製備大面積、高度有序納米矽量子點陣列的方法
2023-06-07 19:27:56 2
專利名稱：製備大面積、高度有序納米矽量子點陣列的方法
技術領域：
本發明涉及的是一種製備半導體量子點陣列的方法，特別是一種製備大面積、高度有序納米矽量子點陣列的方法，用於半導體材料製備領域。
背景技術：
量子點，特別是半導體量子點，由於量子限域效應而有望在單電子電晶體、高密度存儲器、半導體雷射器和隧道二極體中得到應用，並且量子點器件具有體積小、效率高、能耗低等優點。常用生長量子點的方式主要有Stranski-Kranstanov(S-K)生長方式和光刻技術，但這兩種方法都需要昂貴的設備。S-K生長方式必須滿足晶格失配並且得到的量子點尺寸分布不均勻、排列無規則，因而大大限制了利用這種方法製備和應用量子點。光刻技術可以得到尺寸分布均勻並且高度有序排列的量子點陣列，但是要製備大面積的量子點陣列需要花費大量時間，因而無法在工業化生產中得到應用。利用氧化鋁模板技術製備有序量子點陣列是近年來興起的一種新方法，它最顯著的特點是通過相對簡單的工藝可以製備出大面積並且高度有序的量子點陣列體系。
目前利用氧化鋁模板已經成功製備了Si，GaAs，TiO2和GaN等半導體量子點陣列，量子點的大小為50納米左右，間距為100納米左右，顆粒分布非常均勻，有序區域可以達到10微米左右，樣品面積達1平方釐米，這是S-K生長方式和光刻技術所難以達到的，稱這種量子點為人工量子點。但是利用氧化鋁模板技術製備的這些人工量子點存在一個普遍問題，即人工量子點的直徑都大於20納米，不是真正的量子體系，很難發生量子限域效應，因為量子效應存在一個臨界尺寸，當量子點的尺寸大於臨界尺寸時就很難發生量子限域效應，而半導體材料的臨界尺寸一般很小，只有幾個納米，比如矽只有4個納米。
經對現有技術文獻的檢索發現，沈文忠等人在《Applied Physics Letters》(應用物理快報)第85卷(2004)287-289頁報導了由等離子體輔助氣相沉積法(PECVD)製備的納米矽薄膜在較高溫度下的共振隧穿量子效應。這種納米矽是一種由大約50％晶態矽顆粒和50％非晶矽共同組成的薄膜體系，其中晶態矽顆粒的大小為3納米到6納米，能夠具有較明顯的量子限域效應，但缺點是量子點的排列不是非常均勻，一般將這種嵌鑲著的矽顆粒稱為矽自然量子點。
發明內容
本發明的目的在於克服現有技術中的不足，針對背景技術中無法得到具有真正量子限域效應的大面積、高度有序量子點陣列體系的現實，提出了一種製備大面積、高度有序納米矽量子點陣列的方法，把納米矽自然量子點薄膜與氧化鋁模板技術製備有序人工量子點陣列相結合，使其製備出大面積、高度有序、具有明顯量子限域效應的納米矽量子點陣列。
本發明是根據以下技術方案實現的，首先利用電化學方法製備氧化鋁模板，然後將這種具有高度有序孔洞結構的模板移植到半導體基片上，利用PECVD將鈉米矽自然量子點通過模板的孔道生長在半導體基片上，最後利用溼化學方法將氧化鋁模板去除從而得到大面積、高度有序的鈉米矽量子點陣列。
所述的製備氧化鋁模板，將高純(99.999％)鋁片用丙酮清洗後，進行一次電化學腐蝕，腐蝕條件為0.3摩爾/升草酸電解液，電壓40伏，溫度10℃，一次腐蝕時間為2小時，將一次腐蝕後的樣品在溫度為60℃的6.0％重量百分比磷酸和1.8％重量百分比鉻酸的混合液中浸泡4小時，二次腐蝕的條件和一次腐蝕一樣，但是腐蝕時間縮短為2.5分鐘到5分鐘，模板厚度為150納米到300納米。
所述的模板移植，在0℃用飽和的硫酸銅溶液去除二次腐蝕中未被腐蝕的鋁得到單通的氧化鋁模板，在去離子水中將單通模板開孔的一面朝下貼於半導體矽基片上，樣品在室溫下乾燥後浸入溫度為30℃的6％磷酸中，經過30分鐘去除上層的阻礙層得到雙通的氧化鋁模板。
所述的利用PECVD將鈉米矽自然量子點通過模板的孔道生長在半導體基片上，將帶有雙通模板的矽基片放入PECVD的生長腔體中，採用高氫稀釋比(SiH4/SiH4+H2＝2％)，射頻源2.2千伏，直流負偏壓為200伏，反應溫度為280℃，沉積時間為45分鐘。
所述的利用溼化學方法將氧化鋁模板去除，是指用20℃的10％氫氟酸溶液去除氧化鋁模板。
本發明把納米矽自然量子點薄膜與氧化鋁模板技術製備有序人工量子點陣列相結合，有效地克服了單純利用氧化鋁模板製備的普通量子點陣列不具備真正量子效應的缺點。本發明製備的納米矽量子點陣列中人工量子點的直徑為30納米到50納米，高度為20納米到100納米，間距為100納米，面密度超過每平方釐米1×1010，在每一個人工量子點中含有許多顆粒直徑為3納米到6納米的矽自然量子點，這些矽自然量子點具有明顯的量子限域效應，可以作為量子器件的一個單元，而整個人工量子點陣列就表現出許多個各自獨立的量子單元器件集合，從而使實現多元量子器件成為可能。
