專利名稱：緩沖層填埋斷續(xù)生長尺寸高均勻單層Ge量子點的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用離子束濺射技術緩沖層填埋斷續(xù)生長尺寸高均勻單層Ge量子 點的方法，屬半導體量子材料制備技術領域。
背景技術：
量子點(Quantum Dot,簡稱QD)，又稱人工原子，是一種零維自由的量子結構，當 顆粒尺寸達到納米量級時，尺寸限域將引起尺寸效應、量子限域、宏觀量子隧道效應及表面 效應等，這些獨特量子效應，使量子點材料被廣泛研究應用于光電信息器件中，基于三維受 限量子點的分立特性的量子器件，以其獨特優(yōu)異的電學、光學性能和極低功耗，在納米電子 學、光電子學、生命科學、量子計算機以及軍事國防等領域有著極其廣泛的應用前景，具體 可運用在量子點激光器、量子點紅外探測器、單光子光源、單電子器件和量子計算機等方 面。瞬時超大功率激光器，能用于攔截或摧毀飛行器(如，導彈、飛機、衛(wèi)星等)，是一種定向 智能武器，對國防建設有重要意義。因此，各大國都對此展開了深入研究。然而，量子點的 尺寸大小、尺寸的均勻性，形狀、密度及組分分布都會對其光電性質產生重要的影響，一般 光電子器件應用都要求量子點滿足密度高、尺寸小且分布均勻、排列有序的條件?，F有的硅 基Ge量子點自組織生長的方法主要有化學氣相沉積(CVD)和分子束外延技術(MBE)，這兩 種技術已經把Ge量子點成功的應用到各種光電探測器中，但是由于用這些技術制備量子 點材料時，存在著生產成本高、工藝復雜、生產效率低的問題，不利于大規(guī)模產業(yè)化生產，從 而提高了量子點器件的生產成本。本發(fā)明人的專利200610048900. 9首次公開了一種低生長束流下離子束濺射技術 自組織生長Ge量子點的方法，生長了厚度小于SOnm的Si層，厚度小于20nm的Ge層，一 層Si和一層Ge構成一個周期，濺射周期數為5 50個周期的，最后生長量子點的Ge層為 蓋帽層，得到了直徑為50nm 90nm，高度為2nm IOnm的Ge量子點；本發(fā)明人的另一專 利200610048899. X公開了一種低溫雙離子束濺射Ge/Si多層膜自組織Ge量子點的制備方 法，通過兩個離子束濺射槍交替濺射生長Si和Ge多層膜，最后生長量子點的Ge層作為蓋 帽層，得到了直徑為IOnm 30nm，高度Inm 2nm的Ge量子點。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于克服現有的Ge量子點尺寸較大，需要多層生長來調控量子點 尺寸均勻性，以及在用離子束濺射量子點過程中結晶性以尺寸及均勻性和可控性的不足， 用斷續(xù)生長方法生長單層Ge量子點，在獲得尺寸均勻、高密度、小尺寸、大高寬比、可控性 好的Ge量子點以滿足光電信息器件的要求同時，提高了生產效益，降低生產成本，滿足工 業(yè)規(guī)模生產。本發(fā)明通過下列技術方案實現本發(fā)明用離子束濺射通過轉動高純Ge靶材和高純Si靶材的位置，在硅基底材料 上濺射沉積Ge和Si薄膜。本發(fā)明用離子束真空濺射，以氬氣作為工作氣體，在氬離子能量為600eV 1400eV，放電電壓為75V 80V，生長溫度為500°C 700°C，生長束流為14mA 20mA，濺射壓強為2. OX 10_2Pa的條件下，在硅基底材料上斷續(xù)生長厚度為20nm 60nm的 Si緩沖層，然后在Si緩沖層上斷續(xù)自組織生長厚度為2. Onm 3. Onm的單層Ge量子點。所述離子束濺射，預先用現有技術對硅基底材料進行處理A、選擇晶向為(100)的Si基底材料，用甲苯、丙酮、無水乙醇分別依次清洗15min， 除去基底表面有機物和無機物雜質；B、將清洗過的Si基底材料，先用H2S04 H202 = 4:1的溶液煮沸l(wèi)Omin，再用 HF H202 = 1:9的溶液浸泡20s 40s ；C、經上述B步驟處理后的Si基底材料，先用NH3OH H202 H20=1 1 4的 溶液煮沸l(wèi)Omin，再用HF H202 = 1:9的溶液浸泡20s 40s ；D、經上述C步驟處理后的Si基底材料，先用濃HN03煮沸3min，再用HF H202 = 1 9的溶液浸泡20s 40s ；E、經上述D步驟處理后的Si基底材料，先用HC1 H202 H20 = 3 1 1的溶 液煮沸5min，再用HF H20 = 1 20的溶液浸泡30s 60s所述離子束濺射通過下列具體方法自組織生長單層Ge量子點A、將預處理后的硅基底材料用高純氮氣吹干，置于濺射室內，待濺射室本底真空 