[发明专利]基于斜切硅衬底的超高密度锗硅量子点的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于纳米结构制备技术领域，具体涉及一种基于斜切硅衬底的制备高质量超高密度锗硅量子点的方法。

背景技术

硅基锗硅量子点材料是近几年发展起来的新型纳米材料。由于其独特的光电性质和先天的与传统硅基工艺的兼容性，使其有广阔的应用前景和市场价值。各种基于锗硅量子点的光电器件，如锗硅量子点光电探测器，锗硅量子点光电二极管等，得到了很好的产业化应用。然而，现行的锗硅量子点光电器件的光电转换效率仍然比较低。因此需要有一种行之有效的技术手段来提高其光电转换效率。量子点的密度是决定光电器件转换效率的一个重要因素。高密度量子点的制备可以极大的提高锗硅量子点光电器件的转换效率。

目前，常见的提高量子点的方法包括低温制备法，表面活性剂掺杂制备法，氧化膜辅助制备法等。然而，现行的制备方法在提高量子点密度的同时，会由于低温和杂质致使量子点的质量下降，尤其是量子点的光电特性受到了很大影响，这将不利于量子点在光电器件上的应用。为了克服现有方法所导致的锗硅量子点的质量问题，我们提供了一种新型的制备高质量超高密度锗硅量子点的方法，这种方法可以有效地解决现行超高密度量子点制备方法的质量问题。

发明内容

为了解决现有技术制备高密度量子点材料工艺繁琐且质量不高的问题，，本发明的目的在于提供一种简单高效的制备高质量的超高密度量子点的方法。 

本发明利用具有较小斜切角度（斜切方向为<110>方向， 斜切角度：2^o-7^o）的斜切Si(001)晶片为衬底，结合分子束外延技术，在生长温度：400℃-600℃，无其他杂质原子辅助的一般的生长条件下自组织生长异质外延锗硅量子点。本发明得到的超高密度的锗硅量子点的密度可超过10¹¹/cm²，而且量子点周围无其他杂质和缺陷。

本发明中，硅单晶基片采用标准的RCA方法清洗，之后放入分子束外延设备中高温脱附杂志原子，之后先外延生长一层硅的缓冲层，最后异质外延锗材料，从而形成锗硅量子点。具体步骤描述如下：

（1）取斜切方向为<110>方向， 斜切角度：2^o-7^o的n型或p 型的斜切Si(001)单晶片作为衬底，并对其进行化学清洗；

（2）将清洗后的斜切Si(001)单晶片衬底放入真空度为10^-8-10^-10 torr的超高真空环境中，将衬底加热至800℃-1000℃，保持5-15分钟，脱附表面的杂质原子；

（3）再降低衬底温度，采用纯单晶硅靶材作为硅源，通过电子束加热蒸发，在衬底上生长硅缓冲层，生长温度为500℃-600℃，生长厚度在50nm-100nm之间；

（4）采用纯单晶锗靶材作为锗源，通过电子束加热蒸发，继续外延生长锗纳米材料，生长温度为400℃-600℃，生长厚度在0.6nm-1.2nm之间，生长完后立刻把温度降至室温，得到超高密度锗硅量子点。

上述步骤（1）中采用标准的RCA方法对衬底进行化学清洗。

本发明在斜切的Si(001) 晶面上生长锗硅量子点，斜切的Si(001)单晶片衬底表面相对较传统的Si(001)单晶片具有天然的准周期原子台阶结构；这种原子级的表面台阶结构可以极大的减小量子点成核的临界厚度，并且能有效抑制吸附锗硅原子的表面迁移，从而可以获得超高密度的高质量锗硅量子点材料。

本发明的有益效果在于：其方法简单易行，经济适用；其获得的量子点具有高质量、超高密度。该发明所制备的高质量高密度的量子点材料将极大的提高基于量子点器件的光电转换效率，将可广泛的应用于基于量子点的器件。。

附图说明

图1为6°斜切硅衬底表面的扫描隧道显微镜（STM）图像。

图2为在0~6°斜切衬底上生长的高密度锗硅量子点的原子力显微镜（AFM）图像。

图3为6°斜切衬底上生长的高密度锗硅量子点样品的高分辨的透射电子显微镜（TEM）图像。

图4为4°斜切衬底上生长的高密度锗硅量子点的光致发光光谱。

具体实施方式

斜切Si(100)单晶片以及硅源、锗源分别采用的纯度99.9999%的单晶硅和单晶锗靶材，由合肥科晶材料科技有限公司提供。

分子束外延设备为型号为Riber EVA-32 的超高真空分子束外延系统；系统由进

样室（预室）和生长室（主室）组成。