专利名称：一种锗量子点的制备方法
技术领域：
本发明涉及一种制备锗(Ge)量子点的方法，尤其是涉及一种采用将具有硅锗氧化物覆 盖层的硅锗(SiGe)合金层在真空腔体中高温加热脱氧来制备尺寸小、密度高、没有SiGe浸 润层的Ge量子点的方法。
背景技术：
Ge量子点对载流子在空间三个方向均具有限制作用，使得它表现出许多独特的光学和电 学性质，如量子限制效应、量子隧穿效应、库仑阻塞效应和量子干涉效应等。利用这些性质 制作的新型功能器件在未来微电子和光电子应用中将具有重要作用，特别是基于量子隧穿效 应的共振隧穿二极管和基于库仑阻塞效应的单电子器件等将在大规模集成电路上有着重要的 应用前景。
传统的制备Ge量子点的方法有1)在Si衬底上采用Stranski-Krastanow (S-K)模式来 实现Ge量子点的自组装生长。在这种生长模式中，初始阶段是二维平面生长，通常厚度只 有几个原子层，称为浸润层。当浸润层厚度达到某一个临界厚度时，外延生长就向三维岛状 生长过渡。这种方法的缺点是Ge量子点的分布是无序的，尺寸一般也都大于50nm，使得 Ge量子点的一些特性难以表现出来。除此之外，浸润层的存在还会影响其在大规模集成电路 上的应用(D. J. Eaglesham, M. Cerullo. Dislocation-free Stranski-Krastanow growth of Ge on Si(lOO)， Physical Review Letters, 64(16), 1943-1946 (1990); Y. W. Mo, D. E. Savage, B. S. Swartzentruber et al. Kinetic phthway'in Stranski-Krastanov growth of Ge on Si(OOl). Physical ReviewLetters. 65(8), 1020-1023(1990))。 2)采用光刻技术制备图形衬底，然后在图形衬底上 直接生长Ge量子点。在这种方法中，Ge量子点的位置可以根据衬底上的图形进行有序控制。 但是小尺寸的衬底图形很难制备，成本较高，得到的Ge量子点尺寸较大，而且形成的Ge量 子点仍然具有浸润层，同样会影响器件的一些应用(E. S. Kim， N. Usami, Y. Shiraki. Control of Ge dots in dimension and position by selective epitaxial growth and their optical properties. Applied Physics Letters" 72(13)， 1617-1619(1998); Z. Y. Zhong, A. Halilovic, H. Lichtenberger et al. Growth of Ge islands on prepatterned Si(OOl) substrate. Physica E, 23, 243-247(2004))。 3 )采用具 有失配位错网络的SiGe层作为图形衬底在其上生长Ge量子点。这种方法仍然是基于上述图 形衬底生长Ge量子点的思想，只是图形衬底是依靠SiGe层产生的失配位错网络而得到。这
样使得图形衬底制备较简单，但是失配位错网络引入了位错，不利于制作光电子器件(S.Yu. Shiryaev, F. Jensen, J. Lundsgaard Hansen et al. Nanoscale structuring by misfit dislocation in Sii-xGex/Si epitaxial systems. Physical Review Letters. 78(3), 503-507(1997))。
发明内容
本发明的目的在于针对己有的Ge量子点尺寸较大、具有浸润层、制作工艺复杂、成本 高等缺点，提供一种可实现小尺寸、高密度、没有浸润层的Ge量子点的制备方法。
