一种砷化镓表面量子点形核位置的低损伤加工方法
【专利摘要】本发明公开了一种砷化镓表面量子点形核位置的低损伤加工方法，其具体操作是：将尖端为球状的二氧化硅探针安装在扫描探针显微镜上，将清洗过的砷化镓固定在样品台上；启动扫描探针显微镜，给探针施加0.5-1GPa的接触压力，并使探针按照设定的扫描轨迹、扫描循环次数在砷化镓表面进行扫描。该方法能在不同晶面、不同掺杂类型的砷化镓表面加工各种纳米凹结构，所需的接触压力不引起基体晶格缺陷，且其操作简单、位置可控、灵活性高。
【专利说明】—种砷化镓表面量子点形核位置的低损伤加工方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及砷化镓的纳米加工方法。
【背景技术】
[0002]随着科技的进步，量子器件在光电检测、量子点发光、量子计算、光伏产业等领域展现出广阔的应用前景。为了实现量子器件的应用，首先必须实现量子点的定位生长；而量子点优先在衬底表面化学势较低的纳米凹坑处形核，通过控制衬底表面纳米凹坑的位置即可实现量子点的定位生长。砷化镓(GaAs)具有高的电子迁移率和直接能隙结构，使其成为最重要的量子点生长衬底。因此，砷化镓表面量子点形核位置(即纳米凹槽)的可控加工备受:关注。
[0003]根据不同的原理，目前应用于砷化镓表面量子点形核位置(纳米凹槽)的加工方法主要有:(1)机械压痕方法:使用金刚石探针，在外力作用下压入砷化镓基体，可直接加工点状的纳米孔。此类纳米孔的形成依赖于高接触压力下砷化镓的塑性变形和位错产生，力口工所需的接触压力高于6GPa，加工后产生大量缺陷。由于量子点外延生长的非共格特性，基体的缺陷极容易传导至量子点内部从而降低了其发光性能。(2)自组装方法:在分子束外延生长腔体内，首先在砷化镓表面沉积镓液滴并形成富含镓的界面，此时界面处的砷化镓将分解为砷、镓原子，而砷原子扩散至生长腔中，或者在液滴周围重新形核为砷化镓。由此，液滴处砷化镓基体材料逐渐被移出，并产生沟槽。尽管此方法可形成无位错的低损伤结构，但液滴在砷化镓表面随机分布，加工的纳米沟槽位置不可控。(3)阳极氧化法:使用导电的原子力显微镜探针，在电场作用下可在砷化镓表面进行氧化加工形成凸起的氧化层，随后用HF等溶液刻蚀去除氧化层形成纳米凹结构，加工过程强烈依赖于探针与样品的导电性。显然，该方法比较适用于导电性较好的掺杂样品，而不适合对未掺杂的半绝缘的砷化镓进行加工。总之，目前常用的砷化镓表面量子点形核位置加工方法面临着加工损伤性高、位置不可控、加工条件苛刻等挑战。因此，亟待开发位置可控、损伤性低的砷化镓表面量子点形核位置加工方法。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是提供一种砷化镓表面量子点形核位置的低损伤加工方法，该方法能在砷化镓表面加工各种纳米凹结构一量子点形核位置，所需的接触压力不引起基体晶格缺陷，且其操作简单、位置可控、灵活性高。
[0005]本发明为实现其发明目的，所采用的技术方案是，一种砷化镓表面量子点形核位置的低损伤加工方法，其具体操作是:
[0006]将尖端为球状的二氧化硅探针安装在扫描探针显微镜上，将清洗过的砷化镓固定在样品台上；启动扫描探针显微镜，给探针施加0.5-lGPa的接触压力，并使探针按照设定的扫描轨迹、扫描循环次数在砷化镓表面进行扫描。
[0007]本发明的机理和过程是:[0008]在开放的大气环境中，砷化镓表面和二氧化硅探针表面存在吸附水膜，在扫描时接触表面形成半月形毛细水膜并在界面生成GaAs-O-Si分子桥；在0.5-lGPa接触压力下(该压力为砷化镓屈服的临界接触压力的0.1-0.2倍)，随着扫描的进行，GaAs-O-Si分子桥被拉伸并存储了摩擦耗散能，随后分子桥断裂将能量传导至砷化镓表面的Ga-As化学键。吸附水膜中的水分子和吸收了能量的Ga-As发生水解反应生成GaOx和AsOy氧化物。即，二氧化硅探针和砷化镓表面发生了摩擦化学反应。摩擦化学产物以磨屑的形式被去除。通过此种途径，砷化镓材料在仅为砷化镓屈服的临界接触压力的0.1-0.2倍的低接触压力下即可被去除。由于加工过程使用的接触压力未引起加工区域屈服，形成用于量子点形核的纳米凹结构保持单晶结构。
