[发明专利]一种用于超薄外延层生长的液相外延石墨舟及其生长方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种生长Ⅲ-Ⅴ或ⅡI-Ⅵ族化合物半导体外延超薄层的液相外延石墨舟，特别是指超薄单层、量子阱、多量子阱和量子点等低维结构材料生长用石墨舟，用该石墨舟既能满足常规厚膜的生长，也能重复地生长多层超薄层，可拓展液相外延技术因沉积速率过快而不能进行低维结构材料生长研究的瓶颈。

背景技术

液相外延技术（LPE technique）是一种成熟的Ⅲ-Ⅴ和ⅡI-Ⅵ材料生长技术，近平衡态生长提供了外延层材料的纯度，生长的材料具有高的迁移率和荧光效率；材料致密，应力能小，构建的光电器件暗电流小；掺杂剂可选的范围广，材料沉积效率高，外延生长费用低。然而，近二十年来，因MBE和MOCVD技术可以生长很好地生长超薄层结构，绝大多数基于多层结构的新型器件都是使用这些气态沉积方法构建的。外延层生长采用液相外延技术因高的沉积速率（0.1~1um/min）而不能构建多层结构器件，为了发挥LPE技术近平衡态生长超纯的多层外延层结构优势，并且控制不同的层有不同的厚度，对水平滑舟型液相外延技术的石墨舟进行改进，可实现不同厚度的多层的外延层生长。

液相外延技术外延层的厚度主要依赖于溶解度（solubility）在初始生长温度和结束生长温度间的差别，另外，冷却速率（cooling rate）、生长时间（growth time）、母液的体积、过冷度（supercooling degree）等因素也会影响外延层的生长厚度。采用减少母液与衬底的接触时间的方式，A.Krier采用LPE技术生长了InAsSbP量子点（见文献：A.Krier,J.Phys.D-Appl.Phys.32(20),2587(1999)）；V.A.Mishurnyi也采用LPE技术生长了InGaAsP/GaAsP量子阱（见文献：V.A.Mishurnyi,Crit.Rev.Solid State Mat.Sci.31(1-2),1(2006)），每层的厚度是10~40nm。设计较窄的液槽狭缝宽度（0.5~2mm），减少衬底和液相母液的接触时间，加之用较少体积的母液，低温生长等，使用直线电机精确制动推杆，控制滑板单方向运动或往复运动，实现超薄多层外延结构的可重复生长。

发明内容

本发明的目的是设计一种用于超薄层生长的液相外延石墨舟及其生长方法，生长超薄多层结构材料，并构建新型器件。

本发明的石墨舟，包括：似帽子似的盖板1.0、较低位置处有狭缝的母液舟2.0、具有匹配不同尺寸的滑板夹片，小号滑板夹片3.4，中号滑板夹片3.5，大号滑板夹片3.6和两个不同深度的衬底槽3.2的衬底滑板3.0、由直线电机制动的推杆3.4和固定母液舟的底座4.0；每个液槽上可单独使用盖板1.0，是尺寸相差一点的两个方块链接在一起，可严实地盖在液槽上，较大方块一面的外侧有两个小孔，便于镊子夹取盖板，安装到母液舟上；母液舟通过小孔固定在底座上，即用石墨圆棒穿过底座上的圆孔4.2与对应母液舟上的圆孔2.1，其液槽的空隙部分类一个楔形，较低位置处是一个很窄的狭缝2.4，每个液槽的空隙楔形狭缝2.4宽度可以是一系列的尺寸或者宽度一致，一般是几个mm，且狭缝的方向垂直于母液舟的运动方向。若生长不同外延层的温度有很大差距，液槽之间的距离可以增大，保证衬底在液槽之间的下方停留，或者多加一个无狭缝的液槽2.2以停留衬底，等待升降温过程。狭缝使用的目的是减少熔源与衬底的接触时间，实现超薄低维材料的外延生长；衬底滑板正反面各有一个不同槽深的衬底槽3.2，适合不同厚度衬底的情况或因衬底厚度误差带来的衬底槽过深与太浅的情况，而且有预留的滑板空隙3.1，卡放不同型号的滑板夹，既能实现不同层数的材料生长，又能在生长结束让母液回收到对应的回收槽4.1，四个回收槽分别标号为1、2、3、4；推杆3.4由直线电机制动，控制衬底滑板单方向或往复运动，可重复生长多层外延层；底座有隔开的回收不同母液的回收槽4.1，保证相互母液之间无接触污染以便母液再次使用。

本实发明的优点在于设计新型水平滑舟型石墨舟及其生长方法，实现LPE技术近平衡态生长多层结构，并控制不同层有不同的厚度，且构建新型器件，在这方面可与常规MBE和MOCVD技术再次竞争。采用高精度的直线电机来推舟，可确保多层外延层生长的可重复性。

附图说明

图1是石墨舟剖面结构示意图。图中1.0—盖板，1.1—小孔，2.0—母液舟，2.1—圆孔，2.2—没有狭缝的液槽，2.3—液槽，2.4—狭缝，3.0—滑板，3.1—滑板空隙，3.2—衬底槽，3.3—拉杆小孔，3.4—拉杆，4.0—底座，4.1—回收槽。