專利名稱：一種用于超薄外延層生長的液相外延石墨舟及其生長方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種生長III- V或II -VI族化合物半導(dǎo)體外延超薄層的液相外延石墨舟，特別是指超薄單層、量子阱、多量子阱和量子點等低維結(jié)構(gòu)材料生長用石墨舟，用該石墨舟既能滿足常規(guī)厚膜的生長，也能重復(fù)地生長多層超薄層，可拓展液相外延技術(shù)因沉積速率過快而不能進行低維結(jié)構(gòu)材料生長研究的瓶頸。
背景技術(shù)：
液相外延技術(shù)(LPE technique)是ー種成熟的III - V和II - VI材料生長技術(shù)，近平衡態(tài)生長提供了外延層材料的純度，生長的材料具有高的遷移率和熒光效率；材料致密，應(yīng)カ能小，構(gòu)建的光電器件暗電流??；摻雜劑可選的范圍廣，材料沉積效率高，外延生長費用低。然而，近二十年來，因MBE和MOCVD技術(shù)可以生長很好地生長超薄層結(jié)構(gòu)，絕大多數(shù)基于多層結(jié)構(gòu)的新型器件都是使用這些氣態(tài)沉積方法構(gòu)建的。外延層生長采用液相外延技術(shù)因高的沉積速率(O. rium/min)而不能構(gòu)建多層結(jié)構(gòu)器件，為了發(fā)揮LPE技術(shù)近平衡態(tài)生長超純的多層外延層結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，并且控制不同的層有不同的厚度，對水平滑舟型液相外延技術(shù)的石墨舟進行改進，可實現(xiàn)不同厚度的多層的外延層生長。液相外延技術(shù)外延層的厚度主要依賴于溶解度(solubility)在初始生長溫度和結(jié)束生長溫度間的差別，另外,冷卻速率(cooling rate)、生長時間(growth time)、母液的體積、過冷度(supercooling degree)等因素也會影響外延層的生長厚度。采用減少母液與襯底的接觸時間的方式，A. Krier采用LPE技術(shù)生長了 InAsSbP量子點(見文獻A. Krier, J. Phys. D-Appl. Phys. 32 (20)，2587 (1999) ) ；V. A. Mishurnyi 也采用 LPE 技術(shù)生長了 InGaAsP/GaAsP 量子講(見文獻V. A. Mishurnyi, Crit. Rev. Solid State Mat.Sci. 31 (1-2)，I (2006))，每層的厚度是l(T40nm。設(shè)計較窄的液槽狹縫寬度(0. 5 2mm)，減少襯底和液相母液的接觸時間，加之用較少體積的母液，低溫生長等，使用直線電機精確制動推桿，控制滑板單方向運動或往復(fù)運動，實現(xiàn)超薄多層外延結(jié)構(gòu)的可重復(fù)生長。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是設(shè)計一種用于超薄層生長的液相外延石墨舟，生長超薄多層結(jié)構(gòu)材料，并構(gòu)建新型器件。本發(fā)明的石墨舟，包括似帽子似的蓋板I. O、較低位置處有狹縫的母液舟2. O、具有匹配不同尺寸的滑板夾片，小號滑板夾片3. 4，中號滑板夾片3. 5，大號滑板夾片3. 6和兩個不同深度的襯底槽3. 2的襯底滑板3. O、由直線電機制動的推桿3. 4和固定母液舟的底座4.0 ;每個液槽上可単獨使用蓋板1.0，是尺寸相差一點的兩個方塊鏈接在一起，可嚴(yán)實地蓋在液槽上，較大方塊一面的外側(cè)有兩個小孔，便于鑷子夾取蓋板，安裝到母液舟上；母液舟通過小孔固定在底座上，即用石墨圓棒穿過底座上的圓孔4. 2與對應(yīng)母液舟上的圓孔
2.1，其液槽的空隙部分類ー個楔形，較低位置處是ー個很窄的狹縫2. 4，方向與運動方向垂直，可減少熔源與襯底的接觸時間，實現(xiàn)超薄低維材料的外延生長；襯底滑板正反面各有一個不同槽深的襯底槽3. 2，適合不同厚度襯底的情況或因襯底厚度誤差帶來的襯底槽過深與太淺的情況，而且有預(yù)留的滑板空隙3. 1，卡放不同型號的滑板夾，既能實現(xiàn)不同層數(shù)的材料生長，又能在生長結(jié)束讓母液回收到對應(yīng)的回收槽4. 1，四個回收槽分別標(biāo)號為1、2、
