硅基底上濺射制備有序鍺量子點(diǎn)的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及半導(dǎo)體量子材料的制備方法，特別是在聚苯乙烯納米球刻蝕的硅基底 上利用離子束濺射技術(shù)來(lái)自組織生長(zhǎng)有序鍺量子點(diǎn)的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 量子點(diǎn)又稱(chēng)人工原子，是一種零維量子結(jié)構(gòu)，當(dāng)顆粒尺寸達(dá)到納米量級(jí)時(shí)，尺寸限 域?qū)⒁鸪叽缧?yīng)、量子限域、宏觀量子隧道效應(yīng)及表面效應(yīng)，這些獨(dú)特的量子效應(yīng)使量子 點(diǎn)材料被廣泛應(yīng)用于光電信息器件的研宄中。在過(guò)去的幾十年間，硅基量子點(diǎn)器件的研制 取得了驚人的進(jìn)展，以此為基礎(chǔ)的微電子產(chǎn)業(yè)迅速成長(zhǎng)為世界上規(guī)模最龐大、最具生命力 的產(chǎn)業(yè)之一。然而平基底上自組織生長(zhǎng)的量子點(diǎn)，它的空間分布無(wú)序，尺寸均勻性差，這將 使量子點(diǎn)材料的發(fā)光峰峰形展寬，強(qiáng)度降低，不利于量子點(diǎn)在器件領(lǐng)域的應(yīng)用。而硅基有序 量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)能夠使電子空穴對(duì)局域化，從而減小非輻射復(fù)合幾率，增大器件的發(fā)光效率。
[0003] 為了實(shí)現(xiàn)量子點(diǎn)的可控生長(zhǎng)，研宄人員提出了多種在具有有序分布的納米圖案 (坑或孔）結(jié)構(gòu)的基底上來(lái)實(shí)現(xiàn)其可控生長(zhǎng)的方法。常見(jiàn)的制備有序納米圖案結(jié)構(gòu)的方法 有聚焦離子束刻蝕（FIB)、電子束刻蝕（EBL)和X光全息光刻技術(shù)。這些制備方法的優(yōu)點(diǎn)是 精確性高，其空間分布和量子結(jié)構(gòu)的尺寸都易于精確控制，但是它的設(shè)備昂貴，工藝技術(shù)復(fù) 雜，生產(chǎn)成本高。
[0004] 利用納米球刻蝕（NSL)制備有序納米坑形圖案則是一種使用設(shè)備簡(jiǎn)單、工藝操作 方便、制作成本低廉的方法。清華大學(xué)的黃智鵬將納米球刻蝕技術(shù)和硅催化腐蝕技術(shù)結(jié) 合，在國(guó)際上第一次制備出有序分布的硅和硅鍺量子點(diǎn)陣；復(fù)旦大學(xué)陳培炫基于此方法使 用分子束外延技術(shù)已成功生長(zhǎng)出有序分布的硅鍺量子點(diǎn)。但是采用MBE或CVD技術(shù)來(lái)制 備有序分布的硅鍺量子點(diǎn)，存在生產(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 生產(chǎn)。IBSD技術(shù)在平硅基底上自組織生長(zhǎng)出了高密度的鍺量子點(diǎn)（本發(fā)明人的兩個(gè)專(zhuān)利： 200910163239.X、201010181934. 1)。但是，經(jīng)文獻(xiàn)檢索，未見(jiàn)在聚苯乙烯納米球刻蝕的硅基 底上使用IBSD技術(shù)自組織生長(zhǎng)有序分布鍺量子點(diǎn)的報(bào)道。本發(fā)明解決了離子束濺射技術(shù) 在平硅基底上自組織生長(zhǎng)的量子點(diǎn)材料呈無(wú)序分布的缺點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)離子束濺射沉積制備有 序鍺量子點(diǎn)的新方法，為研制高效量子點(diǎn)激光器乃至納米激光器帶來(lái)了希望。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于提供一種利用成本低、工藝簡(jiǎn)單、生產(chǎn)效率高并且易于產(chǎn)業(yè)化 的離子束濺射技術(shù)在聚苯乙烯納米球刻蝕的硅基底上自組織生長(zhǎng)出有序分布鍺量子點(diǎn)的 方法。
[0006] 本發(fā)明通過(guò)下列技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：首先采用聚苯乙烯納米球刻蝕技術(shù)在硅基底的 表面制備二維有序的六角納米坑形圖案，然后將其放入離子束濺射室內(nèi)，利用離子束濺 射技術(shù)，以高純度氬氣為工作氣體，在濺射室本底真空小于3.OX1(T4Pa，生長(zhǎng)溫度為400 °C~800 °C，放電電壓為70V~75V，束流電壓為0.5KV~1. 1KV，加速電壓為100V~200 V，生長(zhǎng)束流為4mA~15mA，濺射壓強(qiáng)為2.0X10_2Pa，濺射速率為0? 1A/s~0.25A/s條件 下，在圖案硅基底上生長(zhǎng)一層硅緩沖層，之后采取變溫生長(zhǎng)方式自組織生長(zhǎng)單層有序分布 的鍺量子點(diǎn)。
