壓力遠低于砷化鎵屈服時的臨界接觸壓力(4.6GPa)，且遠遠低于現有使用的金剛石探針的6GPa的接觸壓力，因此所加工結構下方的晶格保持為單晶結構，掃描過程不引入加工損傷。而且加工產物可被超聲水清洗去除。
[0013]四、掃描加工時的掃描軌跡、掃描次數等參數可以根據實際要求進行設定，加工定位精確，可滿足各種加工需求，靈活性強。
[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]下面結合附圖和具體的實施方式對本發明作進一步的詳細說明。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0016]圖1為實施例一方法在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。
【具體實施方式】
[0030]實施例一
[0031]一種砷化鎵表面量子點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，將清洗過的砷化鎵固定在樣品臺上；啟動掃描探針顯微鏡，給探針施加0.5GPa的接觸壓力，并使探針按照設定的掃描軌跡、掃描循環次數在砷化鎵表面進行掃描。
[0033]本例的砷化鎵材料具體為n_GaAs( 100)，設定的掃描軌跡為500nm長的直線、掃描循環次數為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，見圖1。圖1示出本例在n-GaAs (100)表面加工出了長度為500nm深度為1.8nm的納米線凹槽。
[0035]實施例二
[0036]本例與實施例一基本相同，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)表面加工出了長度為500nm、深度為2.1nm的納米線凹槽。
[0038]實施例三
[0039]本例與實施例一基本相同，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)表面加工出了長度為500nm、深度為2.3nm的納米線凹槽。
[0041]實施例四
[0042]本例與實施例一基本相同，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)表面加工出了長度為500nm、深度為2.9nm的納米線凹槽。
[0044]實施例一至四表明，加工深度與加工時給探針施加的接觸壓力成正相關。
[0045]實施例五
[0046]—種砷化鎵表面量子點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，將清洗過的砷化鎵固定在樣品臺上；啟動掃描探針顯微鏡，給探針施加0.SGPa的接觸壓力，并使探針按照設定的掃描軌跡、掃描循環次數在砷化鎵表面進行掃描。
[0048]本例的砷化鎵材料具體為n_GaAs( 100)，設定的掃描軌跡為500nm長的直線、掃描循環次數為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)表面加工出了長度為500nm、深度為1.lnm、的納米線凹槽。
[0050]實施例六
[0051]本例與實施例五基本相同，唯一不同的僅僅是:掃描循環次數改為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)表面加工出了長度為500nm、深度為2.0nm的納米線凹槽。
[0053]實施例七
[0054]本例與實施例一基本相同，唯一不同的僅僅是:掃描循環次數改為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)表面加工出了長度為500nm、深度為3.6nm的納米線凹槽。
[0056]實施例八
[0057]本例與實施例一基本相同，唯一不同的僅僅是:掃描循環次數改為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)表面加工出了長度為500nm、深度為4.5nm的納米線凹槽。
[0059]實施例五至八表明，加工深度與加工時的掃描循環次數成正相關。
[0060]實施例九
[0061]一種砷化鎵表面量子點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，將清洗過的砷化鎵固定在樣品臺上；啟動掃描探針顯微鏡，給探針施加1.0GPa的接觸壓力，并使探針按照設定的掃描軌跡、掃描循環次數在砷化鎵表面進行掃描。
[0063]本例的砷化鎵材料具體為n-GaAs (100)，設定的掃描軌跡為四個邊長為250nm的正方形面(相鄰正方形面中心的間距為800nm)，每個正方形面區域的掃描循環次數為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，相鄰方孔邊長為250nm,深度為6nm,相鄰孔中心間距為800nm。
[0065]實施例十
[0066]一種砷化鎵表面量子點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，將清洗過的砷化鎵固定在樣品臺上；啟動掃描探針顯微鏡，給探針施加0.7GPa的接觸壓力，并使探針按照設定的掃描軌跡、掃描循環次數在砷化鎵表面進行掃描。
[0068]本例的砷化鎵材料具體為n-GaAs (100)，設定的掃描軌跡為字母“QDs”，掃描循環次數為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]實施例^^一[0071]一種砷化鎵表面量子點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，將清洗過的砷化鎵固定在樣品臺上；啟動掃描探針顯微鏡，給探針施加0.SGPa的接觸壓力，并使探針按照設定的掃描軌跡、掃描循環次數在砷化鎵表面進行掃描。
[0073]本例的砷化鎵材料具體為n-GaAs (100)，設定的掃描軌跡為為500nm長的直線直徑2μπι的太極圖案，掃描循環次數為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，圖案的凹陷區深度為
1.5nm。
[0075]實施例十二
[0076]一種砷化鎵表面量子點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，將清洗過的砷化鎵固定在樣品臺上；啟動掃描探針顯微鏡，給探針施加0.SGPa的接觸壓力，并使探針按照設定的掃描軌跡、掃描循環次數在砷化鎵表面進行掃描。
[0078]本例的砷化鎵材料具體為undoped-GaAs (100),設定的掃描軌跡為為500nm長的直線，掃描循環次數為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，本申請的方法突破了材料導電性的限制，可對半絕緣的GaAs進行量子點形核位置加工。
[0081]實施例十三
[0082]本例的操作與實施例十二基本相同，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表面加工出了長度為500nm、深度為5.1nm的納米線。
[0084]實施例十四
[0085]本例的操作與實施例十二基本相同，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表面加工出了長度為500nm、深度為5.4nm的納米線。
[0087]上述實施例表明，本申請的方法，其加工出的凹結構的深度和掃描時的接觸壓力和掃描循環次數成正相關。盡管繼續增加接觸壓力和掃描次數仍能提高加工深度，但實施例中數納米的深度已足以構成有效的量子點形核位置。由于該方法依賴于摩擦化學，所以極低接觸壓力下砷化鎵材料的去除不引起結構損傷，加工區域仍然保持為單晶結構。同時，摩擦化學作用使得該方法不依賴樣品導電性，可在不同晶面、不同摻雜類型的砷化鎵表面進行高靈活性的可控加工。
【權利要求】
1.一種砷化鎵表面量子點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，將清洗過的砷化鎵固定在樣品臺上；啟動掃描探針顯微鏡，給探針施加0.5-lGPa的接觸壓力，并使探針按照設定的掃描軌跡、掃描循環次數在砷化鎵表面進行掃描。
2.根據權利要求1所述的一種砷化鎵表面量子點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】B82B3/00GK103738916SQ201310732192
【公開日】2014年4月23日 申請日期:2013年12月27日 優先權日:2013年12月27日
【發明者】錢林茂, 宋晨飛, 余丙軍, 陳磊, 唐鵬 申請人:西南交通大學