CN112366521B - 一种在平面超晶格纳米线上组装量子点激光器的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种在平面超晶格纳米线上组装量子点激光器的方法，包括在刻蚀后的超晶格纳米线上，通过旋涂量子点溶液，烘干后得到嵌入量子点的超晶格纳米线；利用紫外光或者红外光照射嵌入超晶格纳米线上的量子点后量子点发光，超晶格结构两端的硅纳米线作为光波导，利用纳米线导波效应定位传输量子点光信号，测试超晶格结构的纳米线对光的收集和传输效果。

Description

一种在平面超晶格纳米线上组装量子点激光器的方法
技术领域
本发明涉及一种在平面超晶格纳米线上组装量子点激光器的方法，属于半导体器件技术领域。
背景技术
半导体纳米线是开发新一代高性能微纳电子逻辑、传感和显示应用的关键构建单元。为了更好地与平面电子工艺相兼容，并实现定位集成，本申请发明人提出了一种基于异质叠层非晶薄膜供给的平面锗硅及相关纳米线生长形貌和组分调控的方法：其中，采用复合叠层非晶硅和非晶锗层作为前驱体供给层，由低熔点金属铟、锡纳米颗粒吸收非晶层在平面衬底上直接生长锗硅异质自嵌套纳米线结构，自发实现岛链形貌调控和硅锗“相分离”。
同时，量子点基于自身尺寸导致的量子效应，展现出许多不同于宏观体材料的物理化学性质，在非线形光学、磁介质、催化、医药及功能材料等方面具有极为广阔的应用前景，同时将对生命科学和信息技术的持续发展以及物质领域的基础研究发生深刻的影响。目前常用的化学溶液生长法制备的胶状量子点具有制作成本低，产率大，发光效率高（尤其是在可见光和紫外光波段）等优点。但是这种方法制备的胶体量子点无法准确定位，需要借助扫描探针。能否结合量子点与平面纳米线各自的优势，在硅基纳米线上准确定位组装量子点光源，开发新应用是本课题主要研究内容。
发明内容
发明目的：针对现有技术中存在的问题与不足，本发明通过分区淀积叠层非晶锗硅前驱体生长出可精确定位的分区超晶格纳米线，并选择性刻蚀纳米线超晶格结构区域的晶体锗；然后在旋涂量子点，即可把量子点嵌入纳米线上锗硅超晶格区域。这种方法有机结合了胶体量子点与平面锗硅超晶格纳米线的优势，一方面可以准确定位量子点光源的位置，另一方面可以通过纳米线做光波导把量子点的发光传导出来。
技术方案：一种在平面超晶格纳米线上组装量子点激光器的方法，其特征在于，包括以下几个步骤：
1）利用PECVD或者PVD工艺在衬底材料上淀积一层200~1000nm厚的绝缘介质层；
2）利用光刻、电子束直写或者掩膜板技术定义引导台阶图案，利用电感耦合等离子体刻蚀ICP或者反应离子体刻蚀工艺RIE，通入SF6、C4F8、CF4或者Ar对光刻胶掩膜层暴露的绝缘介质层进行刻蚀形成垂直台阶侧壁；
3）在刻蚀的引导台阶一端，通过光刻、热蒸发工艺或者溅射工艺，垂直于引导台阶长度方向局部淀积一层厚度为20~100nm的带状催化金属层；在PECVD中升温至催化金属层熔点以上，通入还原性气体等离子体进行处理，使覆盖在所述引导台阶一端的带状催化金属层转变为分离的金属纳米颗粒；
4）将温度降低到金属纳米颗粒熔点以下，在整个样品结构表面先淀积一层非晶锗，利用电感耦合等离子体刻蚀ICP或者反应离子体刻蚀工艺RIE在引导台阶的特定区域留下非晶锗区域，然后在整个衬底表面淀积一层非晶硅作为前驱体薄膜层；
