CN100370579C - 量子点形成方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种量子点形成方法。该量子点形成方法其包括以下步骤：首先，在一基底上形成一金属薄膜；采用原子力显微探针在上述金属薄膜上形成一纳米孔洞结构；然后，在上述具有纳米孔洞结构的金属薄膜上沉积一第二膜层；最终，去除上述金属薄膜及位于金属薄膜上的第二膜层，进而在上述基底上获得一量子点。本发明所提供的量子点形成方法，是通过原子力显微探针首先形成预定尺寸的纳米孔洞结构，且由于金属具有有限的热膨胀系数，因此对设计的量子点尺寸可以有效控制。此外，本量子点形成方法可避免大量表面能态的产生。

Description

量子点形成方法

【技术领域】

本发明涉及一种半导体器件制作方法，尤指一种量子点形成方法。

【背景技术】

量子点(Quantum Dot，简称QD)是一种零维自由的量子结构(ZeroDimensional Quantum Structures)，其在各个方向的尺寸大小均在10nm左右。当颗粒尺寸达到纳米量级时，尺寸限域将引起尺寸效应、量子限域、宏观量子隧道效应及表面效应。因此，量子点展现出许多不同于宏观材料的物理及化学性质。

近年来，半导体量子点发展出许多用途，例如高性能单电子器件、生物医学器件、传感及探测器件、光学器件等，已经引起广泛的讨论及研究。

目前，大多利用量子阱(Quantum Well)结构进一步形成量子点结构。例如，美国专利第5,229,332号及美国专利第6,730,531号，其利用一基底或磊晶成长一量子阱薄膜结构后，再以各种不同的光罩制版及蚀刻技术，在量子阱薄膜上形成量子点。然而，这些方法会产生许多表面能态(Surface State)。这些表面能态将成为非发光的结合中心(Non-radiative RecombinationCenter)的主要来源，进而使得量子点的光学性质变差，例如，目前的量子点的发光强度较量子阱结构低，且其光学能态宽度也多半比量子阱结构宽。因此，有必要避免在量子点制备过程中产生大量的表面能态，从而改善量子点结构的光学性能。

目前可避免在量子点结构制备过程中产生大量表面能态的量子点形成方法，可参阅美国专利第5,482,890号。其在基板上形成一量子阱薄膜；利用分子束磊晶(MBE)等方法，在上述量子阱薄膜上形成厚度为0.5原子层厚度的掩模层(Masking Layer)，该掩模层的活化能大于上述量子阱薄膜的活化能，且成长的厚度为0.5原子层厚度，因此上述掩模层无法均匀覆盖住上述量子阱薄膜，而形成点状覆盖的情形；然后利用热蚀刻(Thermal Etching)将未被上述掩模层覆盖的量子阱薄膜蒸发，进而形成量子点。

由于上述过程未使用光罩制版及蚀刻的方式，故可避免表面能态的大量产生。但是，上述制程中是采用热蚀刻方法将未被掩模层覆盖的量子阱薄膜中的原子蒸发掉而形成量子点；因此，量子点的尺寸可控性较差，从而导致难以获得预定尺寸的量子点。

而在实际应用中，量子点的物理及化学性质的尺寸依赖性及成分依赖性较大；例如，由于量子限域效应的存在，不同尺寸的量子点具有不同的发光特性。

有鉴于此，有必要提供一量子点形成方法，以解决目前量子点制程中量子点尺寸可控性差、产生大量表面能态的不足。

【发明内容】

为解决先前技术中量子点制程中量子点尺寸可控性差、产生大量表面能态的不足；本发明提供一量子点形成方法，在量子点形成过程中，量子点尺寸可控性好，且可避免大量表面能态的产生。

为实现本发明的目的，本发明提供量子点形成方法，包括以下步骤：

首先，在一基底(Substrate)上形成一金属薄膜；

然后，采用原子力显微探针(Atomic Force Microscopy Probe)在上述金属薄膜上形成一纳米孔洞结构；

在上述具有纳米孔洞结构的金属薄膜上形成一第二膜层；

去除上述金属薄膜及位于金属薄膜上的第二膜层，以在上述基底上获得一量子点。

上述基底的材质包括半导体材料。

上述第二膜层的材质包括半导体材料。

所述金属薄膜包括金、铝或铜薄膜。

上述原子力显微探针包括硅探针、氮化硅探针及碳纳米管(CarbonNanotube)探针。

相对于现有技术，本发明所提供的量子点形成方法，通过原子力显微探针形成预定尺寸的纳米孔洞结构，无须光罩制版，可避免大量表面能态的产生；且在其上形成纳米孔洞结构的金属薄膜具有有限的热膨胀系数，纳米孔洞结构在高温沉积过程中尺寸不变，进而可获得预定尺寸的量子点；因此所获得的量子点的尺寸可控性好；并且，可以通过更换大小不同的探针以改变量子点的尺寸。

