一種Ge量子點(diǎn)的制備方法及其應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體量子點(diǎn)的制備方法，具體而言，是涉及一種小尺寸、高密度的Ge量子點(diǎn)的生長(zhǎng)方法及其應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002]石墨烯是一種由碳原子以SP2雜化軌道組成六角型呈蜂窩狀晶格的平面薄膜，由于在狄拉克點(diǎn)附近的線性能帶結(jié)構(gòu)色散和電子與空穴二者極高的載流子迀移率，石墨烯作為下一代半導(dǎo)體材料，引起了相當(dāng)多的關(guān)注。
[0003]量子點(diǎn)是準(zhǔn)零維的納米材料，由少量的原子構(gòu)成。粗略的講，量子點(diǎn)三個(gè)維度的尺寸都在10nm以下，對(duì)載流子在空間的三個(gè)方向均具有限制作用，使得它表現(xiàn)出許多獨(dú)特的光學(xué)和電學(xué)性質(zhì)，如量子限制效應(yīng)、量子隧穿效應(yīng)、庫(kù)倫阻塞效應(yīng)和量子干涉效應(yīng)等。利用這些性質(zhì)制作的新型功能器件在未來(lái)微電子和光電子應(yīng)用中將表現(xiàn)出重要作用。
[0004]然而現(xiàn)有的量子點(diǎn)的制備方法存在明顯的缺點(diǎn)，如基片的清洗工藝復(fù)雜、Ge量子點(diǎn)的形貌和尺寸均勻性差、自組裝性差等情況，這些缺點(diǎn)對(duì)量子點(diǎn)在后續(xù)的器件中的性能有很大的影響。
[0005]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明有如下優(yōu)點(diǎn):
(1)采用工業(yè)界通用的離子束濺射設(shè)備在以石墨烯層作為生長(zhǎng)界面來(lái)生長(zhǎng)Ge量子點(diǎn)，降低了 Ge量子點(diǎn)的生長(zhǎng)成本和技術(shù)要求，有利于量子點(diǎn)產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化。
[0006](2)由于石墨烯具有均勻的界面，以石墨烯作為Ge量子點(diǎn)的生長(zhǎng)界面，形成了形貌和均勻性較好的量子點(diǎn)。
[0007](3)石墨烯有良好的光電特性，Ge量子點(diǎn)的帶隙可調(diào)，二者結(jié)合所得的復(fù)合材料具有優(yōu)良的光電特性，對(duì)光電器件的制備有極大的研究?jī)r(jià)值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的在于提供一種自組織生長(zhǎng)Ge量子點(diǎn)的方法。所述的方法選用具有優(yōu)異光電性能的石墨烯作為襯底，在獲得生長(zhǎng)均勻，密度較大的Ge量子點(diǎn)的同時(shí)，簡(jiǎn)化了量子點(diǎn)的制備過(guò)程，提高了生長(zhǎng)效率、降低了生產(chǎn)成本，滿足工業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)。
[0009]本發(fā)明所述的Ge量子點(diǎn)的生長(zhǎng)方法通過(guò)下列技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):
(O提供一塊基底，清洗除去基底上的污染物；
(2)在清洗干凈的基底上轉(zhuǎn)移單層(1-10個(gè)單原子層)石墨烯層；
(3)在石墨稀層上在室溫下生長(zhǎng)1-1Onm厚度的Ge量子點(diǎn)。
[0010]所述的基底，本發(fā)明沒(méi)有特殊要求，可以為單層，選自晶態(tài)基底、玻璃態(tài)基底、金屬箔片中的一種；可以為多層，選自Si02/S1、InAs/GaAs、Si/Si02中的一種。
[0011]所述的石墨烯的轉(zhuǎn)移方法選自聚甲基丙烯酸甲酯轉(zhuǎn)移法、熱釋放膠帶轉(zhuǎn)移法、聚二甲基硅氧烷轉(zhuǎn)移法中的一種，優(yōu)選地，聚甲基丙烯酸甲酯轉(zhuǎn)移法。
[0012]所述的Ge量子點(diǎn)的生長(zhǎng)方法為分子束外延、化學(xué)氣相沉積、磁控濺射、離子束濺射、液相外延中的一種，優(yōu)選地，離子束派射。
[0013]所述的Ge量子點(diǎn)的制備方法，所生長(zhǎng)的Ge量子點(diǎn)的密度高、尺寸小。量子點(diǎn)密度為1.0XlO9Cm 2-1.0X10ncm2，量子點(diǎn)高度為Ι-lOnm，量子點(diǎn)底徑在1-1OOnm0
[0014]本發(fā)明采用上述方案，有效解決了常規(guī)技術(shù)制備量子點(diǎn)材料存在的生產(chǎn)成本高、工藝復(fù)雜、不利于大規(guī)模生產(chǎn)等不足，獲得了密度大、尺寸均勻性較高的量子點(diǎn)材料，滿足光電信息器件的應(yīng)用需求。