5）在真空或者惰性气体保护的环境中，将温度升高至催化金属熔点以上，使得金属纳米颗粒重新熔化，在其前端开始吸收非晶层，后端析出晶态的纳米线；所述晶态的纳米线借助引导台阶作为引导沟道平行生长，获得平行生长于引导台阶的可精确定位的局部有锗硅超晶格结构的纳米线阵列；
6）先使用氨水清除剩余的非晶层前驱体薄膜层，再通过电感耦合等离子体刻蚀ICP或者反应离子体刻蚀工艺RIE，通入CF4刻蚀锗硅超晶格结构的纳米线；
7）在刻蚀后的超晶格纳米线上，通过旋涂量子点溶液，烘干后得到嵌入量子点的超晶格纳米线；
8）利用紫外光或者红外光照射嵌入超晶格纳米线上的量子点后量子点发光，超晶格结构两端的硅纳米线作为光波导，利用纳米线导波效应定位传输量子点光信号，测试超晶格结构的纳米线对光的收集和传输效果。
本发明进一步限定的技术方案为：所述步骤1）中，所述的衬底材料为晶硅、玻璃、铝箔、氮化硅、氧化硅、碳化硅、蓝宝石、聚酰亚胺或者聚对苯二甲酸类塑料。
进一步的，所述步骤1）中，所述绝缘介质层的厚度为200~600nm。
进一步的，所述步骤4）衬底上的所述特定区域处的前驱体薄膜层为非晶硅(a-Si)和非晶锗(a-Ge)的异质叠层结构，其他区域为单层的非晶硅。
进一步的，在所述引导台阶上，每层前驱体薄膜层的覆盖厚度在2~500nm之间。
进一步的，所述步骤7）中的量子点尺寸在2~20nm之间。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1）利用IPSLS生长技术，在刻蚀好引导台阶的衬底上，通过分区淀积叠层非晶层就可以生长出锗硅超晶格纳米线阵列。
2）通过加热的氨水就可以去除纳米线周围多余的非晶层，在RIE中通入CF4就可以选择性的刻蚀锗硅超晶格纳米线上的晶体锗，通过控制时间即可控制刻蚀程度；
3）经过选择性刻蚀处理后的超晶格纳米线上会留下可以捕获量子点的“陷阱”，只需要把量子点溶液旋涂到衬底上，烘干挥发掉溶剂后即可成功把量子点嵌入到超晶格纳米线中。
4）本发明在平面超晶格纳米线上组装量子点激光器的方法，扩展了制备硅基光源的新思路，扩展了量子点的应用范围，在未来的纳米电子学、光电子学和新一代超大规模集成电路等生物探测，医疗诊断方面有着极其重要的应用前景。
附图说明
图1是实施例1在平面超晶格纳米线上组装量子点激光器的制备流程示意图；
图2是实施例1在平面超晶格纳米线上组装量子点激光器的SEM示意图；
其中，图1(a)衬底预处理示意图；图1(b)在衬底上淀积一层介质层示意图；图1(c)为刻蚀绝缘介质层形成垂直引导台阶示意图；图1(d)为引导台阶一端淀积条带状催化金属层示意图；图1(e)为氢等离子体处理形成催化金属液滴示意图；图1(f)为覆盖非晶锗薄膜示意图；图1(g)为光刻和RIE处理非晶锗层示意图；图1(h)为覆盖非晶硅薄膜示意图；图1(i)为生长出有超晶格结构的纳米线阵列示意图；图1(j)为氨水去除非晶层、RIE选择性刻蚀超晶格纳米线中的晶体锗示意图；图1(k)为纳米线上的超晶格结构区域嵌入量子点示意图；图1(l)为超晶格结构两端的硅纳米线传导量子点的光信号示意图；图2(a)是未刻蚀的锗硅超晶格纳米线SEM示意图；图2(b)是刻蚀后的超晶格纳米线SEM示意图；图2(c)是嵌入量子点后的超晶格纳米线SEM示意图；图2(d)是图2(c)的局部放大图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明。
