專利名稱：在半導(dǎo)體襯底上制備均勻有序量子結(jié)構(gòu)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及到在半導(dǎo)體襯底上制備均勻有序量子結(jié)構(gòu)的方法。為在半導(dǎo)體上制備均勻有序的量子結(jié)構(gòu)提供了一種新的途徑。

背景技術(shù)：
低維結(jié)構(gòu)材料具有量子尺寸效應(yīng)、量子隧穿和庫侖阻塞效應(yīng)以及非線性光學效應(yīng)等特性，是新一代固態(tài)量子器件的基礎(chǔ)，在未來的納米電子學、光子學和新一代超大規(guī)模集成電路方面有重要的應(yīng)用前景。而且隨著維度的進一步降低，從理論上講一維量子線和量子點的性能比量子阱材料更具有優(yōu)越性，所以引起了人們更大的關(guān)注。高質(zhì)量的半導(dǎo)體量子結(jié)構(gòu)材料的制備是量子結(jié)構(gòu)器件和集成電路應(yīng)用的基礎(chǔ)，如何實現(xiàn)半導(dǎo)體量子結(jié)構(gòu)材料的形狀、尺寸、密度和空間分布的控制，一直是材料學家追求和關(guān)注的熱點。在圖形襯底上自組織外延生長量子結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)，可以有效的控制量子結(jié)構(gòu)的尺寸和位置。上世紀90年代，人們利用Stranski-Krastanow(SK)生長模式發(fā)展了應(yīng)變自組裝法制備量子結(jié)構(gòu)的新技術(shù)，即所謂的自下而上的制備技術(shù)。SK生長模式是異質(zhì)外延的一種模式，適用于晶格失配較大，但應(yīng)變外延層和襯底的界面能不是很大的異質(zhì)材料體系。方法簡單，而且不會引入雜質(zhì)污染或形成自由表面缺陷，因此是目前制備量子結(jié)構(gòu)材料最常用、最有效的方法。但由于量子結(jié)構(gòu)在浸潤層上的成核是無序的，故其尺寸、形狀、分布均勻性難以控制，量子結(jié)構(gòu)的定位生長更加困難。選擇具有周期性結(jié)構(gòu)的模板對量子結(jié)構(gòu)進行定位，結(jié)合離子注入和高溫退火，可以有望獲得有序的量子結(jié)構(gòu)材料，以改善材料的光學和電學性能。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提供一種在半導(dǎo)體襯底上制備均勻有序量子結(jié)構(gòu)的方法，在半導(dǎo)體上制備均勻有序的量子結(jié)構(gòu)，可以提高材料的性能。多孔的陽極氧化鋁通孔模板和離子注入結(jié)合為制備有序的量子結(jié)構(gòu)提供了一條很好的途徑。
本發(fā)明的技術(shù)方案 本發(fā)明一種在半導(dǎo)體襯底上制備均勻有序量子結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于，包含下列步驟 步驟1取一半導(dǎo)體襯底； 步驟2把制備好的均勻有序的陽極氧化鋁通孔模板放置在半導(dǎo)體襯底上； 步驟3將帶有陽極氧化鋁模板的半導(dǎo)體襯底進行離子注入； 步驟4剝離模板； 步驟5退火。
其中所述的半導(dǎo)體襯底是所有半導(dǎo)體襯底。
其中陽極氧化模板是尺寸均勻的氧化鋁通孔模板。
其中所述的離子是金屬離子。
其中退火包括在原位退火或在氮氣中快速退火。
其中退火溫度是200℃-1000℃，時間為5秒到2小時。
其中量子結(jié)構(gòu)包括注入的離子在半導(dǎo)體襯底中形成的量子結(jié)構(gòu)，以及注入離子與組分結(jié)合形成的量子結(jié)構(gòu)。
其中的離子注入包括高能離子注入和低能離子注入。
具有的意義 在半導(dǎo)體襯底上如何制備均勻有序的量子結(jié)構(gòu)一直是材料工作者研究的熱點問題。本發(fā)明在半導(dǎo)體襯底上制備均勻有序量子結(jié)構(gòu)的方法，不同于分子束生長技術(shù)，結(jié)合有序的模板和離子注入，工藝過程簡單，為制備均勻有序量子結(jié)構(gòu)提供了一條新的途徑。