【附圖說(shuō)明】
[0015]圖1是本發(fā)明所述Ge量子點(diǎn)的生長(zhǎng)方法的流程示意圖；
圖2為本發(fā)明第一實(shí)施實(shí)例生長(zhǎng)的Ge量子點(diǎn)的AFM圖；
圖3為本發(fā)明第一實(shí)施實(shí)例提供的量子點(diǎn)發(fā)光器件的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0016]下面通過(guò)具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步描述，本領(lǐng)域的研究人員應(yīng)該明了，所述的實(shí)施例不能視為對(duì)本發(fā)明的具體限制。
[0017]實(shí)施例1
所用設(shè)備為現(xiàn)有技術(shù)的FJL560 III型超高真空磁控和離子束聯(lián)合濺射設(shè)備，在生長(zhǎng)室安置有離子束濺射槍。設(shè)備所用靶材為純度為5N (含量在99.999%以上)的高純Ge方塊形靶。濺射氣體用純度為5N的高純氬氣。超聲清洗使用市購(gòu)的超聲清洗器。具體是:用現(xiàn)有技術(shù)對(duì)基底Si02/Si進(jìn)行下列處理:
A.選定Si02/Si基底，先用丙酮超聲清洗lOmin，再用無(wú)水乙醇循環(huán)超聲清洗lOmin，丙酮、無(wú)水乙醇交替超聲清洗一次為一個(gè)周期，共洗2個(gè)周期，以除去表面的有機(jī)物、丙酮、無(wú)機(jī)雜質(zhì)離子；
B.將清洗過(guò)的基片放入H2SO4=H2O2混合溶液中，其中H2SO4=H2O2是按體積比為2:1的比例進(jìn)行混合，將基片放入混合溶液中浸泡15min，漂去基片表面的有機(jī)物、金屬離子。將清洗的基片用去離子水沖洗，再用純度為5N的氮?dú)獯蹈桑?br> C.將1X1規(guī)格的石墨烯轉(zhuǎn)移至B步驟處理過(guò)的基片上，放入濺射生長(zhǎng)室內(nèi)，抽真空至壓強(qiáng)小于3.0X 10 4Pa,向?yàn)R射生長(zhǎng)室內(nèi)充入純度為5N的Ar氣至真空度為2.0X 10 2Pa,在離子束流為7mA，束流電壓為IKV的條件下，濺射生長(zhǎng)厚度為0.8nm厚度的Ge量子點(diǎn)，Ge量子點(diǎn)的生長(zhǎng)速率為0.011nm/so
[0018]實(shí)施例2
所以設(shè)備和材料均與實(shí)施例1相同，具體是:
用現(xiàn)有技術(shù)對(duì)基底Si進(jìn)行下列處理:
A.選定Si基底，先用丙酮超聲清洗lOmin，再用無(wú)水乙醇循環(huán)超聲清洗lOmin，丙酮、無(wú)水乙醇交替超聲清洗一次為一個(gè)周期，共洗2個(gè)周期，以除去表面的有機(jī)物、丙酮、無(wú)機(jī)雜質(zhì)禺子;
B.將清洗過(guò)的基片放入H2SO4=H2O2混合溶液中，其中H2SO4=H2O2是按體積比為2:1的比例進(jìn)行混合，將基片放入混合溶液中浸泡15min，漂去基片表面的有機(jī)物、金屬離子。將清洗的基片用去離子水沖洗，再用純度為5N的氮?dú)獯蹈桑? C.將1X1規(guī)格的石墨烯轉(zhuǎn)移至B步驟處理過(guò)的基片上，放入濺射生長(zhǎng)室內(nèi)，抽真空至壓強(qiáng)小于3.0X 10 4Pa,向?yàn)R射生長(zhǎng)室內(nèi)充入純度為5N的Ar氣至真空度為2.4 X 10 2Pa,在離子束流為10mA，束流電壓為IKV的條件下，濺射生長(zhǎng)厚度為2.1nm厚度的Ge量子點(diǎn)，Ge量子點(diǎn)的生長(zhǎng)速率為0.021nm/so
[0019]實(shí)施例3
所以設(shè)備和材料均與實(shí)施例1相同，具體是:
用現(xiàn)有技術(shù)對(duì)基底Si02/Si進(jìn)行下列處理:
A.選定基底，先用丙酮超聲清洗15min，再用無(wú)水乙醇循環(huán)超聲清洗15min，丙酮、無(wú)水乙醇交替超聲清洗一次為一個(gè)周期，共洗2個(gè)周期，以除去表面的有機(jī)物、丙酮、無(wú)機(jī)雜質(zhì)禺子;
B.將清洗過(guò)的基片放入H2SO4=H2O2混合溶液中，其中H2SO4=H2O2是按體積比為2:1的比例進(jìn)行混合，將基片放入混合溶液中浸泡15min，漂去基片表面的有機(jī)物、金屬離子。將清洗的基片用去離子水沖洗，再用純度為5N的氮?dú)獯蹈桑?br> C.將1X1規(guī)格的石墨烯轉(zhuǎn)移至B步驟處理過(guò)的基片上，放入濺射生長(zhǎng)室內(nèi)，抽真空至壓強(qiáng)小于3.0X 10 4Pa,向?yàn)R射生長(zhǎng)室內(nèi)充入純度為5N的Ar氣至真空度為2.4 X 10 2Pa,在離子束流為10mA，束流電壓為IKV的條件下，濺射生長(zhǎng)厚度為3.7nm厚度的Ge量子點(diǎn)，Ge量子點(diǎn)的生長(zhǎng)速率為0.021nm/so