如图1所示，本实施例提供一种在平面超晶格纳米线上组装量子点激光器的方法，具体包括以下几个步骤：
1）对衬底材料进行预处理后沉积一层绝缘介质
如图1(a)、图1（b）所示：本实施例中的衬底可以为晶硅、玻璃、铝箔、氮化硅、氧化硅、碳化硅、蓝宝石、PI（聚酰亚胺）或者PET（聚对苯二甲酸类塑料），利用PECVD或者PVD工艺淀积一层200~1000nm厚的绝缘介质层。
作为优选，本实施例淀积一层200~600nm厚的绝缘介质层，绝缘介质层的材料为氧化硅或者氮化硅。
）刻蚀绝缘介质层形成垂直引导台阶
如图1(c)所示，利用光刻、电子束直写或者掩膜板技术定义引导台阶，利用电感耦合等离子体（ICP）刻蚀或者反应离子体刻蚀（RIE）工艺刻蚀介质层形成垂直台阶侧壁；刻蚀厚度不能超过绝缘介质层的厚度。
）淀积一条带状催化金属层
如图1(d)所示，在引导台阶的一端通过光刻、热蒸发工艺或者溅射工艺，垂直于引导台阶的长度方向局部淀积一层厚度为20~100nm的带状催化金属层；然后把样品放到PECVD中，升高温度至催化金属层熔点以上，通入氢气、氨气等还原性气体等离子体进行处理，使覆盖在引导台阶一端的带状催化金属层转变为分离的金属纳米颗粒，如图1（e）所示。
作为优选，本实施例中的催化金属为铟。
）异质叠层结构的制备
如图1（f）、图1（g）及图1（h）所示：将温度降低到金属纳米颗粒熔点以下，在整个样品结构表面淀积非晶锗，然后从PECVD中取出做光刻，光刻胶保护与引导沟道垂直的特定区域的非晶锗，接着在ICP或RIE中通入CF4刻蚀暴露出的非晶锗，经过liftoff去除光刻胶后，在引导沟道上特定区域留下了非晶锗(α-Ge)，然后再放入PECVD中在整个表面淀积一层非晶硅(α-Si)。这样在引导沟道上特定区域处形成的前驱体薄膜层为异质叠层（a-Ge/a-Si）结构，其他部分是单层非晶硅薄膜层。
作为优选，在引导台阶上，异质叠层结构或者单层非晶硅薄膜的覆盖厚度分别在2~500nm之间。
）制备锗硅超晶格纳米线
如图1（i）所示：在真空或者惰性气体保护的环境中，将温度升高至催化金属熔点以上，使得金属纳米颗粒重新熔化，在其前端开始吸收非晶层，而在后端淀积出晶态的纳米线；借助引导台阶，获得平行生长于引导台阶上的锗硅超晶格纳米线，如图2(a)；
6）选择性刻蚀锗硅超晶格纳米线中的晶体锗
如图1（j）所示：利用氢气等离子体、ICP或者RIE干法刻蚀工艺清除或碱性溶液湿法刻蚀剩余的非晶态前驱体薄膜层。
由于引导台阶生长的纳米线直径大于台阶上剩余非晶薄膜前驱体层的厚度，通常直径是薄膜厚度的2~3倍，且在ICP，RIE刻蚀工艺中，在对非晶层的刻蚀时会对晶态纳米线也会用刻蚀作用，对纳米线的损伤较大，而碱性溶液对晶态纳米线损伤较小，因此首先使用浓度为2.5%氨水，加热情况下(100℃以下)选择性的刻蚀非晶层，然后在ICP或RIE中通入CF4，控制刻蚀时间(不超过10min)就可以选择性的刻蚀超晶格纳米线上的晶态锗，留下可以捕获量子点的“陷阱”，如图2(b)所示。
）在超晶格纳米线上的超晶格结构区域嵌入量子点
如图1(k)所示：把适量的量子点溶液旋涂在带有超晶格结构的纳米线的衬底上，在热台上加热挥发掉溶剂即可。这里使用的量子点是发射红光，波长为625nm的CdSe量子点，量子点表面有羟基团，直径在10~20nm之间。其他任意波长的量子点也可以嵌入到纳米线中，如图2(c)、图2(d)所示，其中圆圈中为量子点。
