專利名稱：一種鍺量子點的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種制備鍺(Ge)量子點的方法，尤其是涉及一種采用將具有硅鍺氧化物覆 蓋層的硅鍺(SiGe)合金層在真空腔體中高溫加熱脫氧來制備尺寸小、密度高、沒有SiGe浸 潤層的Ge量子點的方法。
背景技術(shù)：
Ge量子點對載流子在空間三個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)、庫侖阻塞效應(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微電子和光電子應(yīng)用中將具有重要作用，特別是基于量子隧穿效 應(yīng)的共振隧穿二極管和基于庫侖阻塞效應(yīng)的單電子器件等將在大規(guī)模集成電路上有著重要的 應(yīng)用前景。
傳統(tǒng)的制備Ge量子點的方法有1)在Si襯底上采用Stranski-Krastanow (S-K)模式來 實現(xiàn)Ge量子點的自組裝生長。在這種生長模式中，初始階段是二維平面生長，通常厚度只 有幾個原子層，稱為浸潤層。當(dāng)浸潤層厚度達(dá)到某一個臨界厚度時，外延生長就向三維島狀 生長過渡。這種方法的缺點是Ge量子點的分布是無序的，尺寸一般也都大于50nm，使得 Ge量子點的一些特性難以表現(xiàn)出來。除此之外，浸潤層的存在還會影響其在大規(guī)模集成電路 上的應(yīng)用(D. J. Eaglesham, M. Cerullo. Dislocation-free Stranski-Krastanow growth of Ge on Si(lOO)， Physical Review Letters, 64(16), 1943-1946 (1990); Y. W. Mo, D. E. Savage, B. S. Swartzentruber et al. Kinetic phthway'in Stranski-Krastanov growth of Ge on Si(OOl). Physical ReviewLetters. 65(8), 1020-1023(1990))。 2)采用光刻技術(shù)制備圖形襯底，然后在圖形襯底上 直接生長Ge量子點。在這種方法中，Ge量子點的位置可以根據(jù)襯底上的圖形進(jìn)行有序控制。 但是小尺寸的襯底圖形很難制備，成本較高，得到的Ge量子點尺寸較大，而且形成的Ge量 子點仍然具有浸潤層，同樣會影響器件的一些應(yīng)用(E. S. Kim， N. Usami, Y. Shiraki. Control of Ge dots in dimension and position by selective epitaxial growth and their optical properties. Applied Physics Letters" 72(13)， 1617-1619(1998); Z. Y. Zhong, A. Halilovic, H. Lichtenberger et al. Growth of Ge islands on prepatterned Si(OOl) substrate. Physica E, 23, 243-247(2004))。 3 )采用具 有失配位錯網(wǎng)絡(luò)的SiGe層作為圖形襯底在其上生長Ge量子點。這種方法仍然是基于上述圖 形襯底生長Ge量子點的思想，只是圖形襯底是依靠SiGe層產(chǎn)生的失配位錯網(wǎng)絡(luò)而得到。這
樣使得圖形襯底制備較簡單，但是失配位錯網(wǎng)絡(luò)引入了位錯，不利于制作光電子器件(S.Yu. Shiryaev, F. Jensen, J. Lundsgaard Hansen et al. Nanoscale structuring by misfit dislocation in Sii-xGex/Si epitaxial systems. Physical Review Letters. 78(3), 503-507(1997))。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對己有的Ge量子點尺寸較大、具有浸潤層、制作工藝復(fù)雜、成本 高等缺點，提供一種可實現(xiàn)小尺寸、高密度、沒有浸潤層的Ge量子點的制備方法。
