CN101748374A - 用离子束溅射技术生长高密度细小自组织Ge量子点的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用离子束溅射技术生长高密度细小自组织Ge量子点的方法，属半导体量子材料的制备技术领域。本发明采用离子束真空溅射技术，使用氩气作为工作气体，在生长温度为600℃~800℃，工作室本底真空度小于3.0×10^-4Pa，束流电压为0.5kV~1.1kV，生长束流为4mA~15mA的条件下，在硅基底材料上生长了一层Si缓冲层，然后自组织生长单层Ge量子点。该方法有效解决了低温和大溅射速率下离子束溅射技术制备量子点材料存在的可控性差、高宽比低、需要多层生长来调控量子点尺寸均匀性的不足，获得了高密度、小尺寸、尺寸均匀、大高宽比的量子点材料，且生产成本低，可控性好，易于产业化生产，因此是制备量子点的一种简易而高效的方法。

Description

用离子束溅射技术生长高密度细小自组织Ge量子点的方法

技术领域

本发明涉及半导体量子材料的制备方法，特别是使用离子束溅射技术来自组织生长Ge量子点的方法。

背景技术

量子点又称人工原子，它是由数目有限的原子形成的纳米尺寸的晶粒。在量子点中，电子(或空穴)在空间三个方向上的运动均受到限制，其物理特性出现了许多不同于体材料和量子阱的新特点：即能级结构是类原子的分立结构，而且各个能级的简并度是有限的；由于多个电子(或空穴)被束缚在一个很小的尺度内，电子(或空穴)之间的库仑相互作用很强，库仑势的存在足以影响量子点的能级结构；在磁场作用下也会出现塞曼分裂的类原子现象；随量子点尺寸的减小将出现发光强度增强、发光位置蓝移的现象。而Si/Ge系统中利用层加岛模式(SK)自组织生长的Ge量子点，由于具有与硅基工艺兼容的巨大优势，有望成为未来纳米电子、光子器件的基础材料，应用前景广阔。

目前硅基Ge量子点自组织生长的方法主要有化学气相沉积(CVD)和分子束外延技术(MBE)，这两种技术已经把Ge量子点成功的应用到各种光电探测器中，但是由于制备量子点材料时，存在着生产成本高、工艺复杂、生产效率低的问题，不利于大规模产业化生产。本发明人的专利200610048900.9首次公开了一种低生长束流下离子束溅射技术自组织生长Ge量子点的方法，以成本低、易于产业化生产的离子束溅射技术，在生长束流为2mA~10mA，生长温度为室温～400℃，束流电压为0.2KV~1.5KV的条件下，生长了厚度小于80nm的Si层，厚度小于20nm的Ge层，一层Si和一层Ge构成一个周期，溅射周期数为5~50个周期的，最后生长量子点的Ge层为盖帽层，得到了直径为50nm~90nm，高度为2nm~10nm的Ge量子点。本发明人的另一专利200610048899.X公开了一种低温双离子束溅射Ge/Si多层膜自组织Ge量子点的制备方法，通过两个离子束溅射枪交替溅射生长Si和Ge多层膜，最后生长量子点的Ge层作为盖帽层，得到了直径为10nm~30nm，高度1nm~2nm的Ge量子点。

台湾人Chung Hung-chin(Formation of coherent Ge shallow dome islands on Siby ultra-high-vacuum ion beam sputter deposition.Appl.Phys.A，91，267)2008年报道了用离子束溅射技术在大沉积速率(8.2nm/min~9.1nm/min)和低温(400℃~550℃)下生长出Ge量子点，但是他们生长的Ge量子点尺寸均匀性差，密度仅为1.8×10⁹cm^-1。

经文献检索，未见与本发明相同的公开报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种成本低、工艺简单、易于产业化生产的用离子束溅射技术自组织生长Ge量子点方法，以获得高密度、小尺寸、大高宽比、尺寸均匀、可控性好的Ge量子点。

本发明通过下列技术方案实现：

一种用离子束溅射技术自组织生长高密度细小Ge量子点的方法，采用离子束真空溅射技术，使用氩气作为工作气体，在生长温度为600℃~800℃，工作室本底真空度小于3.0×10^-4Pa，束流电压为0.5KV~1.1KV，生长束流为4mA~15mA的条件下，在硅基底材料上生长了一层Si缓冲层，然后自组织生长单层Ge量子点。

所述离子束溅射通过转动高纯Ge靶材和高纯Si靶材的位置，在硅基底材料上溅射沉积Ge和Si薄膜。

所述离子束溅射的其余工作条件是：溅射压强为2.0×10^-2Pa，加速电压为100V~200V，放电电压为70V~75V，溅射速率为0.01nm/s~0.025nm/s。