本发明的技术方案是将SiGe合金层进行标准清洗以后，在其表面形成一层薄的氧化物覆 盖层。然后将具有氧化物覆盖层的SiGe合金层放入真空腔体内，用高温进行加热去除表面氧 化物层。在加热脱氧过程中，SiGe合金层表面便形成Ge量子点。
本发明包括以下步骤
1) 在"硅衬底"或"绝缘体上的硅衬底(SOI)"上，生长一层SiGe合金层，Ge组分大 于0，小于等于0.5;
2) 将SiGe合金层依次用3种清洗液中的至少一种进行清洗，清洗后在SiGe合金层表面 形成一层氧化物层，氧化物为Si02和Ge02的混合物；
3) 将覆盖有氧化物层的SiGe合金层放入真空腔体内加热脱氧，得Ge量子点。在此过 程中，发生如下反应
Ge6>2+ 加热>Ge(s)+ ffl92")
S/6>2 (s) + S/(s)^L^2siC>(g)个
氧化物中的Ge02与SiGe合金层中的Si原子发生反应置换出Ge原子，Si02与SiGe中 的Si原子反应生成SiO气体挥发掉，留下的Ge原子覆盖在SiGe合金层表面，通过原子迁移 聚集而形成Ge量子点。
生长一层SiGe合金层的方法可采用分子束外延或化学汽相淀积法。 3种清洗液分别为I号清洗液、II号清洗液和III号清洗液，I号清洗液为 NH4OH+H202+H20， II号清洗液为HC1+H202+H20， III号清洗液为H2S04+H202。 加热温度可大于等于脱氧温度，小于SiGe的熔点(由SiGe合金相图决定)。 与现有的Ge量子点的制备方法相比，本发明采用硅基或者SOI基SiGe合金层作初始材 料，材料外延生长方便。在SiGe层上通过标准清洗形成一层薄的氧化层，然后放入真空腔体 内高温加热脱氧，脱氧后即可获得小尺寸、高密度、没有浸润层的Ge量子点，具有低成本、 制作工艺简单、与目前成熟的Si微电子工艺兼容等优点。
图l为本发明采用在真空腔体中高温脱氧的方法制备Ge量子点的流程示意图。 图2为本发明采用在真空腔体中高温脱氧的方法得到的Ge量子点的原子力显微镜测试 图。在图2中，横坐标为扫描范围(nm2)，纵坐标表示Ge量子点的高度(nm)，扫描范围为 2x2pm2， Ge量子点的平均底宽为10nm，平均高度为3nm，密度为5X 101Qcm—3。
具体实施例方式
以下实施例将结合附图对本发明作进一步的说明。 实施例1
图1给出本发明采用在真空腔体中高温脱氧的方法制备Ge量子点的流程示意图。在图1 中的标号分别为①硅衬底；②硅缓冲层；③SiGe合金层，Ge组分大于0，小于等于0.5; 标准清洗后生成的氧化物覆盖层，其厚度约为3nm;⑤脱氧后在SiGe薄膜表面形成的Ge量 子点。
在Si衬底上依次外延生长100nm的Si缓冲层和200nm的Sia94GeaG6合金层；依次采用
m号清洗液(按体积比，h2so4 : h2o2=4 : i)和n号清洗液(按体积比，hci : h2o2 : h2o=i :
1 : 4)清洗后，在SiGe合金层表面形成厚度约3rnn的氧化层；用氮气吹干后立即放入真空 腔内(本底真空压强为2xl(T7Pa)，加热到85(TC进行高温脱氧，在85(TC保持30min钟后， 降温取出样品。得到的Ge量子点的原子力显微镜测试图如图2所示，Ge量子点的平均底宽 为10nm，平均高度为3nm，密度为5 X 101Qcm—3。 实施例2
与实施例1类似，其区别在于对SiGe合金的清洗方法只采用I号清洗液(NH4OH :
h2o2 : h2o=i :1:4)进行清洗。
实施例3
与实施例1类似，其区别在于对SiGe合金的清洗方法只采用II号清洗液(HCI : H202 :
h2o=i :1:4)进行清洗。
实施例4
与实施例1类似，其区别在于对SiGe合金的清洗方法只采用III号清洗液(H2S04 : H202=4 :1)进行清洗。 实施例5