）定位传输量子点光信号
如图1(l)所示：使用紫外光照射嵌入超晶格纳米线上的量子点，超晶格结构两端的硅纳米线作为光波导，利用纳米线导波效应定位传输量子点的光信号，测试超晶格结构的纳米线对光的收集和传输的效果。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换（如数量、形状、位置等），这些等同变换均属于本发明的保护。

Claims (6)

1.一种在平面超晶格纳米线上组装量子点激光器的方法，其特征在于，包括以下几个步骤：
1）利用PECVD或者PVD工艺在衬底材料上淀积一层200~1000nm厚的绝缘介质层；
2）利用光刻、电子束直写或者掩膜板技术定义引导台阶图案，利用电感耦合等离子体刻蚀ICP或者反应离子体刻蚀工艺RIE ，通入SF6、C4F8、CF4或者Ar对光刻胶掩膜层暴露的绝缘介质层进行刻蚀形成垂直台阶侧壁；
3）在刻蚀的引导台阶一端，通过光刻、热蒸发工艺或者溅射工艺，垂直于引导台阶长度方向局部淀积一层厚度为20~100nm的带状催化金属层；在PECVD中升温至催化金属层熔点以上，通入还原性气体等离子体进行处理，使覆盖在所述引导台阶一端的带状催化金属层转变为分离的金属纳米颗粒；
4）将温度降低到金属纳米颗粒熔点以下，在整个样品结构表面先淀积一层非晶锗，利用光刻和电感耦合等离子体刻蚀ICP或者反应离子体刻蚀工艺RIE在引导台阶的特定区域留下非晶锗区域，然后在整个衬底表面淀积一层非晶硅作为前驱体薄膜层；
5）在真空或者惰性气体保护的环境中，将温度升高至催化金属熔点以上，使得金属纳米颗粒重新熔化，在其前端开始吸收非晶层，后端析出晶态的纳米线；所述晶态的纳米线借助引导台阶作为引导沟道平行生长，获得平行生长于引导台阶的可精确定位的局部有锗硅超晶格结构的纳米线阵列；
6）先使用氨水清除剩余的非晶层前驱体薄膜层，再通过电感耦合等离子体刻蚀ICP或者反应离子体刻蚀工艺RIE，通入CF4刻蚀锗硅超晶格结构的纳米线；
7）在刻蚀后的超晶格纳米线上，通过旋涂量子点溶液，烘干后得到嵌入量子点的超晶格纳米线；
8）利用紫外光或者红外光照射嵌入超晶格纳米线上的量子点后量子点发光，超晶格结构两端的硅纳米线作为光波导，利用纳米线导波效应定位传输量子点光信号，测试超晶格结构的纳米线对光的收集和传输效果。
2.根据权利要求1所述的在平面超晶格纳米线上组装量子点激光器的方法，其特征在于，所述步骤1）中，所述的衬底材料为晶硅、玻璃、铝箔、氮化硅、氧化硅、碳化硅、蓝宝石、聚酰亚胺或者聚对苯二甲酸类塑料。
3.根据权利要求1所述的在平面超晶格纳米线上组装量子点激光器的方法，其特征在于：所述步骤1）中，所述绝缘介质层的厚度为200~600nm。
4.根据权利要求1所述的在平面超晶格纳米线上组装量子点激光器的方法，其特征在于：所述步骤4）衬底上的所述特定区域处的前驱体薄膜层为非晶硅(a-Si)和非晶锗(a-Ge)的异质叠层结构，其他区域为单层的非晶硅。
5.根据权利要求4所述的在平面超晶格纳米线上组装量子点激光器的方法，其特征在于：在所述引导台阶上，每层前驱体薄膜层的覆盖厚度在2~500nm之间。
6.根据权利要求1所述的在平面超晶格纳米线上组装量子点激光器的方法，其特征在于：所述步骤7）中的量子点尺寸在2~20nm之间。
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