所述离子束溅射生长过程为：预先在硅基底材料上溅射Si缓冲层，原位保持10min~30min，然后再溅射Ge层，最后原位保持5min~15min。

所述离子束溅射，预先用现有技术对硅基底材料进行处理：

A、选择晶向为(100)的Si基底材料，用甲苯、丙酮、无水乙醇分别依次清洗15分钟，除去基底表面有机物和无机物杂质；

B、将清洗过的Si基底材料，先用H₂SO₄∶H₂O₂＝4∶1的溶液煮沸10分钟，再用HF∶H₂O₂＝1∶9的溶液浸泡20s~40s；

C、经上述B步骤处理后的Si基底材料，先用NH₃OH∶H₂O₂∶H₂O＝1∶1∶4的溶液煮沸10分钟，再用HF∶H₂O₂＝1∶9的溶液浸泡20s~40s；

D、经上述C步骤处理后的Si基底材料，先用浓HNO₃煮沸3分钟，再用HF∶H₂O₂＝1∶9的溶液浸泡20s~40s；

E、经上述D步骤处理后的Si基底材料，先用HCL∶H₂O₂∶H₂O＝3∶1∶1的溶液煮沸5分钟，再用HF∶H₂O＝1∶20的溶液浸泡30s~60s。

所述离子束溅射通过下列具体方法自组织生长单层Ge量子点：

A、将预处理的硅基底材料用高纯氮气吹干，置于溅射室内，待溅射室本底真空度小于3.0×10^-4Pa，调整温度为700℃~800℃，保持10min~30min；然后向溅射室内充入纯度为5N的Ar气，调节压强为2.0×10^-2Pa；

B、在温度为700℃~800℃，束流为4mA~15mA，束流电压为0.5KV~1.1KV，放电电压为70V~75V，加速电压为100V~200V的条件下，溅射厚度为40nm~100nm的Si缓冲层；生长结束后原位保持10min~30min，以提高缓冲层的结晶性和表面平整度；然后在600℃~750℃范围内生长1.0nm~2.2nm的Ge层，最后保持5min~15min。

本发明与现有技术相比具有下列优点和效果：采用上述方案，即在低溅射速率和高温的条件下，通过成本低、工艺简单、易于产业化生产的离子束溅射技术生长出了高密度、尺寸均匀、大高宽比、小尺寸的Ge量子点，有效解决了低温和大溅射速率下制备的Ge量子点尺寸均匀性差、可控性差、高宽比低、密度低的不足，是制备Ge量子点的一种简易而高效的方法。

附图说明：

图1、图2为本发明实施例1所得样品的AFM检测结果图；

图3、图4为本发明实施例2所得样品的AFM检测结果图；

图5、图6为本发明实施例3所得样品的AFM检测结果图。

具体实施方式：

下面通过实施例对本发明做进一步描述。

实施例1：

所用设备为FJL560III型超高真空多靶磁控与离子束联合溅射设备的离子束溅射室，生长室内安置一个考夫曼离子枪。所用的靶材为5N(99.999％以上)的高纯Ge方形靶和高纯硅方形靶，溅射气体为5N(99.999％以上)的高纯氩气。所用的Si基底材料采用晶向为(100)的N型单晶Si片，单面抛光，电阻率为0.001Ω·m~0.005Ω·m。超声清洗使用市购的超声清洗器。具体步骤是：

一、硅基底材料的处理

A、选择晶向为(100)的Si基底材料，用甲苯、丙酮、无水乙醇分别依次清洗15分钟，除去基底表面有机物和无机物杂质；

B、将清洗过的Si基底材料，先用H₂SO₄∶H₂O₂＝4∶1的溶液煮沸10分钟，再用HF∶H₂O₂＝1∶9的溶液浸泡20s~40s；

C、经上述B步骤处理后的Si基底材料，先用NH₃OH∶H₂O₂∶H₂O＝1∶1∶4的溶液煮沸10分钟，再用HF∶H₂O₂＝1∶9的溶液浸泡20s~40s；

D、经上述C步骤处理后的Si基底材料，先用浓HNO₃煮沸3分钟，再用HF∶H₂O₂＝1∶9的溶液浸泡20s~40s；

E、经上述D步骤处理后的Si基底材料，先用HCL∶H₂O₂∶H₂O＝3∶1∶1的溶液煮沸5分钟，再用HF∶H₂O＝1∶20的溶液浸泡30s~60s。

二、离子束溅射自组织生长Ge量子点

A、将预处理后的硅基底材料用高纯氮气吹干，置于溅射室内，待溅射室本底真空度小于3.0×10^-4Pa，调整温度为700℃后保持30min，向溅射室内充入纯度为5N的Ar气，使压强为2.0×10^-2Pa；