本發(fā)明的技術(shù)方案是將SiGe合金層進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)清洗以后，在其表面形成一層薄的氧化物覆 蓋層。然后將具有氧化物覆蓋層的SiGe合金層放入真空腔體內(nèi)，用高溫進(jìn)行加熱去除表面氧 化物層。在加熱脫氧過程中，SiGe合金層表面便形成Ge量子點。
本發(fā)明包括以下步驟
1) 在"硅襯底"或"絕緣體上的硅襯底(SOI)"上，生長一層SiGe合金層，Ge組分大 于0，小于等于0.5;
2) 將SiGe合金層依次用3種清洗液中的至少一種進(jìn)行清洗，清洗后在SiGe合金層表面 形成一層氧化物層，氧化物為Si02和Ge02的混合物；
3) 將覆蓋有氧化物層的SiGe合金層放入真空腔體內(nèi)加熱脫氧，得Ge量子點。在此過 程中，發(fā)生如下反應(yīng)
Ge6>2+ 加熱>Ge(s)+ ffl92")
S/6>2 (s) + S/(s)^L^2siC>(g)個
氧化物中的Ge02與SiGe合金層中的Si原子發(fā)生反應(yīng)置換出Ge原子，Si02與SiGe中 的Si原子反應(yīng)生成SiO氣體揮發(fā)掉，留下的Ge原子覆蓋在SiGe合金層表面，通過原子遷移 聚集而形成Ge量子點。
生長一層SiGe合金層的方法可采用分子束外延或化學(xué)汽相淀積法。 3種清洗液分別為I號清洗液、II號清洗液和III號清洗液，I號清洗液為 NH4OH+H202+H20， II號清洗液為HC1+H202+H20， III號清洗液為H2S04+H202。 加熱溫度可大于等于脫氧溫度，小于SiGe的熔點(由SiGe合金相圖決定)。 與現(xiàn)有的Ge量子點的制備方法相比，本發(fā)明采用硅基或者SOI基SiGe合金層作初始材 料，材料外延生長方便。在SiGe層上通過標(biāo)準(zhǔn)清洗形成一層薄的氧化層，然后放入真空腔體 內(nèi)高溫加熱脫氧，脫氧后即可獲得小尺寸、高密度、沒有浸潤層的Ge量子點，具有低成本、 制作工藝簡單、與目前成熟的Si微電子工藝兼容等優(yōu)點。


圖l為本發(fā)明采用在真空腔體中高溫脫氧的方法制備Ge量子點的流程示意圖。 圖2為本發(fā)明采用在真空腔體中高溫脫氧的方法得到的Ge量子點的原子力顯微鏡測試 圖。在圖2中，橫坐標(biāo)為掃描范圍(nm2)，縱坐標(biāo)表示Ge量子點的高度(nm)，掃描范圍為 2x2pm2， Ge量子點的平均底寬為10nm，平均高度為3nm，密度為5X 101Qcm—3。
具體實施例方式
以下實施例將結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。 實施例1
圖1給出本發(fā)明采用在真空腔體中高溫脫氧的方法制備Ge量子點的流程示意圖。在圖1 中的標(biāo)號分別為①硅襯底；②硅緩沖層；③SiGe合金層，Ge組分大于0，小于等于0.5; 標(biāo)準(zhǔn)清洗后生成的氧化物覆蓋層，其厚度約為3nm;⑤脫氧后在SiGe薄膜表面形成的Ge量 子點。
在Si襯底上依次外延生長100nm的Si緩沖層和200nm的Sia94GeaG6合金層；依次采用
m號清洗液(按體積比，h2so4 : h2o2=4 : i)和n號清洗液(按體積比，hci : h2o2 : h2o=i :
1 : 4)清洗后，在SiGe合金層表面形成厚度約3rnn的氧化層；用氮?dú)獯蹈珊罅⒓捶湃胝婵?腔內(nèi)(本底真空壓強(qiáng)為2xl(T7Pa)，加熱到85(TC進(jìn)行高溫脫氧，在85(TC保持30min鐘后， 降溫取出樣品。得到的Ge量子點的原子力顯微鏡測試圖如圖2所示，Ge量子點的平均底寬 為10nm，平均高度為3nm，密度為5 X 101Qcm—3。 實施例2
與實施例1類似，其區(qū)別在于對SiGe合金的清洗方法只采用I號清洗液(NH4OH :
h2o2 : h2o=i :1:4)進(jìn)行清洗。
實施例3
與實施例1類似，其區(qū)別在于對SiGe合金的清洗方法只采用II號清洗液(HCI : H202 :
h2o=i :1:4)進(jìn)行清洗。
實施例4
