[发明专利]一种纳米孔复制结合溅射沉积自组装有序Ge/Si量子点阵列的新方法

说明书

技术领域    

本发明涉及一种大面积、高度均匀、有序的自组织Ge/Si量子点的生长技术，属于纳米材料和结构的制备与应用技术领域。

背景技术

由于Si是大规模集成电路的芯片材料，新型的光电功能器件希望能在同一块Si片上实现发光器件、光探测器件、能量转换器件与现有的微电子器件集成。但是Si的间接带隙导致其发光效率极低，并且Si在室温下禁带宽度为1.12电子伏特，难以实现在中远红外波段的光电响应。量子点具有对载流子的三维限制效应，因此，可以通过控制量子点的结构、尺寸和分布，来调节材料能带结构，制作高性能的Si基光电器件，实现Si基光电集成。Ge由于与Si极好的结构匹配和相容性，在Si基底上外延生长无位错的Ge量子点，容易通过“能带工程”来实现Si基发光、红外探测和高效率能量转换，成为研制全Si基光电功能集成器件的热点。

目前，利用Ge/Si量子点作为有源层材料，人们已经制作出基于Ge/Si量子点的激光器、发光二极管(LED)、红外探测器、太阳电池等光电器件，但其性能与理论预测相比仍有较大差距，这受制于无法在纳米尺度精确地控制量子点的尺寸、位置及其均匀性，制备大面积高度均匀有序的量子点阵列。例如：一个理想的量子点发光器件和光探测器件，要求量子点只有单一的电子能级和一个空穴能级以利于基态激射；要求量子点的分布密度高，以获得尽可能大的增益；要求量子点有合适的尺寸，以避免热激发将量子点中的载流子耗尽；要求能通过控制量子点的形状、尺寸等结构特征实现对工作波长的选择。所有这些条件都依赖于实现对均匀有序量子点生长的可控。同样，大面积、均匀有序量子点阵列的制备也是实现量子点太阳能电池的核心技术，对进一步提高其光电转换效率起极为重要的作用。另外，在信息处理的应用中，单电子晶体管除了要求尺寸和形状一致的空间有序量子点阵列以外，还要求对量子点的位置精确控制。因此，研制高性能可实用化的Si基量子点光电器件，首要问题是要实现大面积尺寸均匀、分布有序的量子点阵列的控制合成。

    目前，制备Ge/Si量子点所广泛采用的方法是在应变外延生长过程中，使沉积到Si基底表面的Ge原子以S-K（Stranski-Krastanov）模式自发成岛、自组织生长。由于在生长过程中不会引入位错，生长得到的Ge/Si量子点具有较好的光电性能。采用分子束外延（MBE）、化学气相沉积（CVD）等外延生长技术均可以获得无位错的自组织Ge/Si量子点，并且已经把Ge量子点成功的应用到各种光电功能器件中。但是由于采用这些方法制备量子点的生产成本高、设备要求高、生产效率低，不利于大规模产业化生产。离子束溅射沉积（IBSD）技术，同样可以自组织生长得到光电性能较好Ge/Si量子点，与MBE和CVD等方法相比，IBSD是一种低成本、容易实现量子点材料批量生产的新方法。由于自组织生长过程所固有的一些特点，量子点成核随机无序，自由生长，导致量子点的尺寸、形状、位置及其密度还无法实现在纳米尺度下的精确控制，通过自组织的方法形成高度均匀、有序的量子点阵列结构，这是目前Si基量子点生长所面临的重要难题。

 自从利用S-K模式生长获得无位错量子点以来，研究人员一直试图对量子点的尺寸、密度、均匀性及空间有序排列进行控制，常用的方法一般都是基于生长动力学，在衬底表面为量子点提供优先成核心位置。已有的研究结果表明，基于图形衬底生长量子点和量子点阵列的方法具有同时实现位置和尺寸的双重控制的优点，即：在分布有周期性纳米结构的图形衬底表面进行自组织生长，利用台面图形的边缘提供的成核中心直接在图形表面生长有序的量子点阵列。这种方法能够精确控制量子点的位置，尺寸均匀性也较好，可获得长程有序的量子点阵列。制作纳米结构高度均匀、有序的图案衬底和与之匹配的优化的量子点生长工艺，是实现这种方法的关键。目前，图案衬底的制备方法主要包括：电子束光刻、聚焦离子束光刻、STM光刻和AFM光刻等，这些光刻技术虽然能刻写出非常精细、均匀有序的纳米图案，但是效率低、设备要求高，导致成本高，不适于规模化生产。并且，聚焦离子束光刻由于使用高能离子束还可能造成衬底损伤。纳米PS球光刻、嵌段共聚物光刻以及纳米压印光刻技术虽然可以实现大面积图案衬底的低成本制作，并且在制作纳米孔直径为100纳米，分布周期为200纳米的图案衬底时，取得了很好的效果（纳米PS球光刻制备的图案衬底的长程有序性还待提高），但是采用这些光刻方法制作直径小于100纳米，分布周期在150纳米以下的图案衬底，却非常困难，其中纳米压印光刻还对图案衬底的制作环境要求较为苛刻。