CN1747128A - 在Si基片上生长高密度超小型Ge量子点的方法 - Google Patents

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时文华
李传波
王容伟
罗丽萍
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Abstract

本发明提出了一种在Si基片上生长高密度超小型Ge量子点的方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)在Si基片上生长Si缓冲层，改善衬底晶体质量；(2)降低生长温度，生长Ge浸润层；(3)中断10～40秒，抽走反应气体；(4)在Ge浸润层上通过向生长室通入B2H6引入硼原子；(5)中断10～40秒后，生长Ge顶层，形成Ge量子点。用此方法得到的Ge量子点尺寸小、密度高、分布均匀，有利于实现Si基光电应用。原子力分析其密度达到4.6×1010cm－2，平均底宽和高度分别为32nm和1.2nm。

Description

在Si基片上生长高密度超小型Ge量子点的方法
技术领域
本发明属于半导体技术领域，特别指高密度超小型Ge量子点的生长方法。
背景技术
Si/Ge系统中SK模式自组织生长的Ge量子点，由于具有与微电子工艺相兼容的巨大优势以及三维尺寸限制效应带来的新奇光学、电学特性而将有广阔的应用前景，并且已经成为目前研究的热点。由于其结构上的三维限制特性，在光学和电学上表现出特有性质，利用这些性质可以制作新的功能器件并可能在未来微电子和光电子应用中发挥重要作用。诸如：量子点对载流子的三维限制有助于提高激子的束缚能，提高SiGe/Si结构的发光效率；小尺寸的Ge量子点将具有库仑阻塞效应，可用来制作单电子晶体管(SET)；如果能将量子点按指定方式排列，可制成量子自动原胞机(Quantum Cellular Automata)实现各种逻辑功能，是解决未来计算机中窄线条的量子瓶颈问题的一种方案。
但是与III-V族半导体GaAs/InAs系统不同，Si/Ge系统4.2％的晶格失配还不足以形成足够小的Ge量子点从而表现出明显的三维尺寸限制效应。本发明以前大多采用在Si缓冲层上直接利用SK模式生长Ge量子点的方法，得到的Ge量子点底宽一般都大于50nm，高度在5～10nm，并且密度一般只在109cm-2量级。2000年Takamiya在Si缓冲层上引入少量硼原子，接着生长Ge，利用硼原子对应力场的调制来控制Ge量子点的形成，产生了一定效果，得到了底宽30nm高1.5nm的小型Ge量子点，但是与这种小型Ge量子点共存的还有底宽约100nm的大型Ge岛。
发明内容
本发明的目的在于提供一种在Si基片上生长高密度超小型Ge量子点的方法，其方法是利用B2H6气流在Ge浸润层上引入少量硼原子，从而带来Ge浸润层上应力调制，促使接下来的小型Ge量子点形成。合理控制生长温度和气流可以得到小尺寸、高密度Ge量子点，且具有良好的均匀性。
本发明一种在Si基片上生长高密度超小型Ge量子点的方法，其特征在于，包括如下步骤
(1)在Si基片上生长Si缓冲层，改善衬底晶体质量；
(2)降低生长温度，生长Ge浸润层；
(3)中断10～40秒，抽走反应气体；
(4)在Ge浸润层上通过向生长室通入B2H6引入硼原子；
(5)中断10～40秒后，生长Ge顶层，形成Ge量子点。
其中所述的各步骤的生长是在“超高真空化学气相淀积”系统(UHVCVD)中进行。
其中在Si基片上生长的Si缓冲层，其生长厚度约200nm，生长温度为600℃以上。
其中在Si缓冲层上生长的Ge浸润层，生长厚度为1～2原子层，生长温度为500℃～600℃。
其中在Ge浸润层上通过向生长室通入B2H6引入硼原子，B2H6流量为1sccm，持续时间为数秒，生长温度为500℃～600℃。
其中生长的Ge顶层，形成Ge量子点，生长厚度为3～4原子层，生长温度为500℃～600℃。
附图说明
为进一步说明本发明的技术内容，以下结合具体实施方式及附图对本发明作一详细的描述，其中：
图1是本发明的Si缓冲层生长结构示意图；
图2是本发明的Ge浸润层生长结构示意图；
图3是本发明的硼原子分布示意图；
图4是本发明的Ge顶层生长结构示意图；
图5是本发明的Ge量子点原子力显微镜测试结果。
具体实施方式
请结合参阅图1至图4，本发明一种在Si基片上生长高密度超小型Ge量子点的方法，包括如下步骤：
(1)在Si基片10上生长Si缓冲层11，改善衬底晶体质量；其中在Si基片10上生长的Si缓冲层11，其生长厚度约200nm，生长温度为600℃以上；
(2)降低生长温度，生长Ge浸润层12；其中在Si缓冲层11上生长的Ge浸润层12，生长厚度为1～2原子层，生长温度为500℃～600℃；
(3)中断10～40秒，抽走反应气体；
(4)在Ge浸润层12上通过向生长室通入B2H6引入硼原子13；其中在Ge浸润层12上通过向生长室通入B2H6引入硼原子13，B2H6流量为1sccm，持续时间为数秒，生长温度为500℃～600℃；
(5)中断10～40秒后，生长Ge顶层14，形成Ge量子点；其中生长的Ge顶层14，生长厚度为3～4原子层，生长温度为500℃～600℃。
其中所述的各步骤的生长是在“超高真空化学气相淀积”系统(UHVCVD)中进行。
本发明提出了一种在Si基片上生长高密度超小型Ge量子点的新方法，其关键在于利用了在Ge浸润层上的硼原子引入的应力场调制。由于Si/Ge系统晶格常数只有4.2％，普通SK模式生长得到的Ge量子点底宽一般都大于50nm，高度在5～10nm，并且密度一般只在109cm-2量级。而大部分应用需要更小、更高密度的Ge量子点。为解决以上问题，本发明提出利用B2H6气流在Ge浸润层上引入少量硼原子，从而带来Ge浸润层上应力调制，促使接下来的小型Ge量子点形成。合理控制生长温度和气流可以得到小尺寸、高密度Ge量子点，且具有良好的均匀性。
具体实施过程：(均在“超高真空化学气相淀积”系统(UHVCVD)中进行)
1、在Si(001)衬底上生长Si缓冲层，采用Si2H6流量为6sccm，生长厚度约200nm，生长温度为750℃(图1)；
2、降低生长温度，生长Ge浸润层，采用GeH4流量为1sccm，生长厚度为2原子层，生长温度为520℃(图2)；
3、中断30秒；
4、在Ge浸润层上通过向生长室通入B2H6引入硼原子，B2H6流量为1sccm，持续时间为5秒，生长温度为520℃(图3)；
5、中断30秒后，生长Ge顶层，形成Ge量子点，采用GeH4流量为1sccm，生长厚度为3原子层，生长温度为520℃(图4)。
对以上步骤生长所得的样品进行原子力显微镜测试表明，Ge量子点平均底宽和高度分别为32nm和1.2nm，密度达到4.6×1010cm-2，且分布均匀。对比普通SK模式生长所得到的Ge量子点，在尺寸和密度上均有很大进步。这说明这种方法可以有效缩小Ge量子点的尺寸，同时提高其密度，为应用打下基础。
本发明利用B2H6气流在Ge浸润层上引入少量硼原子，从而带来Ge浸润层上应力调制，促使接下来的小型Ge量子点形成。合理控制生长温度和气流得到了小尺寸、高密度Ge量子点，且具有良好的均匀性。

