專(zhuān)利名稱(chēng)：用離子束濺射技術(shù)生長(zhǎng)高密度細(xì)小自組織Ge量子點(diǎn)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體量子材料的制備方法，特別是使用離子束濺射技術(shù)來(lái)自組織生 長(zhǎng)Ge量子點(diǎn)的方法。
背景技術(shù)：
量子點(diǎn)又稱(chēng)人工原子，它是由數(shù)目有限的原子形成的納米尺寸的晶粒。在量子點(diǎn) 中，電子(或空穴)在空間三個(gè)方向上的運(yùn)動(dòng)均受到限制，其物理特性出現(xiàn)了許多不同于體 材料和量子阱的新特點(diǎn)即能級(jí)結(jié)構(gòu)是類(lèi)原子的分立結(jié)構(gòu)，而且各個(gè)能級(jí)的簡(jiǎn)并度是有限 的；由于多個(gè)電子(或空穴)被束縛在一個(gè)很小的尺度內(nèi)，電子(或空穴)之間的庫(kù)侖相互 作用很強(qiáng)，庫(kù)侖勢(shì)的存在足以影響量子點(diǎn)的能級(jí)結(jié)構(gòu)；在磁場(chǎng)作用下也會(huì)出現(xiàn)塞曼分裂的 類(lèi)原子現(xiàn)象；隨量子點(diǎn)尺寸的減小將出現(xiàn)發(fā)光強(qiáng)度增強(qiáng)、發(fā)光位置藍(lán)移的現(xiàn)象。而Si/Ge系 統(tǒng)中利用層加島模式(SK)自組織生長(zhǎng)的Ge量子點(diǎn)，由于具有與硅基工藝兼容的巨大優(yōu)勢(shì)， 有望成為未來(lái)納米電子、光子器件的基礎(chǔ)材料，應(yīng)用前景廣闊。 目前硅基Ge量子點(diǎn)自組織生長(zhǎng)的方法主要有化學(xué)氣相沉積(CVD)和分子束外延 技術(shù)(MBE)，這兩種技術(shù)已經(jīng)把Ge量子點(diǎn)成功的應(yīng)用到各種光電探測(cè)器中，但是由于制備 量子點(diǎn)材料時(shí)，存在著生產(chǎn)成本高、工藝復(fù)雜、生產(chǎn)效率低的問(wèn)題，不利于大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化生 產(chǎn)。本發(fā)明人的專(zhuān)利200610048900. 9首次公開(kāi)了一種低生長(zhǎng)束流下離子束濺射技術(shù)自 組織生長(zhǎng)Ge量子點(diǎn)的方法，以成本低、易于產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的離子束濺射技術(shù)，在生長(zhǎng)束流為 2mA 10mA，生長(zhǎng)溫度為室溫 40(TC，束流電壓為0. 2KV 1. 5KV的條件下，生長(zhǎng)了厚度小于 80nm的Si層，厚度小于20nm的Ge層， 一層Si和一層Ge構(gòu)成一個(gè)周期，濺射周期數(shù)為5 50 個(gè)周期的，最后生長(zhǎng)量子點(diǎn)的Ge層為蓋帽層，得到了直徑為50nnT90nm，高度為2nnTl0nm的 Ge量子點(diǎn)。本發(fā)明人的另一專(zhuān)利200610048899. X公開(kāi)了一種低溫雙離子束濺射Ge/Si多 層膜自組織Ge量子點(diǎn)的制備方法，通過(guò)兩個(gè)離子束濺射槍交替濺射生長(zhǎng)Si和Ge多層膜， 最后生長(zhǎng)量子點(diǎn)的Ge層作為蓋帽層，得到了直徑為10nnT30nm，高度lnm 2nm的Ge量子點(diǎn)。
臺(tái)灣人Chung Hung-chin (Formation of coherent Ge shallow dome islands on Siby ultra_high_vacuum ion beam sputter deposition. Appl. Phys. A， 91， 267) 2008年報(bào) 道了用離子束濺射技術(shù)在大沉積速率(8. 2nm/min 9. lnm/min)和低溫(400°C 550°C )下 生長(zhǎng)出Ge量子點(diǎn)，但是他們生長(zhǎng)的Ge量子點(diǎn)尺寸均勻性差，密度僅為1. 8X 109cm—、
經(jīng)文獻(xiàn)檢索，未見(jiàn)與本發(fā)明相同的公開(kāi)報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種成本低、工藝簡(jiǎn)單、易于產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的用離子束濺射 技術(shù)自組織生長(zhǎng)Ge量子點(diǎn)方法，以獲得高密度、小尺寸、大高寬比、尺寸均勻、可控性好的 Ge量子點(diǎn)。 本發(fā)明通過(guò)下列技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)
