[发明专利]一种生长有序硅基锗量子点的方法

说明书

技术领域

本发明属于纳米材料结构制备领域，涉及一种生长有序硅基锗量子点的方法。

背景技术

随着集成电路的发展，硅基微电子芯片已经形成了巨大的规模产业，并已成为当今信息产业的主导，成为信息化社会的重大支柱。而随着器件的尺度减小到纳米量级，以及器件中容纳的电子数目的减少，器件的常规工作方式将受到影响，量子效应将越来越明显。因此，具有纳米尺寸的量子器件将可能成为未来超大规模集成电路的基本元件，在硅衬底上生长锗量子点是解决上述问题的重要途径。

锗量子点在硅基光子学中被广泛研究并应用于探测和发光领域，除了高密度之外，尺寸的均匀性和空间位置有序的锗量子点对于器件性能也具有重要意义。量子点尺寸和分布的不均匀，会造成发光峰的非均匀展宽。而硅基锗量子点的生长由于其自组装特性使得尺寸的均匀性一直难以获得令人满意的结果。

提升有序性的方法有多种，包括利用位错网络，多层生长，以及外加模板等等。利用自上而下的光刻技术结合自组装生长也被广泛用来提升量子点的有序性，并取得了一定进展。曾有报道利用FIB在SiO₂/Si衬底上获得有序坑结构，作为后续生长的引导，不仅获得了有序的量子点，量子点的尺寸分布也得到了一定的改进。Lavchiev等曾报道利用有序锗量子点阵列制作的硅基波导探测器，获得了在室温工作在1.3μm和1.5μm红外通信波段具有0.015A/W转换效率的器件。但总体来说，利用传统光刻技术获得尺寸小于50nm的量子点结构以及将其排成有序阵列，欲以获得令人满意的结构还是面临着很大挑战的。

发明内容

本发明提供了一种生长有序硅基锗量子点的方法，利用钝化的硅片表面的多孔氧化铝为模板，生长锗量子点，再通过物理方法除掉模板，获得了高密度(10¹⁰cm^-2)而均匀有序的锗量子点结构。

一种生长有序硅基锗量子点的方法，包括以下步骤：

(1)清洗硅片，钝化后获得致密的SiO₂表面作为生长基底；

(2)将多孔氧化铝薄膜贴在硅片表面并通孔，在无水乙醇中浸泡后用氮气吹干，所述的多孔氧化铝薄膜的厚度300-400nm，所述的多孔氧化铝薄膜的孔洞直径为50-100nm；

(3)将步骤(2)处理后的带有多孔氧化铝薄膜的硅片放入分子束外延生长设备进行外延生长锗，其中衬底硅片温度为380-420℃，锗束源的加热温度为1190-1210℃，生长时间为40-60分钟；

(4)生长结束后，在所述的分子束外延设备中继续对衬底硅片进行700-800℃退火10-20分钟，利用热膨胀系数的不同使得所述的多孔氧化铝薄膜起皱或脱落；取出真空室后，用0.1-0.2Mpa的氮气将所述的多孔氧化铝薄膜剥离，露出硅片表面，得到规则排列的锗量子点。

所述的步骤(1)中，所述的清洗硅片采取RCA清洗，其具体步骤如下：

①用丙酮溶液超声清洗10-20分钟，再用去离子水冲洗，以去除硅片表面的有机物；

②氨水双氧水溶液(以体积比计，NH₄OH∶H₂O₂∶H₂O＝1∶1∶5)煮沸10分钟，去离子水反复冲洗；硅片表面的氧化层与表面的硅原子被NH₄OH腐蚀，因此附着在硅片表面的颗粒便落入清洗液从而达到去除粒子的目的。同时，H₂O₂又会氧化硅片表面形成新的氧化膜，可看到明显的亲水性表面出现。

③HF(质量百分比4％)溶液浸泡1分钟，去离子水冲洗，以去除硅片表面的自然氧化膜。也可以去除附着在自然氧化膜上的金属氢氧化物。而这个过程对氧化层下面的硅片几乎不会腐蚀。

④盐酸双氧水溶液(以体积比计，HCl∶H₂O₂∶H₂O＝1∶1∶5)煮沸10分钟，用于去除硅片表面的钠、铁、镁等金属沾污，去离子水反复冲洗。同时利用双氧水的强氧化作用又形成了高质量的致密氧化层。

⑤步骤③和④反复两轮到三轮，以进一步提高氧化层质量。

⑥去离子水或酒精溶液密封保存，氮气吹干使用。

所述的步骤(2)中，所述的多孔氧化铝薄膜可由市场购得，如常州大学，武汉理工大学等均有制备的基础，也可以通过在铝基底上进行阳极氧化获得。