與實施例1類似，其區(qū)別在于對SiGe合金的清洗方法只采用III號清洗液(H2S04 : H202=4 :1)進(jìn)行清洗。 實施例5
與實施例1類似，其區(qū)別在于對SiGe合金的清洗方法依次采用I號清洗液(NH4OH :
h2o2 : h2o=i :1:4)和ii號清洗液(hci : h2o2 : h2o=i :1:4)進(jìn)行清洗。
實施例6
與實施例1類似，其區(qū)別在于對SiGe合金的清洗方法依次采用I號清洗液(NH4OH :
h2o2 : h2o=i :1:4)和iii號清洗液(h2so4 :験=4 : i)進(jìn)行清洗。
實施例7
與實施例1類似，其區(qū)別在于對SiGe合金的清洗方法依次采用I號清洗液(NH4OH :
h2o2 : h2o=i :1:4)、 n號清洗液(nh4oh : h2o2 : h2o=i :1:4)和lll號清洗液(h2so4 : h202=4 : 1)進(jìn)行清洗。 實施例8
與實施例l類似，其區(qū)別在于SiGe合金中的Ge組分為0.1。 實施例9
與實施例l類似，其區(qū)別在于SiGe合金中的Ge組分為0.2。 實施例10
與實施例l類似，其區(qū)別在于SiGe合金中的Ge組分為0.3。 實施例11
與實施例l類似，其區(qū)別在于SiGe合金中的Ge組分為0.4。 實施例12
與實施例l類似，其區(qū)別在于SiGe合金中的Ge組分為0.5。 實施例13
與實施例l類似，其區(qū)別在于所采用的襯底為絕緣體上硅襯底(SOI)。 實施例14
與實施例i類似，其區(qū)別在于先采用n號清洗液清洗，然后再采用m號清洗液清洗。
實施例15
與實施例5類似，其區(qū)別在于對SiGe合金的清洗方法先采用II號清洗液清洗，然后再采 用I號清洗液清洗。 實施例16
與實施例6類似，其區(qū)別在于對SiGe合金的清洗方法先采用III號清洗液清洗，然后再采 用I號清洗液清洗。 實施例17
與實施例7類似，其區(qū)別在于對SiGe合金的清洗方法依次采用III號清洗液、II號清洗液、 和I號清洗液進(jìn)行清洗。
權(quán)利要求
1. 一種鍺量子點的制備方法，其特征在于包括以下步驟1)在硅襯底或絕緣體上的硅襯底上，生長一層SiGe合金層，Ge組分大于0，小于等于0.5；2)將SiGe合金層依次用3種清洗液中的至少一種進(jìn)行清洗，清洗后在SiGe合金層表面形成一層氧化物層，氧化物為SiO2和GeO2的混合物；3)將覆蓋有氧化物層的SiGe合金層放入真空腔體內(nèi)加熱脫氧，得Ge量子點。
2. 如權(quán)利要求1所述的一種鍺量子點的制備方法，其特征在于生長一層SiGe合金層的 方法采用分子束外延或化學(xué)汽相淀積法。
3. 如權(quán)利要求1所述的一種鍺量子點的制備方法，其特征在于3種清洗液分別為I號清洗液、n號清洗液和m號清洗液。
4. 如權(quán)利要求3所述的一種鍺量子點的制備方法，其特征在于I號清洗液為 NH4OH+H202+H20。
5. 如權(quán)利要求3所述的一種鍺量子點的制備方法，其特征在于n號清洗液為HC1+H202+H20。
6. 如權(quán)利要求3所述的一種鍺量子點的制備方法，其特征在于m號清洗液為H2S04+H202。
7. 如權(quán)利要求l所述的一種鍺量子點的制備方法，其特征在于加熱溫度大于等于脫氧溫 度，小于SiGe的熔點。
全文摘要
一種鍺量子點的制備方法，涉及一種制備鍺量子點的方法。提供一種可實現(xiàn)小尺寸、高密度、沒有浸潤層的Ge量子點的制備方法。在硅襯底或絕緣體上的硅襯底上，生長一層SiGe合金層，Ge組分大于0，小于等于0.5；將SiGe合金層依次用3種清洗液中的至少一種進(jìn)行清洗，清洗后在SiGe合金層表面形成一層氧化物層，氧化物為SiO₂和GeO₂的混合物；將覆蓋有氧化物層的SiGe合金層放入真空腔體內(nèi)加熱脫氧，得Ge量子點。加熱溫度可大于等于脫氧溫度，小于SiGe的熔點。
文檔編號B82B3/00GK101388324SQ20081007193
公開日2009年3月18日 申請日期2008年10月14日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月14日
發(fā)明者康俊勇, 廖凌宏, 永 張, 成 李, 賴虹凱, 陳松巖 申請人:廈門大學(xué)