—種用離子束濺射技術(shù)自組織生長(zhǎng)高密度細(xì)小Ge量子點(diǎn)的方法，采用離子束真 空濺射技術(shù)，使用氬氣作為工作氣體，在生長(zhǎng)溫度為600°C 80(TC，工作室本底真空度小于 3. 0X10—乍a，束流電壓為0. 5KV 1. 1KV，生長(zhǎng)束流為4mA 15mA的條件下，在硅基底材料上生 長(zhǎng)了一層Si緩沖層，然后自組織生長(zhǎng)單層Ge量子點(diǎn)。 所述離子束濺射通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)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。 所述離子束濺射的其余工作條件是濺射壓強(qiáng)為2.0X10—2Pa，加速電壓為 100V 200V，放電電壓為70V 75V，濺射速率為0. 01nm/s 0. 025nm/s。所述離子束濺射生長(zhǎng)過(guò)程為預(yù)先在硅基底材料上濺射Si緩沖層，原位保持
10min 30min，然后再濺射Ge層，最后原位保持5min 15min。 所述離子束濺射，預(yù)先用現(xiàn)有技術(shù)對(duì)硅基底材料進(jìn)行處理 A、選擇晶向?yàn)?100)的Si基底材料，用甲苯、丙酮、無(wú)水乙醇分別依次清洗15分 鐘，除去基底表面有機(jī)物和無(wú)機(jī)物雜質(zhì)； B、將清洗過(guò)的Si基底材料，先用H^04 : H202 = 4 : 1的溶液煮沸IO分鐘，再用 HF : H202 = 1:9的溶液浸泡20s 40s ; C、經(jīng)上述B步驟處理后的Si基底材料，先用NH30H : H202 : H20 = 1 : 1 : 4的 溶液煮沸10分鐘，再用HF : H202 = 1:9的溶液浸泡20s 40s ; D、經(jīng)上述C步驟處理后的Si基底材料，先用濃HN03煮沸3分鐘，再用HF : H202 = 1 : 9的溶液浸泡20s 40s ; E、經(jīng)上述D步驟處理后的Si基底材料，先用HCL : H202 : H20 = 3 : 1 : 1的溶
液煮沸5分鐘，再用HF : H20 = 1 : 20的溶液浸泡30s 60s。 所述離子束濺射通過(guò)下列具體方法自組織生長(zhǎng)單層Ge量子點(diǎn) A、將預(yù)處理的硅基底材料用高純氮?dú)獯蹈?，置于濺射室內(nèi)，待濺射室本底真空度
小于3. OX 10—乍a，調(diào)整溫度為700°C 80(TC，保持10min 30min ;然后向?yàn)R射室內(nèi)充入純度
為5N的Ar氣，調(diào)節(jié)壓強(qiáng)為2. OX 10—2Pa ; B、在溫度為700°C 800。C，束流為4mA 15mA，束流電壓為0. 5KV 1. 1KV，放電電壓 為70V 75V，加速電壓為100V 200V的條件下，濺射厚度為40nm 100nm的Si緩沖層；生長(zhǎng) 結(jié)束后原位保持10mirT30min，以提高緩沖層的結(jié)晶性和表面平整度；然后在60(TC 750°C 范圍內(nèi)生長(zhǎng)1. 0nm 2. 2nm的Ge層，最后保持5min 15min。 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有下列優(yōu)點(diǎn)和效果采用上述方案，即在低濺射速率和 高溫的條件下，通過(guò)成本低、工藝簡(jiǎn)單、易于產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的離子束濺射技術(shù)生長(zhǎng)出了高密 度、尺寸均勻、大高寬比、小尺寸的Ge量子點(diǎn)，有效解決了低溫和大濺射速率下制備的Ge量 子點(diǎn)尺寸均勻性差、可控性差、高寬比低、密度低的不足，是制備Ge量子點(diǎn)的一種簡(jiǎn)易而高 效的方法。


圖1、圖2為本發(fā)明實(shí)施例1所得樣品的AFM檢測(cè)結(jié)果圖；
圖3、圖4為本發(fā)明實(shí)施例2所得樣品的AFM檢測(cè)結(jié)果圖；
圖5、圖6為本發(fā)明實(shí)施例3所得樣品的AFM檢測(cè)結(jié)果圖。
具體實(shí)施例方式
下面通過(guò)實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步描述。