[0009]与现有的技术相比，本发明的有益效果是:
[0010]一、加工过程在常温、常压、开放的大气环境下实现，不需要真空、恒温、恒湿等苛刻环境，只需简单的扫描即可加工出所需的量子点形核位置(纳米凹结构)；扫描过程中不需要对探针施加电场，也不需要后续化学刻蚀；有效降低了加工成本和操作难度，加工效率闻;
[0011]二、扫描过程中不需要对探针施加电场，加工不依赖于探针、砷化镓的导电性，不仅可用于掺杂的半导体砷化镓的加工、也可用于未掺杂半绝缘砷化镓的加工，拓宽了应用范围。[0012]三、加工过程使用的0.5-lGPa的接触压力远低于砷化镓屈服时的临界接触压力(4.6GPa)，且远远低于现有使用的金刚石探针的6GPa的接触压力，因此所加工结构下方的晶格保持为单晶结构，扫描过程不引入加工损伤。而且加工产物可被超声水清洗去除。
[0013]四、扫描加工时的扫描轨迹、扫描次数等参数可以根据实际要求进行设定，加工定位精确，可满足各种加工需求，灵活性强。
[0014]上述的二氧化硅探针的球状尖端的曲率半径为0.5-1.2 μ m。
[0015]下面结合附图和具体的实施方式对本发明作进一步的详细说明。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1为实施例一方法在n-GaAs (100)表面加工出的纳米线的原子力显微镜图。
[0017]图2为实施例二方法在n-GaAs (100)表面加工出的纳米线的原子力显微镜图。
[0018]图3为实施例三方法在n-GaAs (100)表面加工出的纳米线的原子力显微镜图。
[0019]图4为实施例四方法在n-GaAs (100)表面加工出的纳米线的原子力显微镜图。
[0020]图5为实施例五方法在n-GaAs (100)表面加工出的纳米线的原子力显微镜图。
[0021]图6为实施例六方法在n-GaAs (100)表面加工出的纳米线的原子力显微镜图。
[0022]图7为实施例七方法在n-GaAs (100)表面加工出的纳米线的原子力显微镜图。
[0023]图8为实施例八方法在n-GaAs (100)表面加工出的纳米线的原子力显微镜图。
[0024]图9为实施例九的方法在n-GaAs (100)表面加工出的纳米孔阵列的原子力显微镜图。
[0025]图10为实施例十的方法在n-GaAs (100)表面加工出的纳米字母的原子力显微镜图。
[0026]图11为实施例1^一的方法在n-GaAs (100)表面加工出的加工的太极图案的原子力显微镜图。
[0027]图12为实施例十二的方法在undoped-GaAs (100)表面加工出的纳米线的原子力
显微镜图。
[0028]图13为实施例十三的方法在n-GaAs (111) A表面加工出的纳米线的原子力显微镜图。
[0029]图14为实施例十四的方法在n-GaAs (111) B表面加工出的纳米线的原子力显微镜图。
【具体实施方式】
[0030]实施例一
[0031]一种砷化镓表面量子点形核位置的低损伤加工方法，其具体操作是:
[0032]将尖端为球状的二氧化硅探针安装在扫描探针显微镜上，将清洗过的砷化镓固定在样品台上；启动扫描探针显微镜，给探针施加0.5GPa的接触压力，并使探针按照设定的扫描轨迹、扫描循环次数在砷化镓表面进行扫描。
[0033]本例的砷化镓材料具体为n_GaAs( 100)，设定的扫描轨迹为500nm长的直线、扫描循环次数为50，使用的二氧化硅探针的球状尖端的曲率半径为1.2μπι。
[0034]加工完成后，在原子力显微镜上更换形貌扫描专用氮化硅探针即可获得加工后的n-GaAs (100)原子力显微镜图，见图1。图1示出本例在n-GaAs (100)表面加工出了长度为500nm深度为1.8nm的纳米线凹槽。
[0035]实施例二
[0036]本例与实施例一基本相同，唯一不同的仅仅是:给探针施加的接触压力改为0.7GPa。
[0037]图2为本例方法在n-GaAs (100)表面加工出的纳米线的原子力显微镜图。图2示出本例在n-GaAs (100)表面加工出了长度为500nm、深度为2.1nm的纳米线凹槽。
[0038]实施例三