Claims (6)

1.一种在Si基片上生长高密度超小型Ge量子点的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)在Si基片上生长Si缓冲层，改善衬底晶体质量；
(2)降低生长温度，生长Ge浸润层；
(3)中断10～40秒，抽走反应气体；
(4)在Ge浸润层上通过向生长室通入B2H6引入硼原子；
(5)中断10～40秒后，生长Ge顶层，形成Ge量子点。
2.根据权利要求1所述的一种在Si基片上生长高密度超小型Ge量子点的方法，其特征在于，其中所述的各步骤的生长是在“超高真空化学气相淀积”系统中进行。
3.根据权利要求1所述的一种在Si基片上生长高密度超小型Ge量子点的方法，其特征在于，其中在Si基片上生长的Si缓冲层，其生长厚度约200nm，生长温度为600℃以上。
4.根据权利要求1所述的一种在Si基片上生长高密度超小型Ge量子点的方法，其特征在于，其中在Si缓冲层上生长的Ge浸润层，生长厚度为1～2原子层，生长温度为500℃～600℃。
5.根据权利要求1所述的一种在Si基片上生长高密度超小型Ge量子点的方法，其特征在于，其中在Ge浸润层上通过向生长室通入B2H6引入硼原子，B2H6流量为1sccm，持续时间为数秒，生长温度为500℃～600℃。
6.根据权利要求1所述的一种在Si基片上生长高密度超小型Ge量子点的方法，其特征在于，其中生长的Ge顶层，形成Ge量子点，生长厚度为3～4原子层，生长温度为500℃～600℃。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN101486439B (zh) * 2009-02-23 2011-01-19 施毅 锗纳米点/硅纳米线阵列结构薄膜的制备方法
CN103427332A (zh) * 2013-08-08 2013-12-04 中国科学院半导体研究所 硅基锗激光器及其制备方法
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