制备大面积、高度有序纳米硅量子点阵列的方法

摘要

一种制备大面积、高度有序纳米硅量子点阵列的方法，用于半导体材料制备领域。首先利用电化学方法制备氧化铝模板，然后将这种具有高度有序孔洞结构的模板移植到半导体基片上，利用PECVD将钠米硅自然量子点通过模板的孔道生长在半导体基片上，最后利用湿化学方法将氧化铝模板去除，从而得到大面积、高度有序的钠米硅量子点阵列。本发明获得的人工量子点的平均直径大小为30纳米到50纳米，高度为20纳米到100纳米，间距为100纳米，面密度超过每平方厘米1×1010，每个人工量子点中嵌镶着很多直径为3纳米到6纳米的硅自然量子点。由于具有很好的量子限域效应并且高度有序，这种纳米硅量子点阵列有望在多元量子器件中得到广泛应用。

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种制备半导体量子点阵列的方法，特别是一种制备大面积、高度有序纳米硅量子点阵列的方法，用于半导体材料制备领域。

背景技术

量子点，特别是半导体量子点，由于量子限域效应而有望在单电子晶体管、高密度存储器、半导体激光器和隧道二极管中得到应用，并且量子点器件具有体积小、效率高、能耗低等优点。常用生长量子点的方式主要有Stranski-Kranstanov(S-K)生长方式和光刻技术，但这两种方法都需要昂贵的设备。S-K生长方式必须满足晶格失配并且得到的量子点尺寸分布不均匀、排列无规则，因而大大限制了利用这种方法制备和应用量子点。光刻技术可以得到尺寸分布均匀并且高度有序排列的量子点阵列，但是要制备大面积的量子点阵列需要花费大量时间，因而无法在工业化生产中得到应用。利用氧化铝模板技术制备有序量子点阵列是近年来兴起的一种新方法，它最显著的特点是通过相对简单的工艺可以制备出大面积并且高度有序的量子点阵列体系。

目前利用氧化铝模板已经成功制备了Si，GaAs，TiO₂和GaN等半导体量子点阵列，量子点的大小为50纳米左右，间距为100纳米左右，颗粒分布非常均匀，有序区域可以达到10微米左右，样品面积达1平方厘米，这是S-K生长方式和光刻技术所难以达到的，称这种量子点为人工量子点。但是利用氧化铝模板技术制备的这些人工量子点存在一个普遍问题，即人工量子点的直径都大于20纳米，不是真正的量子体系，很难发生量子限域效应，因为量子效应存在一个临界尺寸，当量子点的尺寸大于临界尺寸时就很难发生量子限域效应，而半导体材料的临界尺寸一般很小，只有几个纳米，比如硅只有4个纳米。

经对现有技术文献的检索发现，沈文忠等人在《Applied Physics Letters》(应用物理快报)第85卷(2004)287-289页报道了由等离子体辅助气相沉积法(PECVD)制备的纳米硅薄膜在较高温度下的共振隧穿量子效应。这种纳米硅是一种由大约50％晶态硅颗粒和50％非晶硅共同组成的薄膜体系，其中晶态硅颗粒的大小为3纳米到6纳米，能够具有较明显的量子限域效应，但缺点是量子点的排列不是非常均匀，一般将这种嵌镶着的硅颗粒称为硅自然量子点。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，针对背景技术中无法得到具有真正量子限域效应的大面积、高度有序量子点阵列体系的现实，提出了一种制备大面积、高度有序纳米硅量子点阵列的方法，把纳米硅自然量子点薄膜与氧化铝模板技术制备有序人工量子点阵列相结合，使其制备出大面积、高度有序、具有明显量子限域效应的纳米硅量子点阵列。

本发明是根据以下技术方案实现的，首先利用电化学方法制备氧化铝模板，然后将这种具有高度有序孔洞结构的模板移植到半导体基片上，利用PECVD将钠米硅自然量子点通过模板的孔道生长在半导体基片上，最后利用湿化学方法将氧化铝模板去除从而得到大面积、高度有序的钠米硅量子点阵列。

