[发明专利]磁控溅射联合快速退火技术制备Ge/Si量子点

说明书

技术领域

本发明涉及半导体量子材料的制备方法，特别是采用磁控溅射技术、快速退火技术来制备Ge/Si量子点的方法。

背景技术

半导体Ge量子点由于具有许多独特的性质（三维限制效应、库伦阻塞效应、声子瓶颈效应、对垂直入射光响应、可直接与硅基电路集成）而在光电子与微电子器件领域有着巨大的应用潜力，成为目前学术研究的热点之一。

从量子点红外探测器的角度出发，为了实现对垂直入射光的强响应，首要问题是如何获得体积足够小的量子点，使其横向面内的限制能级能够控制或减少到1到2条能级，这从理论上要求量子点的横向宽度小于或等于10nm；另外，优质可用的探测器必须具有较高的吸收效率，这就要求有源区具有较高的量子点密度，例如：为获得和量子阱探测器相当的吸收率，每层的载流子密度应为:（1-10）×10¹¹cm^-2，如果每个量子点内的载流子数为2，那么量子点密度应为:(1-5)×10¹¹cm^-2，为达到这一密度，相应的量子点横向尺寸要求控制在30nm以内；最后，在吸收率出现饱和之前，探测器的吸收率随量子点层数的增加而增加，所以高效、快捷地生长多层量子点也是器件制作中不可忽视的方向。总之，为了满足器件性能要求，除了提高量子点空间排布的有序性外，减小尺寸、提高密度、高效地生长重复有源层是科研工作者要突破的重要方面。

量子点的制备具有多重手段，包括分子束外延（MBE）、化学气相沉积（CVD）、物理气相沉积（PVD）和原子层外延(ALE)等技术，近年来，为了克服密度过低、尺寸过大的难题，许多科研工作者进行了大量的尝试并取得了突破性的进展，例如：在Si衬底上先制作图形，再进行Ge沉积；利用超薄氧化层设计窗口，沉积Ge形成量子点；利用分子束外延设备，通过沉积适量B原子或C原子，诱导制备Ge量子点。特别是通过杂质原子诱导成点的方法，横向尺寸小于10nm，高度小于1nm，密度高达10¹¹cm^-2的Ge量子点已显有报道。以上介绍的常规制备Ge量子点的方法一般为低沉积速率（速率为0.001-0.004nm/s）技术，生长速率慢，同时，为实现高密度、小尺寸，又必须经过相对复杂或精细的修饰过程或杂质诱导过程。所以寻找或探索一种具有设备简单、使用和维护成本低、生长方法简单快捷、成点质量高、易于产业化推广等优点的量子点制备方法是该领域中急需解决的难题。

发明内容

为了克服采用低沉积速率通过衬底修饰或杂质诱导制备小尺寸、高密度Ge/Si量子点速率慢、过程复杂、设备维护成本高的不足，本发明提供一种利用磁控溅射技术开展Ge/Si量子点生长研究的方法。该方法不仅设备维护成本低、操作简单、且能高效快捷（溅射沉积速率为0.18nm/s）地生长制备出密度高、尺寸小、均匀性好的高质量量子点。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：采用FJL560型超高真空磁控溅射仪为生长设备，以n型低掺杂Si（100）单面抛光晶体为衬底，衬底厚度为0.50mm，电阻率为1-3Ω.cm。对衬底使用标准Shiraki方法进行清洗，然后在HF酸溶液中漂洗以去除基片表面的自然氧化层，同时完成对衬底表面的H钝化，用高纯氮气吹干后将衬底迅速放入磁控溅射真空室内进行Ge点的生长。

在衬底上沉积Ge之前，先对磁控溅射室进行真空化处理，待本底真空达到2.0×10^-4Pa时对Si衬底进行加热，温度到达800^oC时保温600s进行脱气处理，为了降低表面态影响，同时降低表面粗糙度，减小表面缺陷，先将衬底温度降低到700^oC，然后生长50nm的Si缓冲层，对缓冲层保温1800s使其结晶率最大化。随后降低基片温度到600^oC保温300s，待温度稳定后沉积3.4nm厚度的Ge原子薄膜，自然降温获得初始样品，再将初始样品放入RTP-1000D4型快速退火炉中进行合适温度的快速退火处理获得量子点最终样品。样品的量子点表面形貌采用SPA-400SPM型原子力显微镜(AFM)进行表征，Raman分析是在invia共聚焦显微拉曼光谱仪上进行。所有测试均在室温下完成。