[0039]本例与实施例一基本相同，唯一不同的仅仅是:给探针施加的接触压力改为0.8GPa。
[0040]图3为本例方法在n-GaAs (100)表面加工出的纳米线的原子力显微镜图。图3示出本例在n-GaAs (100)表面加工出了长度为500nm、深度为2.3nm的纳米线凹槽。
[0041]实施例四
[0042]本例与实施例一基本相同，唯一不同的仅仅是:给探针施加的接触压力改为
0.9GPa。
[0043]图4为本例方法在n-GaAs (100)表面加工出的纳米线的原子力显微镜图。图4示出本例在n-GaAs (100)表面加工出了长度为500nm、深度为2.9nm的纳米线凹槽。
[0044]实施例一至四表明，加工深度与加工时给探针施加的接触压力成正相关。
[0045]实施例五
[0046]—种砷化镓表面量子点形核位置的低损伤加工方法，其具体操作是:
[0047]将尖端为球状的二氧化硅探针安装在扫描探针显微镜上，将清洗过的砷化镓固定在样品台上；启动扫描探针显微镜，给探针施加0.SGPa的接触压力，并使探针按照设定的扫描轨迹、扫描循环次数在砷化镓表面进行扫描。
[0048]本例的砷化镓材料具体为n_GaAs( 100)，设定的扫描轨迹为500nm长的直线、扫描循环次数为10，使用的二氧化硅探针的球状尖端的曲率半径为Ι.ομπι。
[0049]图5为本例方法在n-GaAs (100)表面加工出的纳米线的原子力显微镜图。图5示出本例在n-GaAs (100)表面加工出了长度为500nm、深度为1.lnm、的纳米线凹槽。
[0050]实施例六
[0051]本例与实施例五基本相同，唯一不同的仅仅是:扫描循环次数改为40。
[0052]图6为本例方法在n-GaAs (100)表面加工出的纳米线的原子力显微镜图。图6示出本例在n-GaAs (100)表面加工出了长度为500nm、深度为2.0nm的纳米线凹槽。
[0053]实施例七
[0054]本例与实施例一基本相同，唯一不同的仅仅是:扫描循环次数改为80。
[0055]图7为本例方法在n-GaAs (100)表面加工出的纳米线的原子力显微镜图。图7示出本例在n-GaAs (100)表面加工出了长度为500nm、深度为3.6nm的纳米线凹槽。
[0056]实施例八
[0057]本例与实施例一基本相同，唯一不同的仅仅是:扫描循环次数改为120。
[0058]图8为本例方法在n-GaAs (100)表面加工出的纳米线的原子力显微镜图。图8示出本例在n-GaAs (100)表面加工出了长度为500nm、深度为4.5nm的纳米线凹槽。
[0059]实施例五至八表明，加工深度与加工时的扫描循环次数成正相关。
[0060]实施例九
[0061]一种砷化镓表面量子点形核位置的低损伤加工方法，其具体操作是:
[0062]将尖端为球状的二氧化硅探针安装在扫描探针显微镜上，将清洗过的砷化镓固定在样品台上；启动扫描探针显微镜，给探针施加1.0GPa的接触压力，并使探针按照设定的扫描轨迹、扫描循环次数在砷化镓表面进行扫描。
[0063]本例的砷化镓材料具体为n-GaAs (100)，设定的扫描轨迹为四个边长为250nm的正方形面(相邻正方形面中心的间距为800nm)，每个正方形面区域的扫描循环次数为2次，使用的二氧化硅探针的球状尖端的曲率半径为0.5 μ m。
[0064]图9为实施例九的方法在n-GaAs (100)表面加工出的纳米孔阵列的原子力显微镜图。图9示出本例在n-GaAs (100)表面加工出了一组2X2的纳米方孔阵列，相邻方孔边长为250nm,深度为6nm,相邻孔中心间距为800nm。
[0065]实施例十
[0066]一种砷化镓表面量子点形核位置的低损伤加工方法，其具体操作是:
[0067]将尖端为球状的二氧化硅探针安装在扫描探针显微镜上，将清洗过的砷化镓固定在样品台上；启动扫描探针显微镜，给探针施加0.7GPa的接触压力，并使探针按照设定的扫描轨迹、扫描循环次数在砷化镓表面进行扫描。
[0068]本例的砷化镓材料具体为n-GaAs (100)，设定的扫描轨迹为字母“QDs”，扫描循环次数为50，使用的二氧化硅探针的球状尖端的曲率半径为I μ m。