所述的制备氧化铝模板，将高纯(99.999％)铝片用丙酮清洗后，进行一次电化学腐蚀，腐蚀条件为0.3摩尔/升草酸电解液，电压40伏，温度10℃，一次腐蚀时间为2小时，将一次腐蚀后的样品在温度为60℃的6.0％重量百分比磷酸和1.8％重量百分比铬酸的混合液中浸泡4小时，二次腐蚀的条件和一次腐蚀一样，但是腐蚀时间缩短为2.5分钟到5分钟，模板厚度为150纳米到300纳米。

所述的模板移植，在0℃用饱和的硫酸铜溶液去除二次腐蚀中未被腐蚀的铝得到单通的氧化铝模板，在去离子水中将单通模板开孔的一面朝下贴于半导体硅基片上，样品在室温下干燥后浸入温度为30℃的6％磷酸中，经过30分钟去除上层的阻碍层得到双通的氧化铝模板。

所述的利用PECVD将钠米硅自然量子点通过模板的孔道生长在半导体基片上，将带有双通模板的硅基片放入PECVD的生长腔体中，采用高氢稀释比(SiH₄/SiH₄+H₂＝2％)，射频源2.2千伏，直流负偏压为200伏，反应温度为280℃，沉积时间为45分钟。

所述的利用湿化学方法将氧化铝模板去除，是指：用20℃的10％氢氟酸溶液去除氧化铝模板。

本发明把纳米硅自然量子点薄膜与氧化铝模板技术制备有序人工量子点阵列相结合，有效地克服了单纯利用氧化铝模板制备的普通量子点阵列不具备真正量子效应的缺点。本发明制备的纳米硅量子点阵列中人工量子点的直径为30纳米到50纳米，高度为20纳米到100纳米，间距为100纳米，面密度超过每平方厘米1×10¹⁰，在每一个人工量子点中含有许多颗粒直径为3纳米到6纳米的硅自然量子点，这些硅自然量子点具有明显的量子限域效应，可以作为量子器件的一个单元，而整个人工量子点阵列就表现出许多个各自独立的量子单元器件集合，从而使实现多元量子器件成为可能。

具体实施方式

以下结合实例进一步说明本发明的内容：

首先是制备氧化铝模板，将高纯(99.999％)铝片用丙酮清洗后，进行一次电化学腐蚀，腐蚀条件为0.3摩尔/升草酸电解液，电压40伏，温度10℃，一次腐蚀时间为2小时，将一次腐蚀后的样品在温度为60℃的6.0％重量百分比磷酸和1.8％重量百分比铬酸的混合液中浸泡4小时，用去离子水清洗后进行二次腐蚀，二次腐蚀的条件和一次腐蚀一样，但是腐蚀时间缩短为2.5分钟到5分钟，这样可以得到不同厚度的超薄氧化铝模板，所制备的模板呈现高度有序的六角形结构，厚度为150纳米到300纳米，孔径为50纳米，孔间距为100纳米，底部阻碍层的厚度为40纳米。接着是模板的移植，在0℃用饱和的硫酸铜溶液去除二次腐蚀中未被腐蚀的铝得到单通的氧化铝模板，在去离子水中将单通模板开孔的一面朝下贴于半导体硅基片上，样品在室温下干燥后浸入温度为30℃的6％磷酸中，经过30分钟去除上层的阻碍层得到双通的氧化铝模板，将模板连同硅基片取出清洗干燥，从而为沉积钠米硅自然量子点做好准备。沉积纳米硅自然量子点是在射频耦合的PECVD系统中进行的，采用高氢稀释比(SiH₄/SiH₄+H₂＝2％)，射频源2.2千伏，直流负偏压为200伏，反应温度为280℃，沉积时间为45分钟，最后用20℃的10％氢氟酸溶液去除氧化铝模板，清洗干燥即可得到硅基片上的纳米硅量子点阵列。纳米硅人工量子点阵列很好地继承了氧化铝模板的性质，颗粒分布非常均匀(标准偏差优于5％)，人工量子点的平均直径为45纳米，间距为100纳米，高度为30纳米，通过拉曼光谱得知在每个人工量子点当中的硅自然量子点的平均直径为3.6纳米，晶态硅颗粒的晶态比为42.7％，应具有较强的量子限域效应。