實(shí)施例1 : 所用設(shè)備為F幾560111型超高真空多靶磁控與離子束聯(lián)合濺射設(shè)備的離子束濺 射室，生長(zhǎng)室內(nèi)安置一個(gè)考夫曼離子槍。所用的靶材為5N(99.999X以上)的高純Ge方形 靶和高純硅方形靶，濺射氣體為5N(99.999X以上)的高純氬氣。所用的Si基底材料采用 晶向?yàn)?100)的N型單晶Si片，單面拋光，電阻率為0.001Q 'm 0.005Q *m。超聲清洗使 用市購(gòu)的超聲清洗器。具體步驟是
—、硅基底材料的處理 A、選擇晶向?yàn)?100)的Si基底材料，用甲苯、丙酮、無(wú)水乙醇分別依次清洗15分 鐘，除去基底表面有機(jī)物和無(wú)機(jī)物雜質(zhì)； B、將清洗過(guò)的Si基底材料，先用H^04 : H202 = 4 : 1的溶液煮沸IO分鐘，再用 HF : H202 = 1:9的溶液浸泡20s 40s ; C、經(jīng)上述B步驟處理后的Si基底材料，先用NH30H : H202 : H20 = 1 : 1 : 4的 溶液煮沸10分鐘，再用HF : H202 = 1:9的溶液浸泡20s 40s ; D、經(jīng)上述C步驟處理后的Si基底材料，先用濃HN03煮沸3分鐘，再用HF : H202 = 1 : 9的溶液浸泡20s 40s ; E、經(jīng)上述D步驟處理后的Si基底材料，先用HCL : H202 : H20 = 3 : 1 : 1的溶 液煮沸5分鐘，再用HF : H20 = 1 : 20的溶液浸泡30s 60s。
二、離子束濺射自組織生長(zhǎng)Ge量子點(diǎn) A、將預(yù)處理后的硅基底材料用高純氮?dú)獯蹈?，置于濺射室內(nèi)，待濺射室本底真空 度小于3. OX 10—乍a，調(diào)整溫度為70(TC后保持30min，向?yàn)R射室內(nèi)充入純度為5N的Ar氣， 使壓強(qiáng)為2. 0X10—2Pa ; B、在溫度為70(TC，束流為4mA，束流電壓為1. 1KV，放電電壓為72V，加速電壓為 150V，濺射速率為0. 015nm/s的條件下，濺射厚度為60nm的Si緩沖層。Si生長(zhǎng)結(jié)束后在 70(TC保持20min，然后在750。C下生長(zhǎng)2. 2nm的Ge層，最后保持5min。得到Ge量子點(diǎn)薄膜 材料。 本實(shí)施例1的樣品檢測(cè)結(jié)果如圖l和2所示，圖1為平面圖，圖2為立體圖。圖中Ge 量子點(diǎn)的平均直徑為53nm，平均高度為14nm，平均高寬比為0. 27，密度高達(dá)1. 7Xl(Tcm—、 此時(shí)Ge量子點(diǎn)的直徑較小而高度高，密度也較大。
實(shí)施例2 : 所用設(shè)備及材料均與實(shí)施例1相同。具體步驟是
—、硅基底材料的處理
與實(shí)施例l相同。 二、離子束濺射自組織生長(zhǎng)Ge量子點(diǎn) A、將預(yù)處理后的硅基底材料用高純氮?dú)獯蹈?，置于濺射室內(nèi)，待濺射室本底真空 度小于3. OX 10—乍a，調(diào)整溫度為80(TC后保持10min，向?yàn)R射室內(nèi)充入純度為5N的Ar氣， 使壓強(qiáng)為2. 0X10—2Pa ;
5
B、在溫度為80(TC，束流為6mA，束流電壓為0. 5KV，放電電壓為75V，加速電壓為 200V，濺射速率為0. 01nm/s的條件下，濺射厚度為40nm的Si緩沖層。Si生長(zhǎng)結(jié)束后在 80(TC保持10min，然后在60(TC下生長(zhǎng)1. 5nm的Ge層，最后保持10min。得到Ge量子點(diǎn)薄 膜材料。 本實(shí)施例2的樣品檢測(cè)結(jié)果如圖3和4所示，圖3為平面圖，圖4為立體圖。圖中Ge 量子點(diǎn)的平均直徑為63nm，平均高度為14. 6nm，平均高寬比為0. 23，密度為8. 6X109cm—、
實(shí)施例3 所用設(shè)備及材料均與實(shí)施例1相同。具體步驟是
—、硅(Si)基底材料的處理
與實(shí)施例l相同。 二、離子束濺射自組織生長(zhǎng)Ge量子點(diǎn) A、將預(yù)處理后的硅基底材料用高純氮?dú)獯蹈?，置于濺射室內(nèi)，待濺射室本底真空 度小于3. 0X 10—乍a，調(diào)整溫度為75(TC后保持20min，向?yàn)R射室內(nèi)充入純度為5N的Ar氣， 使壓強(qiáng)為2. 0X10—2Pa ; B、在溫度為75(TC，束流為15mA，束流電壓為0. 7KV，放電電壓為70V，加速電壓為 IOOV，濺射速率為0. 025nm/s的條件下，濺射厚度為100nm的Si緩沖層。Si生長(zhǎng)結(jié)束后在 75(TC保持20min，然后在70(TC下生長(zhǎng)1. Onm的Ge層，最后保持15min。得到Ge量子點(diǎn)薄 膜材料。 本實(shí)施例3的樣品檢測(cè)結(jié)果如圖5和6所示，圖5為平面圖，圖6為立體圖。圖中 Ge量子點(diǎn)的平均直徑為86nm，平均高度為25nm，密度為5. 1 X 109cm—、此時(shí)Ge量子點(diǎn)的直 徑相對(duì)較大，密度也較小。 從以上結(jié)果可以看出，采用離子束濺射技術(shù)，在高溫60(TC 75(TC和低濺射速率 0. 01nm/s 0. 025nm/s范圍內(nèi)，通過(guò)Ge層濺射量、生長(zhǎng)束流、束流電壓和溫度的調(diào)節(jié)，得到了 高密度，尺寸均勻，大高寬比、小尺寸的Ge量子點(diǎn)材料，而且樣品可控性、重復(fù)性比較理想， 因此本發(fā)明改進(jìn)和優(yōu)化了離子束濺射技術(shù)自組織生長(zhǎng)Ge量子點(diǎn)的方法。