[0007] 所述技術(shù)方案包括兩個(gè)步驟：硅基底表面上二維有序六角納米坑形圖案的制備和 鍺量子點(diǎn)的定位生長(zhǎng)。
[0008] 所述二維有序六角納米坑形圖案的制備采用成熟的聚苯乙烯納米球刻蝕法，其制 備工藝流程圖如附圖1所示，具體步驟為： (1)、選擇晶向?yàn)椋?〇〇)的Si基底和普通的載玻片，用丙酮、酒精依次超聲振動(dòng)清洗 10min~15min，用去離子水沖洗2~3次；然后將它們用H2S04:H202=1:1的溶液煮沸10min ~20min，用去離子水沖洗2~3次；最后將Si基底用HF:H20=1:10的溶液浸泡20s~40s， 用去離子水沖洗2~3次。
[0009] ⑵、將聚苯乙烯納米球溶液和甲醇溶液按照體積比9:11的比例混合均勾，然后 用微量注射器將20yL~40yL混合溶液沿自組裝排列實(shí)驗(yàn)裝置中的載玻片緩慢流入去離 子水中；10min~20min后，用注射器將去離子水緩慢抽出，在實(shí)驗(yàn)裝置底部的硅基底上得 到二維六角緊密排列的單層聚苯乙烯納米球薄膜。
[0010](3)、將覆有聚苯乙烯納米球薄膜的Si基底放入離子濺射儀內(nèi)，在真空度為0. 1 Pa，功率為30mW的條件下濺射生長(zhǎng)Au薄膜，濺射時(shí)間為1min~2min;之后將Si基底取 出，室溫下放置在大氣中曝露1h~2h進(jìn)行氧化處理。
[0011] ⑷、利用Au對(duì)Si的催化氧化處理完成后，將Si基底放入四氫呋喃有機(jī)溶劑中 超聲振動(dòng)來(lái)去除其表面的聚苯乙稀納米球，時(shí)間為5min~15min。
[0012](5)、將上述Si基底放入濃度20 % (質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的K0H溶液中進(jìn)行刻蝕，時(shí)間為 2min~10min;然后將硅基底放入王水（HC1:HN03=3:1)溶液中，洗去其表面附著的Au，時(shí) 間為20min~40min;之后利用原子力顯微鏡即可在娃基底上觀察到二維有序的六角納米 坑形圖案。
[0013] 所述利用離子束濺射技術(shù)制備有序鍺量子點(diǎn)的方法，具體步驟為： (1) 、采用改進(jìn)的RCA清洗方法清洗經(jīng)聚苯乙烯納米球刻蝕后的硅基底； (2) 、清洗完成后將硅基底用高純氮?dú)獯蹈?，放入離子束濺射室內(nèi)，待濺射室本底真空 度小于3. 0X10-4Pa，調(diào)整溫度為700 °C~800 °C，保持10min~30min;然后向?yàn)R射室內(nèi) 充入純度為5N的氬氣作為工作氣體，調(diào)節(jié)壓強(qiáng)為2. 0X1(T2Pa; (3) 、在600 °C~800 °C，放電電壓為70V~75V，束流電壓為0.5KV~L1KV，加速 電壓為100V~200V，生長(zhǎng)束流為4mA~15mA，濺射速率為0. 1A/s~0.25A/s的條件下濺 射生長(zhǎng)50nm~70nm的Si緩沖層，生長(zhǎng)結(jié)束后原位保持10min~30min;然后在溫度400 °C~600 °C時(shí)濺射生長(zhǎng)5ML~10ML的Ge層，原位保持1min~5min;將溫度勻速升高100 °〇至500 °C~700 °C，再濺射生長(zhǎng)5ML~10ML的Ge層，最后原位保持1min~5min。 [0014] 本發(fā)明通過(guò)利用成本低、工藝簡(jiǎn)單、生產(chǎn)效率高并且易于產(chǎn)業(yè)化的離子束濺射技 術(shù)在聚苯乙烯納米球刻蝕的硅基底上自組織生長(zhǎng)出了有序分布的鍺量子點(diǎn)，有效解決了在 平硅襯底上利用離子束濺射技術(shù)自組織生長(zhǎng)的量子點(diǎn)材料呈無(wú)序分布的缺點(diǎn)，是制備有序 鍺量子點(diǎn)一種簡(jiǎn)易而高效的方法。
【附圖說(shuō)明】
[0015] 圖1為制備二維有序納米坑形圖案的工藝流程圖； 圖2為聚苯乙烯納米球進(jìn)行自組裝排列的實(shí)驗(yàn)裝置； 圖3為二維六角密排的單層聚苯乙烯納米球薄膜的SEM檢索結(jié)果圖； 圖4為二維有序納米坑形圖案的AFM檢索結(jié)果圖； 圖5為本發(fā)明實(shí)施例1所得樣品的AFM檢索結(jié)果圖； 圖6為本發(fā)明實(shí)施例2所得樣品的AFM檢索結(jié)果圖。
【具體實(shí)施方式】
[0016] 下面通過(guò)實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述。
[0017] 實(shí)施例1 : 所用濺射生長(zhǎng)設(shè)備為FJL560III型超高真空多靶磁控與離子束聯(lián)合濺射設(shè)備中的離子 束濺射室，生長(zhǎng)室內(nèi)安置一個(gè)考夫曼離子槍?zhuān)凰冒胁臑?N(99. 999%)的高純Ge方形靶和 高純Si方形靶，濺射氣體為5N(99. 999%)的高純氬氣；所用濺