度小于2. OX 10_4Pa，調整生長溫度為500°C 700°C，保持lOmin 30min，使硅表面的H鍵 脫附，得到潔凈的表面；隨后向濺射室內充入純度為5N的Ar氣，調節(jié)壓強為2.0X10_2Pa ；B、在溫度為室500°C 700°C，氬離子能量為600eV 1400eV，束流為14mA 20mA，放電電壓為75V 80V，濺射厚度為10nm 30nm的Si緩沖層，然后原位保持5min 15min,再繼續(xù)生長lOnm 30nm的Si緩沖層，生長結束后原位保持5min 15min，以提高 緩沖層的結晶性和表面平整度；然后在500°C 700°C范圍內先生長0. 7nm 0. 9nm的Ge 層，原位保持3min 5min，再生長1. 30nm 2. Onm的Ge層，最后自然降溫到室溫。本發(fā)明通過斷續(xù)生長，有效解決了制備量子點材料存在量子點需要多層生長來調 控量子點尺寸均勻性，以及量子點的結晶、可控性差、高寬比低、及Ge/Si互混嚴重不足，獲 得能用于制作量子點器件的量子點材料，且生產成本低，可控性好，易于產業(yè)化生產，是制 備量子點的一種簡易而高效的方法。


圖1為本發(fā)明實施例1所得樣品的AFM檢測結果圖；圖2為本發(fā)明實施例2所得樣品的AFM檢測結果圖；圖3為本發(fā)明實施例3所得樣品的AFM檢測結果圖
具體實施例方式下面通過實施例對本發(fā)明做進一步描述。實施例1 所用設備為F幾560III型超高真空多靶磁控與離子束聯(lián)合濺射設備的離子束濺 射室，生長室內安置一個考夫曼離子槍。所用的靶材為5N(99. 999%以上)的高純Ge方形 靶和高純硅方形靶，濺射氣體為5N (99. 999%以上)的高純氬氣。所用的Si基底材料采用晶向為(100)的N型單晶Si片，單面拋光，電阻率為0.001 Q !!! 0.005Q 。超聲清洗 使用市購的超聲清洗器。具體是一、硅基底材料的處理A、選擇晶向為(100)的Si基底材料，用甲苯、丙酮、無水乙醇分別依次清洗15min， 除去基底表面有機物和無機物雜質；B、將清洗過的Si基底材料，先用H2S04 H202 = 4:1的溶液煮沸l(wèi)Omin，再用 HF H202 = 1:9的溶液浸泡20s 40s ；C、經上述B步驟處理后的Si基底材料，先用NH3OH H202 H20 = 1 1 4的 溶液煮沸l(wèi)Omin，再用HF H202 = 1:9的溶液浸泡20s 40s ；D、經上述C步驟處理后的Si基底材料，先用濃HN03煮沸3min，再用HF H202 = 1 9的溶液浸泡20s 40s ；E、經上述D步驟處理后的Si基底材料，先用HC1 H202 H20 = 3 1 1的溶 液煮沸5min，再用HF H20 = 1 20的溶液浸泡30s 60s。二、離子束斷續(xù)濺射自組織生長單層Ge量子點A、將預處理后的硅基底材料用高純氮氣吹干，置于濺射室內，待濺射室本底真空 度小于2. OX 10_4Pa，調整溫度為700°C后保持lOmin，向濺射室內充入純度為5N的Ar氣， 使壓強為2.0X10_2Pa;B、在溫度為500°C，束流為17mA，氬離子能量為1400eV，放電電壓為75V，濺射壓強 為2. OX 10_2Pa的條件下，首先濺射厚度為30nm的Si緩沖層。原位保持lOmin后再濺射 30nm厚的Si緩沖層，Si生長結束后保持15min，然后在500°C溫度下首先生長0. 7nm的Ge 層，原位保持5min后再生長2nm的Ge，最后自然降溫到室溫，得到Ge量子點薄膜材料。本實施例1的樣品檢測結果如圖1立體圖所示，圖中Ge量子點的平均高度為 llnm，平均直徑為30nm，平均高寬比為0. 36，密度為9. 97X 109cm_2，此時量子點直徑小而均 勻且密度較高，分布也比較有序。實施例2 所用設備及材料均與實施例1相同。具體步驟是一、硅基底材料的處理與實施例1相同。二、離子束斷續(xù)濺射自組織量子點A、將預處理后的硅基底材料用高純氮氣吹干，置于濺射室內，待濺射室本底真空 度小于2. OX 10_4Pa，調整溫度為500°C后保持30min，向濺射室內充入純度為5N的Ar氣， 使壓強為2.0X10_2Pa;B、在溫度為700°C，束流為14mA，氬離子能量為llOOeV，放電電壓為80V，濺射壓 強為2. OX 10_2Pa的條件下，首先濺射厚度為15nm的Si緩沖層。原位保持5min后再濺射 15nm厚的Si緩沖層，Si生長結束后保持lOmin，然后在700°C溫度下首先生長0. 8nm的Ge 層，原位保持4min后再生長1. 5nm的Ge，最后自然降溫到室溫，得到Ge量子點薄膜材料。本實施例2的樣品檢測結果如圖2立體圖所示，圖中Ge量子點的平均高度為 15. 62nm，平均直徑為52. 44nm，，平均高寬比為0. 30，密度為1. 58 X 1010cm_2。此時密度大， 高度較高，尺寸分布比較均勻。
