专利名称：锗纳米点/硅纳米线阵列结构薄膜及其制备方法
技术领域：
本发明涉及半导体低维结构薄膜产品及其制备方法。更具体而言，
涉及一种锗(Ge)纳米点/硅(Si)纳米线阵列镶嵌结构的薄膜及其
制备方法，属于半导体器件领域。
背景技术：
半导体低维结构由于量子限制效应从而使其电学性质和光学性质 发生很大的变化。而三维受限的纳米点(Dots)结构由于对其中的载流 子(如电子、空穴和激子)有强量子限制作用则更引人瞩目。纳米点结 构材料在光电器件、单电子器件等方面具有极为广阔的应用前景。通 过控制纳米点的形状、尺寸和结构,可有效实现对其能隙宽度、激子 束缚能大小等电子行态的调节。
体材料的硅是间接带隙的半导体，其光效率很低，所以利用硅(Si) 基量子结构，尤其是纳米点结构提高硅基材料的光性能无疑是今后光 电子技术发展的重要方向。由于硅加工工艺非常成熟，因此硅基纳米 点器件具有集成化，大容量化的潜力；此外，纳米点结构能增加自由 激子的局域化程度和束缚能，克服动量守恒的限制，实现硅、锗硅材 料载流子从间接跃迁复合向直接跃迁复合转变，有望解决硅基材料的 发光问题。和硅基上的探测器、波导器件、电学器件等集成在一起， 形成可以进行光和电信号的产生、传输、探测、放大、处理等功能的 实用集成电路，真正实现硅基光电子集成(OEIC)。
硅基纳米点领域尽管已经取得了很大的发展，但依然面临着很多 的难题。尤其是在制备方面，很难有效的获得大规模的多层的锗纳米 点硅结构。目前，获得大规模硅基纳米点的方法主要是通过分子束外延(MBE)或者化学气相沉积(CVD)先外延生长单层锗纳米点硅结构， 然后再在单层的基础上外延生长多层结构。以上方法生长多层结构层
数会受到生长时间的限制，层数较少， 一般为数十层。并且，因长时 间生长产生的多层结构会使得薄膜的质量变差，产生大量应力位错， 影响材料的电学性能。还由于生长是需要在高温下进行，长时间生长 还会使锗和硅的互扩散非常严重，锗/硅之间没有良好界面。所以， 明显存在锗纳米点的层数少、光效率难以进一步提高等缺陷。
发明内容
本发明的主要目的是为了克服上述现有的采用先外延生长单层 锗纳米点硅再在单层的基础上外延生长的多层锗纳米点硅薄膜存在 锗纳米点层数少、光效率不高等不足之处，提供一种锗纳米点的直径 小，层数多，具有相同的晶体取向，轴向具有较高的电导，生长时间 短，生产成本低的锗纳米点/硅纳米线阵列结构薄膜。
本发明的另一个目的是为锗纳米点/硅纳米线阵列结构薄膜提供 一种优选的制备方法。
本发明的锗纳米点/硅纳米线阵列结构薄膜，主要由硅纳米线阵 列和锗纳米点组成，所述锗纳米点分布在硅纳米线阵列的硅纳米线 上。
'本发明的锗纳米点/硅纳米线阵列结构薄膜的优选的制备方法， 主要是先在单晶P型硅片或单晶N型硅片或多晶硅片上利用刻蚀的 方法制备大面积的硅纳米线阵列薄膜，再利用低压化学气相沉积设备 在低压条件下以硅纳米线阵列为衬底，以锗垸为气源沉积生长锗纳米 点。
所述硅纳米线阵列上沉积生长的锗纳米点竖直排列在硅纳米线 上，沉积生长时，锗纳米点上可以进行掺杂。其中一种沉积方法是利 用低压化学气相沉积设备在低压情况下沉积锗纳米点。
所述低压化学气相沉积设备的反应室的压强控制在2.4 10帕， 沉积温度为480 620°C ，沉积生长时间选为30 600秒。
4所述刻蚀方法制备硅纳米线阵列，其中一种方法是利用化学刻蚀 的办法，在单晶硅或多晶硅的基片上利用硝酸银和氢氟酸的水溶液沉 积银纳米颗粒，再使用氢氟酸和双氧水的水溶液对基片进行刻蚀。
本发明技术方案的优点是利用硅纳米线阵列衬底与化学气相沉
积技术(CVD)相结合以实现对锗纳米点的有效控制。在硅纳米线阵 列上沉积的锗点点径为数十纳米，锗点间的相互间距约为数十纳米， 阵列的纳米线长度约为数十微米，对应的锗点层数可达到数百层，锗 纳米点在硅纳米线上实现竖直排列，生长的时间短，数百层结构只相 当于现有的超晶格生长单层结构的时间，同时，硅纳米线保持和衬底 连接良好，具有相同的晶体取向，轴向具有较高的电导，是一种锗纳 米点层数多、光效率高的大规模锗纳米点/硅纳米线阵列结构薄膜产 品，特别有利于进一步生产高效的光电子器件。其生产方法还具有生 产设备成本低、生产效率高，产品成本可大幅度降低等优点，易于和 现有的硅薄膜器件工艺结合，是生产锗纳米点/硅纳米线阵列结构薄 膜的一种优选方法。
图l为本发明的硅纳米线阵列衬底的截面结构示意图；图中的l 表示阵列中硅纳米线，2是基片。
图2为本发明的锗纳米点沉积生长在图1中的硅纳米线上的结构 示意图；图中的圆点3表示锗纳米点，该锗纳米点3竖直排列在硅纳 米线1上的层数远大于图上所示。
图3为本发明的硅纳米线阵列衬底的电子显微镜照片图；图中的 竖线表示硅纳米线。