權(quán)利要求
一種離子束濺射技術(shù)生長(zhǎng)高密度細(xì)小自組織Ge量子點(diǎn)的方法，采用離子束真空濺射技術(shù)，使用氬氣作為工作氣體，其特征在于在生長(zhǎng)溫度為600℃~800℃，工作室本底真空度小于3.0×10-4pa，束流電壓為0.5KV~1.1KV，生長(zhǎng)束流為4mA~15mA的條件下，在硅基底材料上生長(zhǎng)了一層Si緩沖層，然后自組織生長(zhǎng)單層Ge量子點(diǎn)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于所述離子束濺射通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)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。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述離子束濺射的其余工作條件是濺 射壓強(qiáng)為2. 0X10—乍a，加速電壓為100V 200V，放電電壓為70V 75V，濺射速率為0. Olnm/ s 0. 025nm/s。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于所述離子束濺射生長(zhǎng)過(guò)程為預(yù)先在 硅基底材料上濺射Si緩沖層，原位保持10mirT30min，然后再濺射Ge層，最后原位保持 5min 15min。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述離子束濺射生長(zhǎng)前，先調(diào)整溫度為 700°C 800。C，保持10min 30min。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述離子束濺射在溫度為700°C 800°C ，束 流為4mA 15mA，束流電壓為0. 5KV 1. 1KV的條件下，濺射厚度為40nm 100nm的Si緩沖層， 生長(zhǎng)結(jié)束后原位保持10min 30min。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述離子束濺射在溫度為600°C 750°C ，束 流為4mA 15mA，束流電壓為0. 5KV 1. 1KV的條件下，濺射厚度為1. 0nm 2. 2nm的Ge層，最后 保持&nin l&iiin。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用離子束濺射技術(shù)生長(zhǎng)高密度細(xì)小自組織Ge量子點(diǎn)的方法，屬半導(dǎo)體量子材料的制備技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明采用離子束真空濺射技術(shù)，使用氬氣作為工作氣體，在生長(zhǎng)溫度為600℃~800℃，工作室本底真空度小于3.0×10-4Pa，束流電壓為0.5kV~1.1kV，生長(zhǎng)束流為4mA~15mA的條件下，在硅基底材料上生長(zhǎng)了一層Si緩沖層，然后自組織生長(zhǎng)單層Ge量子點(diǎn)。該方法有效解決了低溫和大濺射速率下離子束濺射技術(shù)制備量子點(diǎn)材料存在的可控性差、高寬比低、需要多層生長(zhǎng)來(lái)調(diào)控量子點(diǎn)尺寸均勻性的不足，獲得了高密度、小尺寸、尺寸均勻、大高寬比的量子點(diǎn)材料，且生產(chǎn)成本低，可控性好，易于產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，因此是制備量子點(diǎn)的一種簡(jiǎn)易而高效的方法。
文檔編號(hào)H01S5/00GK101748374SQ200910163239
公開(kāi)日2010年6月23日 申請(qǐng)日期2009年12月25日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月25日
發(fā)明者張學(xué)貴, 李亮, 楊宇, 楊杰, 熊飛, 王茺 申請(qǐng)人:云南大學(xué)