實施例3:所用設備及材料均與實施例1相同。具體步驟是一、硅基底材料的處理與實施例1相同。二、離子束斷續(xù)濺射自組織量子點A、將預處理后的硅基底材料用高純氮氣吹干，置于濺射室內，待濺射室本底真空 度小于2. OX 10_4Pa，調整溫度為650°C后保持20min，向濺射室內充入純度為5N的Ar氣， 使壓強為2.0X10_2Pa;B、在溫度為650°C，束流為20mA，氬離子能量為600eV，放電電壓為78V，濺射壓強 為2. 0 X 10_2Pa的條件下，首先濺射厚度為lOnm的Si緩沖層。原位保持8min后再濺射lOnm 厚的Si緩沖層，Si生長結束后在650°C保持5min，然后在650°C溫度下首先生長0. 9nm的 Ge層，原位保持3min后再生長1. Onm的Ge，最后自然降溫到室溫，得到Ge量子點薄膜材料。本實施例3的樣品檢測結果如圖3立體圖所示，圖中Ge量子點的平均高度為 14. 35nm，平均直徑為55. 74nm，，平均高寬比為0. 26，密度為9. 76X 109cnT2。
權利要求
一種緩沖層填埋斷續(xù)生長尺寸高均勻單層Ge量子點的方法，用離子束濺射技術，通過轉動高純Ge靶材和高純Si靶材的位置，在預處理后的硅基底材料上濺射沉積Ge和Si薄膜；其特征在于本發(fā)明的單層Ge量子點的方法先在預處理后的硅基底材料上斷續(xù)生長厚度為20nm～60nm的Si緩沖層，再在Si緩沖層上斷續(xù)自組織生長厚度為2.0nm～3.0nm的單層Ge量子點。
2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于所述離子束濺射的工作條件是離子束真 空濺射，并使用氬氣作為工作氣體，氬離子能量為600eV 1400eV，放電電壓為75V 80V， 生長溫度為500°C 7001，工作室本底真空度8.0\10-節(jié)￡1 2.0\10-4 ￡1，，生長束流為 14mA 20mA，濺射壓強為 2. OX l(T2Pa。
3.根據權利要求1所述的方法，其特征在于所述離子束濺射通過下列具體方法自組織 生長單層Ge量子點A、將預處理后的硅基底材料用高純氮氣吹干，置于濺射室內，待濺射室本底真空度小 于2. OX 10_4Pa，調整生長溫度為500°C 700°C，保持IOmin 30min ；隨后向濺射室內充入 純度為5N的Ar氣，調節(jié)壓強為2. OX KT2Pa ；B、在溫度為500°C 700°C，氬離子能量為600eV 1400eV，放電電壓為75V 80V， 生長束流為14mA 20mA，濺射壓強為2. OX KT2Pa的條件下，生長厚度為IOnm 30nm的 Si緩沖層；原位保持5min 15min，再生長IOnm 30nm的Si緩沖層；生長結束后原位保 持5min 15min ；然后在500°C 700°C范圍內先生長0. 7nm 0. 9nm的Ge層，原位保持 3min 5min，再生長1. Onm 2. Onm的Ge層；最后自然降溫到室溫。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種緩沖層填埋斷續(xù)生長尺寸高均勻單層Ge量子點的方法，屬半導體量子材料制備技術領域。本發(fā)明的單層Ge量子點的方法采用離子束濺射技術，通過轉動高純Ge靶材和高純Si靶材的位置，在預處理后的硅基底材料上斷續(xù)生長厚度為20nm～60nm的Si緩沖層，再在Si緩沖層上斷續(xù)自組織生長厚度為2.0nm～3.0nm的單層Ge量子點。本發(fā)明通過斷續(xù)生長，有效解決了制備量子點材料存在量子點需要多層生長來調控量子點尺寸均勻性，以及量子點的結晶、可控性差、高寬比低、及Ge/Si互混嚴重不足，獲得能用于制作量子點器件的量子點材料，且生產成本低，可控性好，易于產業(yè)化生產，是制備量子點的一種簡易而高效的方法。
文檔編號H01L21/203GK101866832SQ20101018193
公開日2010年10月20日 申請日期2010年5月25日 優(yōu)先權日2010年5月25日
發(fā)明者張學貴, 楊宇, 楊杰, 潘紅星, 熊飛, 王茺 申請人:云南大學