3、4;推桿3. 4由直線電機制動，控制襯底滑板單方向或往復(fù)運動，可重復(fù)生長多層外延層；底座有隔開的回收不同母液的回收槽4. 1，保證相互母液 之間無接觸污染以便母液再次使用。本實發(fā)明的優(yōu)點在于設(shè)計新型水平滑舟型石墨舟，實現(xiàn)LPE技術(shù)近平衡態(tài)生長多層結(jié)構(gòu)，并控制不同層有不同的厚度，且構(gòu)建新型器件，在這方面可與常規(guī)MBE和MOCVD技術(shù)再次競爭。采用高精度的直線電機來推舟，可確保多層外延層生長的可重復(fù)性。


圖I是石墨舟首I]面結(jié)構(gòu)不意圖。圖中I. O一蓋板，I. I一小孔，2. O一母液舟，2. I一圓孔，2. 2—沒有狹縫的液槽，2. 3—液槽，2. 4一狹縫，3. O—滑板，3. I一滑板空隙，3. 2—襯底槽，3. 3—拉桿小孔，3. 4—拉桿，4. O—底座，4. I一回收槽。圖2是石墨舟左視結(jié)構(gòu)不意圖。1.0—蓋板，2. O—母液舟，3. O—滑板，4. O—底座，
4.2一圓孔(用石墨圓棒穿入，固定底座與母液舟)。圖3是石墨蓋板的結(jié)構(gòu)不意圖。1.0—蓋板，I. I一小孔，I. 2—上方塊，I. 3—下方塊。圖4是母石墨舟的母液舟ニ視圖。A—母液舟的主視圖，B—母液舟的俯視圖，C一母液舟的左視圖，2. I—圓孔，2. 2—無狹縫的液槽，2. 3—液槽，2. 4一狹縫。圖5是滑板和滑板夾片的結(jié)構(gòu)示意圖。A—滑板的主視圖，B—滑板的主視圖，3. I滑板空隙，3. 2—村底槽，3. 3—拉桿小孔，3. 4 —小號滑板夾片，3. 5—中號滑板夾片，3. 6—大號滑板夾片。圖6是具體實施案例多量子阱a/b/A/b的生長結(jié)構(gòu)示意圖。A_a熔源生長位置，B-b溶液生長位置，B-a/b/a/b多量子阱生長結(jié)束位置，3. 4-拉桿，3. 5-中號滑板夾片，2.2. I-觀察襯底用液槽，1、2、3、4是四個回收槽，I、II、III、IV是對應(yīng)的母液槽。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式
做進ー步的詳細(xì)說明本實施以a/b/a/b多量子講生長為例1，熔源和襯底裝載到LPE系統(tǒng)中。裝入已長時間高溫恒溫的a與b母液到分別到I、II液槽中，并裝入襯底到滑板的襯底槽上，啟動LPE系統(tǒng)，進行抽真空和加熱過程。2，a外延層生長。見圖6的A結(jié)構(gòu)示意圖，直線電機快速拉動(直線運動速度lm/s)a母液經(jīng)過襯底表面，速度較快，又因I狹縫寬度是O. 5_，襯底和母液接觸時間較短，將會有晶體a析出在襯底上，且外延層很薄。加之低溫生長和小的母液體積(母液若置于2. 2. I觀察襯底的槽中，其高度控制在2mm),可控制更薄的外延層(flOOnm)。3，b外延層生長。見圖6的B結(jié)構(gòu)示意圖，拉桿控制滑板移動(設(shè)置直線速度lm/s，也可以改變速度，來調(diào)整襯底和母液的接觸時間，實現(xiàn)控制不同膜厚的目的)，將襯底帶到b母液槽狹縫位置處，II狹縫寬度是1mm，此時有滑板夾片，a母液也不會落入回收槽I中。
4，重復(fù)a/b外延層生長。如圖6中的A、B所示，滑板的再一次往復(fù)運動就可以第二次a/b外延層的生長。5，生長結(jié)束。見圖6的C結(jié)構(gòu)示意圖，a/b/a/b生長過程接觸后，拉動滑板使已生長的外延層正對母液舟最右邊的液槽2. 2. 2，以便于通過此液槽觀察薄膜表面的生長情況，又可以讓a、b母液掉進對應(yīng)的1、2回收槽中，便于下次生長再利用。權(quán)利要求