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種Ge量子點(diǎn)的制備方法，其特征在于量子點(diǎn)的生長(zhǎng)方法包括如下步驟: (O提供一塊基底，清洗除去基底上的污染物； (2)在清洗干凈的基底上轉(zhuǎn)移1-10個(gè)單原子層的石墨烯層； (3)在石墨稀層上在室溫下生長(zhǎng)1-1Onm厚度的Ge量子點(diǎn)。2.如權(quán)利要求1所述的一種Ge量子點(diǎn)的制備方法，其特征在于所述的基底為單層，選自晶體基底、玻璃態(tài)基底、金屬箔片中的一種。3.如權(quán)利要求1所述的一種Ge量子點(diǎn)的制備方法，其特征在于所述的基底為多層，選自 Si02/S1、InAs/GaAs、Si/Si02中的一種。4.如權(quán)利要求3所述的一種Ge量子點(diǎn)的制備方法，所選的基底為Si02/Si，清洗的步驟為:自來(lái)水超聲清洗10-20min，去離子水超聲清洗10_20min，乙醇超聲清洗10_20min，丙酮超聲清洗10-20min，且每次超聲前用去離子水沖洗3_5min，最后用H2SO4=H 202配比為2:1的混合溶液浸泡基片10-20min，最后，用去離子水沖洗3_5min，并用高純氮?dú)獯蹈伞?.如權(quán)利要求1所述的一種Ge量子點(diǎn)的制備方法，其特征在于所述轉(zhuǎn)移石墨烯層的方法為聚甲基丙烯酸甲酯轉(zhuǎn)移法、熱釋放膠帶轉(zhuǎn)移法、聚二甲基硅氧烷轉(zhuǎn)移法中的一種。6.如權(quán)利要求1所述的一種Ge量子點(diǎn)的制備方法，其特征在于生長(zhǎng)Ge量子點(diǎn)的方法為分子束外延、化學(xué)氣相沉積、磁控濺射、離子束濺射、液相外延中其中的一種。7.如權(quán)利要求1所述的一種Ge量子點(diǎn)的制備方法，其特征在于所述生長(zhǎng)Ge量子點(diǎn)的方法為離子束濺射沉積法，生長(zhǎng)Ge量子點(diǎn)是在室溫條件下進(jìn)行的，即實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，無(wú)需加熱，無(wú)需退火，試驗(yàn)參數(shù)為:生長(zhǎng)室內(nèi)本底真空小于3.0X 10 4Pa,工作氣體(Ar)壓強(qiáng)為1.0X10 2Pa - 5.0X10 2Pa的條件下，束流電壓為0.2KV-2KV，束流為5_15mA，Ge層的沉積速率為 0.0lnm/s-0.05nm/s。8.如權(quán)利要求1所述的一種Ge量子點(diǎn)的制備方法，其特征在于所述生長(zhǎng)的Ge量子點(diǎn)的密度為1.0X 109cm 2-l.0X10ncm2，量子點(diǎn)高度為Ι-lOnm，量子點(diǎn)底徑在10-100nm。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種Ge量子點(diǎn)的制備方法，該方法為室溫下直接在石墨烯上生長(zhǎng)Ge量子點(diǎn)。該方法提供了一種可以實(shí)現(xiàn)小尺寸、高密度Ge量子點(diǎn)的制備方法，無(wú)需后續(xù)退火等復(fù)雜工藝，簡(jiǎn)化了工藝流程。本發(fā)明利用了石墨烯與Ge量子點(diǎn)的低相容性，保證了Ge量子點(diǎn)的低基質(zhì)元素含量和低缺陷率；同時(shí)，通過(guò)石墨烯層的原子級(jí)平滑界面促進(jìn)了Ge量子點(diǎn)的自組織生長(zhǎng)，從而提高Ge量子點(diǎn)點(diǎn)陣密度和尺寸結(jié)構(gòu)。此外，本發(fā)明通過(guò)將Ge量子點(diǎn)帶隙可調(diào)的特性和石墨烯優(yōu)異的光電特性結(jié)合，有效地為高性能的光電探測(cè)器件奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。
【IPC分類】C30B23/02, C30B29/08
【公開(kāi)號(hào)】CN105088342
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510586028
【發(fā)明人】楊宇, 張 杰, 張璋, 張瑾, 王榮飛
【申請(qǐng)人】云南大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年11月25日
【申請(qǐng)日】2015年9月16日