具體實施例方式
以下結合實例進一步說明本發明的內容首先是製備氧化鋁模板，將高純(99.999％)鋁片用丙酮清洗後，進行一次電化學腐蝕，腐蝕條件為0.3摩爾/升草酸電解液，電壓40伏，溫度10℃，一次腐蝕時間為2小時，將一次腐蝕後的樣品在溫度為60℃的6.0％重量百分比磷酸和1.8％重量百分比鉻酸的混合液中浸泡4小時，用去離子水清洗後進行二次腐蝕，二次腐蝕的條件和一次腐蝕一樣，但是腐蝕時間縮短為2.5分鐘到5分鐘，這樣可以得到不同厚度的超薄氧化鋁模板，所製備的模板呈現高度有序的六角形結構，厚度為150納米到300納米，孔徑為50納米，孔間距為100納米，底部阻礙層的厚度為40納米。接著是模板的移植，在0℃用飽和的硫酸銅溶液去除二次腐蝕中未被腐蝕的鋁得到單通的氧化鋁模板，在去離子水中將單通模板開孔的一面朝下貼於半導體矽基片上，樣品在室溫下乾燥後浸入溫度為30℃的6％磷酸中，經過30分鐘去除上層的阻礙層得到雙通的氧化鋁模板，將模板連同矽基片取出清洗乾燥，從而為沉積鈉米矽自然量子點做好準備。沉積納米矽自然量子點是在射頻耦合的PECVD系統中進行的，採用高氫稀釋比(SiH4/SiH4+H2＝2％)，射頻源2.2千伏，直流負偏壓為200伏，反應溫度為280℃，沉積時間為45分鐘，最後用20℃的10％氫氟酸溶液去除氧化鋁模板，清洗乾燥即可得到矽基片上的納米矽量子點陣列。納米矽人工量子點陣列很好地繼承了氧化鋁模板的性質，顆粒分布非常均勻(標準偏差優於5％)，人工量子點的平均直徑為45納米，間距為100納米，高度為30納米，通過拉曼光譜得知在每個人工量子點當中的矽自然量子點的平均直徑為3.6納米，晶態矽顆粒的晶態比為42.7％，應具有較強的量子限域效應。
權利要求
1.一種製備大面積、高度有序納米矽量子點陣列的方法，其特徵在於，首先利用電化學方法製備氧化鋁模板，然後將這種具有高度有序孔洞結構的模板移植到半導體基片上，利用PECVD將鈉米矽自然量子點通過模板的孔道生長在半導體基片上，最後利用溼化學方法將氧化鋁模板去除從而得到大面積、高度有序的鈉米矽量子點陣列。
2.根據權利要求1所述的製備大面積、高度有序納米矽量子點陣列的方法，其特徵是，所述的製備氧化鋁模板，具體為將高純99.999％鋁片用丙酮清洗後，進行一次電化學腐蝕，腐蝕條件為0.3摩爾/升草酸電解液，電壓40伏，溫度10℃，一次腐蝕時間為2小時，將一次腐蝕後的樣品在溫度為60℃的6.0％重量百分比磷酸和1.8％重量百分比鉻酸的混合液中浸泡4小時，腐蝕時間縮短為2.5分鐘到5分鐘，模板厚度為150納米到300納米。
3.根據權利要求1所述的製備大面積、高度有序納米矽量子點陣列的方法，其特徵是，所述的模板移植，具體為在0℃用飽和的硫酸銅溶液去除二次腐蝕中未被腐蝕的鋁得到單通的氧化鋁模板，在去離子水中將單通模板開孔的一面朝下貼於半導體矽基片上，樣品在室溫下乾燥後浸入溫度為30℃的6％磷酸中，經過30分鐘去除上層的阻礙層得到雙通的氧化鋁模板。
4.根據權利要求1所述的製備大面積、高度有序納米矽量子點陣列的方法，其特徵是，所述的利用PECVD將鈉米矽自然量子點通過模板的孔道生長在半導體基片上，具體為採用高氫稀釋比SiH4/SiH4+H2＝2％，射頻源2.2千伏，直流負偏壓為200伏，反應溫度為280℃，沉積時間為45分鐘。
5.根據權利要求1所述的製備大面積、高度有序納米矽量子點陣列的方法，其特徵是，所述的利用溼化學方法將氧化鋁模板去除，是指用20℃的10％氫氟酸溶液去除氧化鋁模板。
6.根據權利要求1所述的製備大面積、高度有序納米矽量子點陣列的方法，其特徵是，所述的納米矽量子點陣列中人工量子點的直徑為30納米到50納米，高度為20納米到100納米，間距為100納米，面密度超過每平方釐米1×1010，在每一個人工量子點中含有許多顆粒直徑為3納米到6納米的矽自然量子點。
全文摘要
一種製備大面積、高度有序納米矽量子點陣列的方法，用於半導體材料製備領域。首先利用電化學方法製備氧化鋁模板，然後將這種具有高度有序孔洞結構的模板移植到半導體基片上，利用PECVD將鈉米矽自然量子點通過模板的孔道生長在半導體基片上，最後利用溼化學方法將氧化鋁模板去除，從而得到大面積、高度有序的鈉米矽量子點陣列。本發明獲得的人工量子點的平均直徑大小為30納米到50納米，高度為20納米到100納米，間距為100納米，面密度超過每平方釐米1×10
文檔編號H01L21/00GK1614740SQ200410067329
公開日2005年5月11日 申請日期2004年10月21日 優先權日2004年10月21日
發明者沈文忠, 丁古巧, 鄭茂俊, 徐維麗 申請人:上海交通大學