為進一步說明本發(fā)明的具體技術(shù)內(nèi)容，以下結(jié)合實施例及附圖詳細說明如后，其中 圖1是在半導(dǎo)體襯底上制備均勻有序的量子結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)流程圖； 圖2是半導(dǎo)體襯底上陽極氧化鋁通孔模板的掃描電鏡平面圖； 圖3是樣品的原子力顯微鏡照片圖。

具體實施例方式 本發(fā)明的核心思想是在半導(dǎo)體襯底上放置均勻有序的陽極氧化鋁模板，然后進行大劑量離子注入，退火。在半導(dǎo)體襯底上獲得均勻有序的量子結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明在半導(dǎo)體襯底上制備一種均勻有序的量子結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)的方法，請參閱圖1所示 步驟1(S10)準備好清潔的半導(dǎo)體襯底和均勻有序的陽極氧化鋁模板； 步驟2(S20)把均勻有序的陽極氧化鋁模板放在半導(dǎo)體襯底上形成帶有掩模板的半導(dǎo)體襯底； 步驟3(S30)把帶有陽極氧化鋁模板的半導(dǎo)體襯底放入離子注入機，讓金屬離子垂直注入帶有陽極氧化鋁模板的半導(dǎo)體襯底； 步驟4(S40)離子注入后，在氫氧化納溶液中超聲波清洗去掉陽極氧化鋁模板； 步驟5(S50)在退火爐中進行退火，在半導(dǎo)體襯底表面形成均勻有序的nm結(jié)構(gòu)。
該方法的主要目的是利用掩模板在半導(dǎo)體襯底上進行選擇性注入，而沒有注入的區(qū)域不會受到影響。在離子注入的區(qū)域退火形成有序的納米結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明選用的是半導(dǎo)體襯底，該襯底是所有半導(dǎo)體材料。
本發(fā)明在襯底上進行大劑量的離子注入，其中的離子是指的金屬離子。
本發(fā)明選用的模板，是均勻有序的陽極氧化鋁通孔模板。其中氧化鋁納米孔模板的孔徑的可以從30到80nm變化，氧化鋁模板厚度要遠大于金屬離子在氧化鋁模板注入深度。
其中均勻有序的陽極氧化鋁通孔模板的作用是讓金屬離子選擇性注入，通過控制注入離子的數(shù)量和離子注入?yún)^(qū)域，讓注入的離子均勻有序分布半導(dǎo)體襯底里，達到制備均勻有序納米結(jié)構(gòu)的作用。
該方法可以通過調(diào)節(jié)陽極氧化鋁模板的孔徑和間距、調(diào)節(jié)離子注入的劑量和能量、退火的溫度和時間可以靈活的調(diào)節(jié)納米結(jié)構(gòu)的尺寸。
本發(fā)明在襯底上進行大劑量的離子注入，離子注入是采用高能離子注入，或采用低能離子注入，而且離子束要垂直于半導(dǎo)體襯底。
離子注入后，在氫氧化納溶液中超聲波清洗去掉陽極氧化鋁模板后退火，可以使用原位退火或者快速退火。退火溫度是從300℃-1000℃，時間為5秒到2小時。
離子注入后退火不僅能克服離子注入帶來的損傷而且能形成有序的納米結(jié)構(gòu)，納米結(jié)構(gòu)的形成是由于注入和退火過程中離子的擴散和聚集等機制形成的。
該方法克服了分子束外延、光刻以及其他化學處理帶來的弱點，如價格昂貴、復(fù)雜的工藝流程以及帶來污染，為制備均勻有序的納米結(jié)構(gòu)提供了一條新的途徑。
實施例 以N型GaAs(001)單晶片為襯底； 把均勻有序的陽極氧化鋁通孔模板放置在N型GaAs(001)單晶片上；其中氧化鋁納米孔模板的孔徑的為50nm，厚度為2μm(可以根據(jù)調(diào)節(jié)陽極氧化條件變化)。孔中心距離約為100nm。氧化鋁模板的平面掃描電鏡如圖2所示。
運用高能注入設(shè)備，注入溫度為室溫，離子注入劑量為5×1014/cm2。注入能量為80keV，注入的是銦離子； 按照注入離子的劑量和能量，可以計算出離子注入的平均射程為25nm，而氧化鋁模板的厚度為2μm，可以達到選擇性注入的目的。
剝離陽極氧化鋁模板，在3M/L的氫氧化納溶液中超聲波清洗20分鐘； 在650℃氮氣保護的條件下退火5秒，通過退火，形成納米團簇。納米團簇的直徑約為50nm，高度約為6nm，密度是1010/cm2，形成均勻有序的量子點結(jié)構(gòu)，樣品表面的原子力顯微鏡結(jié)構(gòu)如圖3所示。