B、在温度为700℃，束流为4mA，束流电压为1.1KV，放电电压为72V，加速电压为150V，溅射速率为0.015nm/s的条件下，溅射厚度为60nm的Si缓冲层。Si生长结束后在700℃保持20min，然后在750℃下生长2.2nm的Ge层，最后保持5min。得到Ge量子点薄膜材料。

本实施例1的样品检测结果如图1和2所示，图1为平面图，图2为立体图。图中Ge量子点的平均直径为53nm，平均高度为14nm，平均高宽比为0.27，密度高达1.7×10¹⁰cm^-1。此时Ge量子点的直径较小而高度高，密度也较大。

实施例2：

所用设备及材料均与实施例1相同。具体步骤是：

一、硅基底材料的处理：

与实施例1相同。

二、离子束溅射自组织生长Ge量子点

A、将预处理后的硅基底材料用高纯氮气吹干，置于溅射室内，待溅射室本底真空度小于3.0×10^-4Pa，调整温度为800℃后保持10min，向溅射室内充入纯度为5N的Ar气，使压强为2.0×10^-2Pa；

B、在温度为800℃，束流为6mA，束流电压为0.5KV，放电电压为75V，加速电压为200V，溅射速率为0.01nm/s的条件下，溅射厚度为40nm的Si缓冲层。Si生长结束后在800℃保持10min，然后在600℃下生长1.5nm的Ge层，最后保持10min。得到Ge量子点薄膜材料。

本实施例2的样品检测结果如图3和4所示，图3为平面图，图4为立体图。图中Ge量子点的平均直径为63nm，平均高度为14.6nm，平均高宽比为0.23，密度为8.6×10⁹cm^-1。

实施例3

所用设备及材料均与实施例1相同。具体步骤是：

一、硅(Si)基底材料的处理：

与实施例1相同。

二、离子束溅射自组织生长Ge量子点

A、将预处理后的硅基底材料用高纯氮气吹干，置于溅射室内，待溅射室本底真空度小于3.0×10^-4Pa，调整温度为750℃后保持20min，向溅射室内充入纯度为5N的Ar气，使压强为2.0×10^-2Pa；

B、在温度为750℃，束流为15mA，束流电压为0.7KV，放电电压为70V，加速电压为100V，溅射速率为0.025nm/s的条件下，溅射厚度为100nm的Si缓冲层。Si生长结束后在750℃保持20min，然后在700℃下生长1.0nm的Ge层，最后保持15min。得到Ge量子点薄膜材料。

本实施例3的样品检测结果如图5和6所示，图5为平面图，图6为立体图。图中Ge量子点的平均直径为86nm，平均高度为25nm，密度为5.1×10⁹cm^-1，此时Ge量子点的直径相对较大，密度也较小。

从以上结果可以看出，采用离子束溅射技术，在高温600℃~750℃和低溅射速率0.01nm/s~0.025nm/s范围内，通过Ge层溅射量、生长束流、束流电压和温度的调节，得到了高密度，尺寸均匀，大高宽比、小尺寸的Ge量子点材料，而且样品可控性、重复性比较理想，因此本发明改进和优化了离子束溅射技术自组织生长Ge量子点的方法。

Claims (7)

1.一种离子束溅射技术生长高密度细小自组织Ge量子点的方法，采用离子束真空溅射技术，使用氩气作为工作气体，其特征在于在生长温度为600℃~800℃，工作室本底真空度小于3.0×10^-4pa，束流电压为0.5KV~1.1KV，生长束流为4mA~15mA的条件下，在硅基底材料上生长了一层Si缓冲层，然后自组织生长单层Ge量子点。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述离子束溅射通过转动高纯Ge靶材和高纯Si靶材的位置，在硅基底材料上溅射沉积Ge和Si薄膜。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述离子束溅射的其余工作条件是：溅射压强为2.0×10^-2Pa，加速电压为100V~200V，放电电压为70V~75V，溅射速率为0.01nm/s~0.025nm/s。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述离子束溅射生长过程为：预先在硅基底材料上溅射Si缓冲层，原位保持10min~30min，然后再溅射Ge层，最后原位保持5min~15min。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述离子束溅射生长前，先调整温度为700℃~800℃，保持10min~30min。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述离子束溅射在温度为700℃~800℃，束流为4mA~15mA，束流电压为0.5KV~1.1KV的条件下，溅射厚度为40nm~100nm的Si缓冲层，生长结束后原位保持10min~30min。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述离子束溅射在温度为600℃~750℃，束流为4mA~15mA，束流电压为0.5KV~1.1KV的条件下，溅射厚度为1.0nm~2.2nm的Ge层，最后保持5min~15min。

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