[发明专利]磁控溅射技术制备硅基锗量子点的方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体低维结构薄膜材料的制备方法，特别是使用磁控溅射技术，基于低温生长高温退火的两步法，制备大高宽比Ge量子点的制备方法。

背景技术

量子点(Quantum Dots，简称QD)，是指达到纳米尺寸量级的粒子结构。通常，当粒子的尺寸减小到纳米量级时，将导致材料在声、光、电、磁、热性能呈现新的特性。由于半导体量子点结构对其中的载流子有三维量子限制作用，使其表现出一系列新颖的物理特性：即量子点具有量子尺寸效应，表面效应，宏观量子隧道效应，库仑阻塞与量子隧穿。应用这些特有的物理性质，人们己经开始尝试制作新的光电功能器件。而以半导体锗（Ge）量子点为代表的半导体低维结构在光电子、微电子和单电子器件领域有重要的应用前景并在集成芯片方面可能突破当前的技术限制和作为基本光电逻辑单元具有潜在价值，因此其制备方法的研究是当前的热点。

目前，硅基Ge量子点自组织生长的制备方法通常是使用薄膜制备技术来进行。主要用于制备量子点的技术有分子束外延技术(Molecular Beam Epitaxy，MBE)、化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition，CVD)和离子束溅射(Ion Beam Sputtering Deposition，ISBD)等。MBE技术是在超高真空条件下，对分子或原子束源和衬底温度加以精密控制的薄膜蒸发技术，生长速率低，可以在原子尺度上控制外延层的的厚度、组分、以及掺杂等。CVD主要利用源气体的热分解反应在衬底表面沉积薄膜，该方法在更高的温度下进行生长，使晶体的质量得到提高且沉积层的化学成分可以改变，密度和纯度可控。ISBD较前两种方法有着成本低、易于产业化生产的优点。本申请人的课题组经过多年研究，也利用ISBD技术制备出量子点。在2006年和2010年申请并获得两项发明专利(专利授权号分别为：CN 100500929C和CN 101866832B)。

在薄膜制备中，磁控溅射技术(Magnetron Sputtering，MS)具有制备工艺成熟、薄膜生长速度快，且与集成电路加工工艺兼容，已经成为国内外微电子加工技术产业化生产重要的环节。作为成熟的薄膜制备工艺，它已被广泛应用于太阳能电池和微机电加工的产业化生产中。但因其溅射出的原子多以团簇形式存在，而难于应用于量子点的自组装生长。经查询本领域的技术资料，目前尚未见到联合直流磁控溅射技术（Direct Current Magnetron Sputtering，DC-MS）和低温生长高温退火两步法制备Ge量子点的新方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种磁控溅射技术制备硅基锗量子点的方法，该方法成本低、工艺简单、易于产业化生产，可获得高密度、大高宽比、尺寸均匀、可控性好的Ge量子点，实现了通过改变生长条件利用有着成熟工艺条件的直流磁控溅射技术制备出较好量子点。

本发明通过下列技术方案实现：采用直流磁控溅射技术，工作室保持高真空环境，使用氩气作为工作气体，在工作室溅射压强0.5Pa～2Pa，生长温度200℃~500℃，溅射功率为50W~100W的条件下，在硅基底材料上直接生长一层﹤30nm的Ge薄膜，然后通过原位600℃～800℃退火，降温至室温，制备单层Ge量子点。

所述直流磁控溅射所用的靶材为5N的高纯Ge圆形靶，溅射气体为5N的高纯氩气，基底材料为Si的B重掺杂材料，Si片单面抛光，电阻率为0.001Ω·m～0.005Ω·m；原位退火是在工作室真空腔中配置退火系统，退火时间控制在15min～60min。

所述的硅基底材料需预先对表面处理，具体方法如下。

A、用甲苯、丙酮、无水乙醇分别依次超声清洗15min，初步除去有机物和无机物杂质。

B、将A处理过的基片分别用Ⅰ号液——NH₃OH+H₂O₂+H₂O清洗硅片表面的粒子，用Ⅱ号液——HCL+H₂O₂+H₂O清洗硅片表面的金属杂质，用Ⅲ号液——H₂SO₄+H₂O₂和浓HNO₃溶液清洗硅片表面的表面杂质颗粒。

在由溅射时的低温升至原位退火高温过程中，升温速率为0.3℃/S～0.5℃/S。

原位退火后采用分区段降温至室温，降温速率为0.25℃/S。

本发明所述磁控溅射技术制备硅基Ge量子点的工作过程如下。