實現(xiàn)發(fā)明的最好方式 1、實現(xiàn)發(fā)明的主要設(shè)備 離子注入設(shè)備 樣品的退火設(shè)備(帶有溫控系統(tǒng)的以及氣氛保護的快速退火爐或普通的退火爐) 2、根據(jù)樣品的實際情況，進行調(diào)整 半導(dǎo)體襯底上形成均勻有序的量子結(jié)構(gòu)與離子注入的種類、劑量、注入溫度、注入能量，以及退火溫度和時間息息相關(guān)。根據(jù)樣品的實際情況，進行調(diào)整。
權(quán)利要求
1.一種在半導(dǎo)體襯底上制備均勻有序量子結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于，包含下列步驟
步驟1取一半導(dǎo)體襯底；
步驟2把制備好的均勻有序的陽極氧化鋁通孔模板放置在半導(dǎo)體襯底上；
步驟3將帶有陽極氧化鋁模板的半導(dǎo)體襯底進行離子注入；
步驟4剝離模板；
步驟5退火。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在半導(dǎo)體襯底上制備均勻有序量子結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于，其中所述的半導(dǎo)體襯底是所有半導(dǎo)體襯底。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在半導(dǎo)體襯底上制備均勻有序量子結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于，其中陽極氧化模板是尺寸均勻的氧化鋁通孔模板。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在半導(dǎo)體襯底上制備均勻有序量子結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于，其中所述的離子是金屬離子。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在半導(dǎo)體襯底上制備均勻有序量子結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于，其中退火包括在原位退火或在氮氣中快速退火。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或5所述的在半導(dǎo)體襯底上制備均勻有序量子結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于，其中退火溫度是200℃-1000℃，時間為5秒到2小時。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在半導(dǎo)體襯底上制備均勻有序量子結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于，其中量子結(jié)構(gòu)包括注入的離子在半導(dǎo)體襯底中形成的量子結(jié)構(gòu)，以及注入離子與組分結(jié)合形成的量子結(jié)構(gòu)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在半導(dǎo)體襯底上制備均勻有序量子結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于，其中的離子注入包括高能離子注入和低能離子注入。
全文摘要
本發(fā)明一種在半導(dǎo)體襯底上制備均勻有序量子結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于，包含下列步驟步驟1取一半導(dǎo)體襯底；步驟2把制備好的均勻有序的陽極氧化鋁通孔模板放置在半導(dǎo)體襯底上；步驟3將帶有陽極氧化鋁模板的半導(dǎo)體襯底進行離子注入；步驟4剝離模板；步驟5退火。
文檔編號H01L21/02GK101211760SQ20061016975
公開日2008年7月2日 申請日期2006年12月28日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月28日
發(fā)明者周慧英, 曲勝春, 王占國 申請人:中國科學院半導(dǎo)體研究所