图4为本发明的锗纳米点/硅纳米线阵列结构薄膜产品的电子显 微镜照片图；图中的1、 3中的竖线表示硅纳米线，竖线上的小点表 示锗纳米点。
图5为本发明的锗纳米点/硅纳米线阵列结构薄膜产品的拉曼谱。拉曼谱可以看出锗信号位于300cm-l左右，硅信号位于520cm-l左右， 说明锗和硅保持良好的晶态。
上图中相同的标号表示相同的部分。附图不一定是按比例的，其 重点在于解释本发明的原理上。在附图中，为了清楚起见，放大了各 层和区域的尺寸和厚度。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明的优选实施方式作进一步详细描述； 本发明的锗纳米点/硅纳米线阵列结构薄膜，主要由硅纳米线阵 列和锗纳米点组成，所述锗纳米点3分布在硅纳米线阵列的硅纳米线l上。
本发明制备硅纳米线阵列衬底可采取多种工艺。例如利用化学刻 蚀的方法，具体包括准备基片，该基片可以是单晶P型硅片，或单 晶N型硅片，或者多晶硅片；在对基片进行标准的半导体表面基片
清洗处理后，将银沉积在基片表面，具体的沉积方法可以通过蒸镀，
溅射或者化学方法；在沉积完银后，使用溶液刻蚀的方法将刻蚀制备 硅(Si)纳米线阵列衬底。
所述硅纳米线阵列衬底的溶液刻蚀方法，可采用在单晶硅或多晶 硅的基片2上使用硝酸银和氢氟酸的水溶液沉积银纳米颗粒，再f用 氢氟酸和双氧水的水溶液对基片进行刻蚀。
在上述的银纳米颗粒的沉积中，硝酸银的浓度选为 0.01~0.06mol/L，沉积时间选为30-300秒。具体的硝酸银的浓度和沉 积的时间可根据实际要求调整。该硅纳米线阵列衬底的结构如图1、 3所示。
在完成制备硅纳米线阵列衬底后，即可使用低压化学气相沉积设 备在硅纳米线l上以锗烷(GeH4)为气源沉积生长锗纳米点3。操作 时，可将低压化学气相沉积设备的反应室压强控制在2.4 10帕范围 左右，沉积温度为480 620°C，沉积生长时间选为30 600秒，具体的生长参数可根据实际要求调整。
所述硅纳米线阵列上沉积生长的锗纳米点3竖直排列在硅纳米线 1上，沉积生长时，锗纳米点上可以进行掺杂。如沉积的锗纳米点也 可利用B2H6、 PH3为气源进行原位p、 n型掺杂。锗纳米点/硅纳米 线阵列衬底结构薄膜结构如图2、 4所示。
在按上述方法制备获得的锗纳米点/硅纳米线阵列结构薄膜，经检 测，其锗纳米点的点径约为30 50纳米，锗纳米点之间的间距在 50 100纳米之间，纳米线阵列的长度约为IO微米左右，等效的层 数越位100 200层。从图5的拉曼谱可以看出锗和硅保持良好的晶 态，硅位于520cm-l，锗信号位于300cm-l左右。
综上所述，本发明的锗纳米点/硅纳米线阵列结构薄膜是一种锗
纳米点层数多、光效率高的大规模锗纳米点/硅纳米线阵列结构薄膜
产品，特别有利于进一步生产高效的光电子器件。其生产方法还具有
生产设备成本低、生产效率高，产品成本可大幅度降低等优点，易于
和现有的硅薄膜器件工艺结合，是生产锗纳米点/硅纳米线阵列结构
薄膜的一种优选方法。
权利要求
1、一种锗纳米点/硅纳米线阵列结构薄膜，其特征在于包括硅纳米线阵列和锗纳米点，所述锗纳米点分布在硅纳米线阵列的硅纳米线上。
2、 权利1的薄膜的制备方法，其特征在于先在单晶P型硅片或 N型硅片或多晶硅片上利用刻蚀的方法制备大面积的硅纳米线阵列 薄膜，再利用低压化学气相沉积设备在低压条件下以硅纳米线阵列为 衬底，以锗烷为气源沉积生长锗纳米点。
3、 如权利要求2所述的薄膜的制备方法，其特征在于所述硅纳 米线阵列衬底上沉积的锗纳米点排列在硅纳米线上，沉积生长时，锗 纳米点上可以进行掺杂。
4、 如权利要求2或3所述的薄膜的制备方法，其特征在于所述 低压化学气相沉积设备的反应室的反应室的压强控制在2.4 10帕， 沉积温度为480 620°C,沉积生长时间选为30 600秒。
全文摘要
本发明的锗纳米点/硅纳米线阵列结构薄膜主要由硅纳米线阵列和锗纳米点组成，所述锗纳米点分布在硅纳米线阵列的硅纳米线上。其制备方法主要包括利用P型或N型单晶硅，多晶硅做原始材料，利用刻蚀法制备大面积硅纳米线阵列。然后使用低压化学气相沉积技术，使用锗烷为气源，在大面积硅纳米线阵列衬底上制备锗点。是一种锗纳米点层数多、光效率高的大规模锗纳米点/硅纳米线阵列结构薄膜产品，特别有利于进一步生产高效的光电子器件。其生产方法还具有生产设备成本低、生产效率高，产品成本可大幅度降低等优点，易于和现有的硅薄膜器件工艺结合，是生产锗纳米点/硅纳米线阵列结构薄膜的一种优选方法。
文档编号B82B1/00GK101486439SQ200910024599
公开日2009年7月22日 申请日期2009年2月23日 优先权日2009年2月23日
发明者叶敏华, 荣 张, 徐子敬, 毅 施, 林 濮, 郑有炓 申请人:毅 施