[发明专利]利用聚苯乙烯纳米球作为模板生长硅基有序量子点的方法

说明书

技术领域

本发明涉及硅光电子领域，尤其涉及一种利用聚苯乙烯球作为模板生长硅基有序量子点的方法。

背景技术

在过去的半个世纪，硅基器件的研制取得了惊人的成果，以此为基础的微电子产业迅速成长为世界上规模最庞大、最具有生命力的产业之一，并引爆了现今的信息时代。

硅基微电子芯片的集成度越来越高，功能越做越强，正是硅基半导体技术不断突破的具体表现。然而，随着芯片集成度的进一步提高，每个器件单元的尺寸一再缩小，传统工艺的局限性和器件本身的基本物理问题限制凸显出来，这些问题使得器件响应速度进一步提高和电子系统的可靠性受到了巨大挑战。因为硅材料具有非直接带隙的特点，其发光效率很低，所以利用硅基低维量子结构，尤其是量子点结构提高硅基材料的发光性能一直是国内外本领域的一个研究热点。

然而，以器件为目的的量子点结构往往要求有一定的密度、较好的均一性之外，其分布的有序性也是一个重要方面。

在硅有序基量子点领域中，多采用的方法为在图形化衬底上生长量子点。图形化衬底往往具有有序的周期性结构，它既能限制量子点的尺寸又能限制量子点的成核位置。而如今，图形化衬底的制备方法主要是通过FIB或者光刻等刻蚀手段对硅衬底进行处理从而获得期望的图形化衬底。

英国Glasgow大学的Y.S.Tang等人用刻蚀工艺制备了30～50nm的SiGe/Si及Ge_m/Si_n量子点[Tang Y S，Sotomayor Torres C M，Kubiak R A etal.Photoluminescence and photoreflectance study of Si/SiGe quantum dots.J.ofElectronic Materials，1995；2(24)：99]，并对所得量子点的结构、光学特性及制作过程中引进的应力对能带结构的影响进行了广泛的研究。结果表明，量子点的尺寸及密度控制较为精确。而且，当横向尺寸大于60nm时，光跃迁几率相对于相应量子阱结构的光跃迁几率增加两个数量级以上。

虽然通过刻蚀工艺能够对量子点的均匀性控制得较为精确，但通过刻蚀工艺制备的图形化衬底对于刻蚀设备和工艺提出了较高的要求，且通过刻蚀方法获得的量子点尺寸上要小于50nm也具有一定挑战。

发明内容

本发明的目的在于提供一种生长有序硅基量子点的方法，该方法省去了图形化衬底的蚀刻工艺，从而降低了蚀刻工艺对设备和工艺本身的带来的较高要求，同时仍保证了有序硅基量子点的生成。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：在致密钝化层覆盖的硅片上，制备单层有序紧密排列的聚苯乙烯纳米球作为模板，生长量子点，并高温退火后可在去除聚苯乙烯纳米球模板的同时得到排列有序且尺寸均匀的量子点。

一种利用聚苯乙烯纳米球作为模板生长硅基有序量子点的方法，包括以下步骤：

(1)清洗硅片，获得表面覆盖致密SiO₂钝化层的硅片作为生长量子点的衬底；

(2)在(1)所述衬底表面制备单层有序紧密排列的聚苯乙烯纳米球；

(3)将步骤(2)制备的表面单层有序紧密排列的聚苯乙烯纳米球的衬底放入分子束外延设备中进行外延生长量子点材料，其中衬底温度为10～100℃，量子点材料蒸发速率为每分钟0.1nm～10nm，蒸发时间为1～30分钟；

(4)步骤(3)结束后，进行退火处理20～60分钟，退火温度为300～600℃，即可获得硅基有序量子点。

作为优选，所述的步骤(1)中的清洗硅片采取RCA清洗；其具体步骤如下：

1)用丙酮溶液超声清洗5～20分钟，后用去离子水反复冲洗，以去除硅片表面的有机物残留。

2)将硅片放入氨水双氧水和水混合溶液中(体积比为1∶1∶5)煮沸10～20分钟，后用去离子水反复冲洗。附着在硅片表面的颗粒将在该混合溶液中被清除。

3)将硅片放入质量百分比为4％的HF溶液中浸泡1分钟，后用去离子水反复冲洗。硅片表面的自然氧化层将被去除。

4)将硅片放入盐酸双氧水和水的混合溶液(体积比1∶1∶5)煮沸10～20分钟，后用去离子水反复冲洗。硅片表面将形成一层致密的氧化层，防止空气环境下硅片的进一步氧化。

5)重复2～4两遍，使最终形成的SiO₂钝化层尽可能优质。

将硅片浸没在去离子水火无水乙醇溶液中封存，待使用时用氮气吹干即可。

所述的步骤(2)中的聚苯乙烯纳米球是通过旋涂技术制备得到的。其具体步骤如下：