与实施例1类似，其区别在于对SiGe合金的清洗方法依次采用I号清洗液(NH4OH :
h2o2 : h2o=i :1:4)和ii号清洗液(hci : h2o2 : h2o=i :1:4)进行清洗。
实施例6
与实施例1类似，其区别在于对SiGe合金的清洗方法依次采用I号清洗液(NH4OH :
h2o2 : h2o=i :1:4)和iii号清洗液(h2so4 :験=4 : i)进行清洗。
实施例7
与实施例1类似，其区别在于对SiGe合金的清洗方法依次采用I号清洗液(NH4OH :
h2o2 : h2o=i :1:4)、 n号清洗液(nh4oh : h2o2 : h2o=i :1:4)和lll号清洗液(h2so4 : h202=4 : 1)进行清洗。 实施例8
与实施例l类似，其区别在于SiGe合金中的Ge组分为0.1。 实施例9
与实施例l类似，其区别在于SiGe合金中的Ge组分为0.2。 实施例10
与实施例l类似，其区别在于SiGe合金中的Ge组分为0.3。 实施例11
与实施例l类似，其区别在于SiGe合金中的Ge组分为0.4。 实施例12
与实施例l类似，其区别在于SiGe合金中的Ge组分为0.5。 实施例13
与实施例l类似，其区别在于所采用的衬底为绝缘体上硅衬底(SOI)。 实施例14
与实施例i类似，其区别在于先采用n号清洗液清洗，然后再采用m号清洗液清洗。
实施例15
与实施例5类似，其区别在于对SiGe合金的清洗方法先采用II号清洗液清洗，然后再采 用I号清洗液清洗。 实施例16
与实施例6类似，其区别在于对SiGe合金的清洗方法先采用III号清洗液清洗，然后再采 用I号清洗液清洗。 实施例17
与实施例7类似，其区别在于对SiGe合金的清洗方法依次采用III号清洗液、II号清洗液、 和I号清洗液进行清洗。
权利要求
1. 一种锗量子点的制备方法，其特征在于包括以下步骤1)在硅衬底或绝缘体上的硅衬底上，生长一层SiGe合金层，Ge组分大于0，小于等于0.5；2)将SiGe合金层依次用3种清洗液中的至少一种进行清洗，清洗后在SiGe合金层表面形成一层氧化物层，氧化物为SiO2和GeO2的混合物；3)将覆盖有氧化物层的SiGe合金层放入真空腔体内加热脱氧，得Ge量子点。
2. 如权利要求1所述的一种锗量子点的制备方法，其特征在于生长一层SiGe合金层的 方法采用分子束外延或化学汽相淀积法。
3. 如权利要求1所述的一种锗量子点的制备方法，其特征在于3种清洗液分别为I号清洗液、n号清洗液和m号清洗液。
4. 如权利要求3所述的一种锗量子点的制备方法，其特征在于I号清洗液为 NH4OH+H202+H20。
5. 如权利要求3所述的一种锗量子点的制备方法，其特征在于n号清洗液为HC1+H202+H20。
6. 如权利要求3所述的一种锗量子点的制备方法，其特征在于m号清洗液为H2S04+H202。
7. 如权利要求l所述的一种锗量子点的制备方法，其特征在于加热温度大于等于脱氧温 度，小于SiGe的熔点。
全文摘要
一种锗量子点的制备方法，涉及一种制备锗量子点的方法。提供一种可实现小尺寸、高密度、没有浸润层的Ge量子点的制备方法。在硅衬底或绝缘体上的硅衬底上，生长一层SiGe合金层，Ge组分大于0，小于等于0.5；将SiGe合金层依次用3种清洗液中的至少一种进行清洗，清洗后在SiGe合金层表面形成一层氧化物层，氧化物为SiO<sub>2</sub>和GeO<sub>2</sub>的混合物；将覆盖有氧化物层的SiGe合金层放入真空腔体内加热脱氧，得Ge量子点。加热温度可大于等于脱氧温度，小于SiGe的熔点。
文档编号B82B3/00GK101388324SQ20081007193
公开日2009年3月18日 申请日期2008年10月14日 优先权日2008年10月14日
发明者康俊勇, 廖凌宏, 永 张, 成 李, 赖虹凯, 陈松岩 申请人:厦门大学