【附图说明】

图1～图4是相关本发明实施例的量子点形成的流程示意图。

【具体实施方式】

下面结合附图将对本发明作进一步的详细说明。

参见图1～图4，本发明所提供的量子点形成方法，包括以下步骤：

首先，提供一半导体材料基底1(例如硅、锗、砷化镓、氮化铟镓、氮化镓、氮化铟，本实施例采用硅)，在基底1上溅镀一金属薄膜2，金属薄膜2具有有限的热膨胀系数、耐高温，本实施例采用金(Au)薄膜；该金属薄膜2的厚度不大于原子力显微探针4的长度。金属薄膜2的形成可通过在高真空室内充入氩气，气体在高电场作用下，形成高能量离子流，轰击金靶，使金分子高速溅射到硅片上，沉积成金属薄膜2。

然后，采用原子力显微探针在上述金属薄膜2上压印形成纳米孔洞结构21。由于原子力显微探针4具有高长径比(aspect ratio)的结构，其针尖达到纳米级，且探针具有较高的机械强度；故，其可于上述金属薄膜2上形成纳米孔洞结构21。当所需量子点粒径大小为20nm～40nm时，可以采用硅探针或氮化硅(Si3N4)探针；若所需量子点粒径大小为2nm～20nm时，则采用碳纳米管探针；碳纳米管的尖端半径约数纳米，长度又可达到数微米，具有相当高的长径比，加上其优异的机械与曲饶特性，即使弯曲90°以上也不会折断，所以利用碳纳米管作为原子力显微探针，不仅耐用，而且可大大增加分辨率。

将上述硅基底1及其上的具有纳米孔洞结构21的金属薄膜2置于一真空腔(图中未示出)内，采用有机金属化学气相沉积(Metal Organic ChemicalVapor Deposition，简称MOCVD)法在上述具有纳米孔洞结构21的金属薄膜2上沉积一第二膜层3(为半导体材料，本实施例采用氮化镓)，即在纳米孔洞结构中生长出量子点31。有机金属化学气相沉积过程的温度控制在500℃～600℃左右，第二膜层3的厚度可通过沉积时间长短来控制；由于金具有较小的热膨胀系数，因此纳米孔洞结构21尺寸没有变化；而纳米孔洞结构21内形成的量子点31的尺寸大小完全由纳米孔洞结构21决定，因此可获得与预定尺寸的量子点31。

采用标准半导体制程(Standard Semiconductor Process)将金属薄膜2及位于金属薄膜2之上的第二膜层以蚀刻方式(例如，湿式蚀刻)去除，最终在硅基底1上获得所需量子点31(如图4所示)。

另一实施例中，所述第二膜层包括硅、锗、砷化镓、氮化铟镓或氮化铟。

另一实施例中，所述金属薄膜包括铝薄膜或铜薄膜。

另一实施例中，在同一基底上通过更换尺寸不同的原子力显微探针在金属薄膜上形成尺寸不同的纳米孔洞结构，进而在同一基底上获取尺寸不同的量子点。

另外，本领域技术人员还可在本发明精神内做其它变化，如采用其它方法在基底上形成金属薄膜、采用其它方法在基底上生长量子点、采用其它基底材质及量子点材质等设计。当然，这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围之内。

Claims (12)

1.一种量子点形成方法，包括下列步骤：在一基底上形成一金属薄膜；采用原子力显微探针在上述金属薄膜上形成一纳米孔洞结构；在上述具有纳米孔洞结构的金属薄膜上形成一第二膜层；去除上述金属薄膜及位于金属薄膜之上的第二膜层，进而在上述基底上获得一量子点。

2.如权利要求1所述的量子点形成方法，其特征在于所述基底包括半导体材料。

3.如权利要求1所述的量子点形成方法，其特征在于所述金属薄膜包括金、铝或铜薄膜。

4.如权利要求1所述的量子点形成方法，其特征在于所述第二膜层的材质包括半导体材料。

5.如权利要求2或4所述的量子点形成方法，其特征在于所述半导体材料包括硅、锗、砷化镓、氮化铟、氮化铟镓或氮化镓。

6.如权利要求1所述的量子点形成方法，其特征在于所述原子力显微探针包括硅探针或氮化硅探针。

7.如权利要求6所述的量子点形成方法，其特征在于所述量子点粒径大小为20nm～40nm。

8.如权利要求1所述的量子点形成方法，其特征在于所述原子力显微探针包括碳纳米管探针。

9.如权利要求8所述的量子点形成方法，其特征在于所述量子点粒径大小为2nm～20nm。

10.如权利要求1所述的量子点形成方法，其特征在于所述金属薄膜通过溅镀法形成。

11.如权利要求1所述的量子点形成方法，其特征在于所述第二膜层通过化学气相沉积法形成。

12.如权利要求1所述的量子点形成方法，其特征在于所述金属薄膜及位于金属薄膜之上的第二膜层通过蚀刻去除。