[0069]图10为本例方法在n-GaAs (100)表面加工出的纳米字母的原子力显微镜图。图10示出，本例在n-GaAs (100)表面加工出了纳米字母“QDs”凹图案，图案深度为1.9nm。
[0070]实施例^^一[0071]一种砷化镓表面量子点形核位置的低损伤加工方法，其具体操作是:
[0072]将尖端为球状的二氧化硅探针安装在扫描探针显微镜上，将清洗过的砷化镓固定在样品台上；启动扫描探针显微镜，给探针施加0.SGPa的接触压力，并使探针按照设定的扫描轨迹、扫描循环次数在砷化镓表面进行扫描。
[0073]本例的砷化镓材料具体为n-GaAs (100)，设定的扫描轨迹为为500nm长的直线直径2μπι的太极图案，扫描循环次数为2，使用的二氧化硅探针的球状尖端的曲率半径为I μ m0
[0074]图11为本例方法在n-GaAs (100)表面加工出的太极图案的原子力显微镜图。图11示出，本例在n-GaAs (100 )表面加工出了直径为2 μ m的太极图案，图案的凹陷区深度为
1.5nm。
[0075]实施例十二
[0076]一种砷化镓表面量子点形核位置的低损伤加工方法，其具体操作是:
[0077]将尖端为球状的二氧化硅探针安装在扫描探针显微镜上，将清洗过的砷化镓固定在样品台上；启动扫描探针显微镜，给探针施加0.SGPa的接触压力，并使探针按照设定的扫描轨迹、扫描循环次数在砷化镓表面进行扫描。
[0078]本例的砷化镓材料具体为undoped-GaAs (100),设定的扫描轨迹为为500nm长的直线，扫描循环次数为120，使用的二氧化硅探针的球状尖端的曲率半径为Ιμπι。
[0079]图12为本例的方法在undoped-GaAs (100)表面加工出的纳米线的原子力显微镜图。图12示出，本例的方法在undoped-GaAs (100)表面加工出了长度为500nm、深度为
4.8nm的纳米线。
[0080]undoped-GaAs (100)为未掺杂的半绝缘材料，可见，本申请的方法突破了材料导电性的限制，可对半绝缘的GaAs进行量子点形核位置加工。
[0081]实施例十三
[0082]本例的操作与实施例十二基本相同，不同的仅仅是选用的砷化镓材料改为n-GaAs(Ill)A0
[0083]图13为本例的方法在n-GaAs (111) A表面加工出的纳米线的原子力显微镜图。图13示出，本例的方法在n-GaAs (111) A表面加工出了长度为500nm、深度为5.1nm的纳米线。
[0084]实施例十四
[0085]本例的操作与实施例十二基本相同，不同的仅仅是选用的砷化镓材料改为n-GaAs(Ill)B0
[0086]图14为本例的方法在n-GaAs (111) B表面加工出的纳米线的原子力显微镜图。图14示出，本例的方法在n-GaAs (111) A表面加工出了长度为500nm、深度为5.4nm的纳米线。
[0087]上述实施例表明，本申请的方法，其加工出的凹结构的深度和扫描时的接触压力和扫描循环次数成正相关。尽管继续增加接触压力和扫描次数仍能提高加工深度，但实施例中数纳米的深度已足以构成有效的量子点形核位置。由于该方法依赖于摩擦化学，所以极低接触压力下砷化镓材料的去除不引起结构损伤，加工区域仍然保持为单晶结构。同时，摩擦化学作用使得该方法不依赖样品导电性，可在不同晶面、不同掺杂类型的砷化镓表面进行高灵活性的可控加工。
【权利要求】
1.一种砷化镓表面量子点形核位置的低损伤加工方法，其具体操作是: 将尖端为球状的二氧化硅探针安装在扫描探针显微镜上，将清洗过的砷化镓固定在样品台上；启动扫描探针显微镜，给探针施加0.5-lGPa的接触压力，并使探针按照设定的扫描轨迹、扫描循环次数在砷化镓表面进行扫描。
2.根据权利要求1所述的一种砷化镓表面量子点形核位置的低损伤加工方法，其特征在于:所述的二氧化硅探针的球状尖端的曲率半径为0.5-1.2 μ m。
【文档编号】B82B3/00GK103738916SQ201310732192
【公开日】2014年4月23日 申请日期:2013年12月27日 优先权日:2013年12月27日
【发明者】钱林茂, 宋晨飞, 余丙军, 陈磊, 唐鹏 申请人:西南交通大学