1.一種用于超薄層生長的液相外延石墨舟，包括蓋板(I. O)、母液舟(2. O)、襯底滑板(3.0)和底座(4.0);其特征在于 母液舟(2. 0)通過小孔固定在底座上，即用石墨圓棒穿過底座上的圓孔(4. 2)與對應(yīng)母液舟上的圓孔(2. 1)，其液槽的空隙部分如一個楔形，較低位置處是一個很窄的狹縫(2. 4)，液槽上有單獨使用蓋板(I. 0)，形狀如同尺寸相差一點的兩個方塊鏈接在一起，能很嚴(yán)實地蓋在液槽上；襯底滑板正反面各有一個不同槽深的襯底槽(3. 2)，而且有預(yù)留的滑板空隙(3. 1)，安放的滑板夾片(3. 4) ，底座下方的回收槽(4. I)之間是隔開的，用于回收不同母液，避免之間的相互污染，用石墨圓棒穿入底座上的小圓孔(4. 2)與母液舟的小圓孔(2. I)而將母液舟與底座固定，使襯底滑板在其中間滑動，底座下方有幾個與母液舟(2. 3)對應(yīng)的回收槽(4. 1)，便于無污染的母液回收，實現(xiàn)母液再次利用。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種用于超薄層生長的液相外延石墨舟，其特征在于所說的蓋板(1.0)是兩個小方臺構(gòu)成，較小的方臺(I. 3)能很嚴(yán)實地蓋在液槽上，較大小方臺(I. 2)的外側(cè)有便于鑷子夾取的兩個圓柱形小孔。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種用于超薄層生長的液相外延石墨舟，其特征在于所說的母液舟(2.0)有四個液槽(2. 3)，每個液槽的空隙楔形狹縫(2. 4)寬度可以是一系列的尺寸或者寬度一致，一般是幾個mm，本發(fā)明示例中四個液槽狹縫寬度分別是0. 5mm、1mm、1.5mm、2mm，且狹縫的方向垂直于母液舟的運動方向。若生長不同外延層的溫度有很大差距，液槽之間的距離可以增大，保證襯底在液槽之間的下方停留，或者多加一個無狹縫的液槽(2. 2)以停留襯底，等待升降溫過程。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種用于超薄層生長的液相外延石墨舟，其特征在于所說的襯底滑板(3.0)正反面各有一個不同槽深的襯底槽(3. 2)，適合不同襯底厚度或者因為襯底厚度誤差帶來的襯底槽過深或太淺的情況，且有預(yù)留的滑板空隙(3. 1)，卡放不同型號的滑板夾片，既能實現(xiàn)多層外延層生長，又能在生長結(jié)束讓母液回收到對應(yīng)的回收槽(4. I)中。
5.一種基于權(quán)利要求I所述液相外延石墨舟的超薄低維材料生長方法，其特征在于包括以下步驟 I)a外延層生長，低溫小體積溶液快速滑過襯底表面，狹長的狹縫致使母液a與襯底接觸時間短而生長上一薄層； 2)b外延層生長。具有與a層同樣的生長過程； 3)重復(fù)a及b外延層生長，直線電機控制襯底滑板的襯底位置回到a母液的下方，繼續(xù)生長a層。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于超薄外延層生長的液相外延石墨舟及其生長方法，該石墨舟包括蓋板、母液舟、滑板和底座。該發(fā)明的特征是蓋板為分離的，每個都能很嚴(yán)實地蓋在母液舟上而不易滑動，同時液槽的空隙部分如同一個楔形，較低位置處是一個很窄的狹縫，從而減少熔源與襯底的接觸時間，實現(xiàn)低維結(jié)構(gòu)超薄材料的液相外延近平衡態(tài)生長，而且襯底滑板正反面各有一個不同深度的襯底槽，適合不同襯底厚度情況或因為襯底厚度誤差帶來的襯底槽過深或太淺的情況，底座有回收母液的回收槽，便于母液的多次使用。本發(fā)明的優(yōu)點是采用液相外延技術(shù)實現(xiàn)超薄外延層或常規(guī)厚膜生長，近平衡態(tài)生長的超純外延層為設(shè)計新型材料和構(gòu)建新型器件提供了一個新的研究方向。
文檔編號C30B19/06GK102732952SQ201210211438
公開日2012年10月17日 申請日期2012年6月25日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月25日
發(fā)明者呂英飛, 孫常鴻, 戴寧, 王奇?zhèn)? 胡淑紅, 鄧惠勇, 邱鋒, 郭建華 申請人:中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所