[发明专利]缓冲层填埋断续生长尺寸高均匀单层Ge量子点的方法

说明书

技术领域：

本发明涉及一种用离子束溅射技术缓冲层填埋断续生长尺寸高均匀单层Ge量子点的方法，属半导体量子材料制备技术领域。

技术背景：

量子点(Quantum Dot，简称QD)，又称人工原子，是一种零维自由的量子结构，当颗粒尺寸达到纳米量级时，尺寸限域将引起尺寸效应、量子限域、宏观量子隧道效应及表面效应等，这些独特量子效应，使量子点材料被广泛研究应用于光电信息器件中，基于三维受限量子点的分立特性的量子器件，以其独特优异的电学、光学性能和极低功耗，在纳米电子学、光电子学、生命科学、量子计算机以及军事国防等领域有着极其广泛的应用前景，具体可运用在量子点激光器、量子点红外探测器、单光子光源、单电子器件和量子计算机等方面。瞬时超大功率激光器，能用于拦截或摧毁飞行器(如，导弹、飞机、卫星等)，是一种定向智能武器，对国防建设有重要意义。因此，各大国都对此展开了深入研究。然而，量子点的尺寸大小、尺寸的均匀性，形状、密度及组分分布都会对其光电性质产生重要的影响，一般光电子器件应用都要求量子点满足密度高、尺寸小且分布均匀、排列有序的条件。现有的硅基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，但是由于用这些技术制备量子点材料时，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，从而提高了量子点器件的生产成本。

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，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。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有的Ge量子点尺寸较大，需要多层生长来调控量子点尺寸均匀性，以及在用离子束溅射量子点过程中结晶性以尺寸及均匀性和可控性的不足，用断续生长方法生长单层Ge量子点，在获得尺寸均匀、高密度、小尺寸、大高宽比、可控性好的Ge量子点以满足光电信息器件的要求同时，提高了生产效益，降低生产成本，满足工业规模生产。

本发明通过下列技术方案实现：

本发明用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。本发明用离子束真空溅射，以氩气作为工作气体，在氩离子能量为600eV～1400eV，放电电压为75V～80V，生长温度为500℃～700℃，生长束流为14mA～20mA，溅射压强为2.0×10^-2Pa的条件下，在硅基底材料上断续生长厚度为20nm～60nm的Si缓冲层，然后在Si缓冲层上断续自组织生长厚度为2.0nm～3.0nm的单层Ge量子点。

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15min，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10min，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10min，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3min，再用HF∶H₂O₂＝1∶9的溶液浸泡20s～40s；