气相自组装生长硅量子环纳米结构的制备方法技术

气相自组装生长硅量子环纳米结构的制备方法，首先在等离子体增强化学汽相淀积（ＰＥＣＶＤ）系统中衬底硅表面分别进行氩气（Ａｒ）等离子体和氢气（Ｈ↓［２］）等离子体的预处理，在衬底硅表面形成硅纳米环的成核中心；然后，在ＰＥＣＶＤ系统中原位周期性交替使用大氢稀释硅烷气体（ＳｉＨ↓［４］＋Ｈ↓［２］）和纯氢气（Ｈ↓［２］）对成核中心进行硅的生长和刻蚀，形成硅量子环纳米结构。对硅衬底表面预处理，形成纳米环结构的成核中心，其密度必须控制在１～３×１０↑［８］／ｃｍ↑［２］，为以后环结构的生长提供条件；周期性交替使用大氢稀释硅烷气和氢气进行硅生长和刻蚀的方法是：在每个周期当中，使用大氢稀释硅烷在成核中心进行生长，然后以纯氢气进行硅的刻蚀。重复上述淀积和刻蚀５－５０个周期。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及，从原理和实施工艺两方面提出一种在等离子体增强化学气相淀积(PECVD)系统中，利用淀积生长和刻蚀方法制备二维有序硅纳米环结构的新技术。
技术介绍
基于半导体量子结构的纳电子和光电子集成是21世纪新一代半导体器件的核心，也是现代信息技术的硬件基础。半导体硅(Si)是当前制备微电子器件最重要的材料，然而Si是否能在纳电子器件时代继续扮演重要角色，是否能实现Si单片光电集成和电磁调控，这是当前材料科学和微电子学领域中的重大研究课题，也是该学科的国际研究前沿，具有重要的基础和应用研究意义。近十几年来的实验和理论研究表明，基于半导体材料的纳米点、线等结构所展现出的纳米尺度下特有的量子尺寸效应能够被广泛地应用于激光器、探测器、存储器件和量子逻辑器件中。其中最近几年来，由于纳米环结构在光学微腔、电磁调控方面所具备的应用前景，越来越多的研究工作致力于追求新的纳米环结构制备技术。Warburton，R.J.等Optical emission from a charge-tunable quantum ring.Nature 405，926-929(2000).(基于可调注入电荷的量子环光发射)；Mano，T.等Self-Assembly of Concentric Quantum Double Rings.Nano Lett.5，425-428(2006).(自组装的同心量子双环结构)；Matos-Abiague等，.Photoinduced Charge Currents inMesoscopic Rings.Phys.Rev.Lett.94，166801(2005).(纳米环中的光诱导电荷电流)；Foldi.P等.Quantum rings as electron spin beam splitters.Phys.Rev.B 73，155325(2006).(基于量子环结构的电子自旋束分离器件)。相比于金属环结构，纳米半导体环结构由于其具有较大的电子相干长度，能够展现出十分明显的量子尺寸效应。这对于进行研究量子相干效应的基础研究，或作为电磁量子调控和光学微腔的实现平台具有十分重要的意义。因而近几年来，吸引了越来越多的理论研究和实验工作。现有技术所公开的获得半导体纳米环结构的主要方法是利用分子束外延(MBE)技术，材料是砷化铟/砷化镓或硅/锗混合体系。纳米环结构的生长利用了不同材料间晶格失配所诱导的表面原子迁移来实现。但以Si材料制备纳米环结构，尚未见报导。国际评论指出，如果要在器件中得到实际应用，那么半导体纳米环结构必须1)具备更为理想的形貌特征，在环壁的高度和宽度等关键尺寸上要求尽量均匀且可控；2)在空间位置分布上具有一定的有序可控性；3)与现在主流的微电子Si基集成工艺相兼容的能力。另外，从实际应用的角度来看，MBE法操作比较复杂，而且设备代价尤为昂贵。如果能制备出一种既能满足以上器件应用要求，同时工艺上又比MBE法操作方便，设备代价更为低廉，且与微电子Si基集成工艺完全兼容的方法制备Si纳米环材料，将具有重要的理论研究和实际应用的意义。
技术实现思路
本专利技术目的是提出一种气相自组装生长硅(Si)量子环纳米结构的制备方法，利用等离子体增强化学气相淀积(PECVD)系统中生长/刻蚀的方法，尤其是在Si表面生长二维有序Si纳米环阵列结构。本专利技术目的还在于提出一种能够通过控制参数，对环的尺寸和形貌进行一定调控的方法；制备出具有明显的有序的环阵列；本专利技术目的还在于提出一种整个制备工艺与目前微电子Si基集成工艺兼容的硅量子环纳米结构的制备方法。本专利技术目的还在于，利用PECVD系统在制备操作工艺和成本上都比分子束外延(MBE)更为方便和低廉的特点，从而获得一种在工艺上与当今主流的微电子Si基集成工艺兼容，又更为方便实现的制备方法。所获得的Si纳米环结构可为量子光电信息技术提供了关键的基础。本专利技术的技术解决方案是利用气相自组装生长方法制备硅量子环纳米结构，首先，在等离子体增强化学汽相淀积(PECVD)系统中对衬底硅表面分别进行氩气(Ar)等离子体和氢气(H2)等离子体的预处理，在衬底硅表面形成硅纳米环的成核中心；然后，在PECVD系统中原位周期性交替使用大氢稀释硅烷气体(SiH4+H2)和纯氢气(H2)对成核中心进行硅的生长和刻蚀，形成硅量子环纳米结构。对硅衬底表面预处理，形成纳米环结构的成核中心，其密度必须控制在1～3×108/cm2，为以后环结构的生长提供条件；周期性交替使用大氢稀释硅烷气和氢气进行硅生长和刻蚀的方法是在每个周期当中，使用大氢稀释硅烷在成核中心进行硅的生长，然后以纯氢气进行硅的刻蚀。重复上述生长和刻蚀5-50个周期。在特定的工艺参数条件下，获得一个适当参数窗口实现硅纳米环结构的生长。本专利技术通过控制反应腔压力或气体流量、衬底温度、淀积时间和周期数来控制环的密度、大小、环壁高度和宽度。一般可以控制环的宽度为18nm左右，直径150～500nm。利用氩气(Ar)等离子体对硅表面进行预处理的具体条件为反应腔压力30-50Pa，处理时间280-400秒，施加等离子体的功率密度1.0±0.3W/cm2；其次，在PECVD系统之中利用氢气(H2)等离子体对硅表面进行处理，反应腔压力70-90Pa，处理时间100-160秒，施加等离子体的功率密度1.3±0.2W/cm2。利用氢的表面钝化作用，控制表面成核中心的密度控制在1～3×108/cm2。以上表面处理过程中的衬底温度控制为200±5℃。在淀积过程当中，利用SiH4+H2通过辉光分解反应所生成SiH3前驱体，淀积到衬底上。使用大氢稀释硅烷气体淀积时的具体条件为SiH4流量为1-2sccm，H2流量为130-170sccm，反应腔压力80-100Pa；在使用氢气等离子体进行刻蚀时H2流量为130-170sccm，反应腔压力80-100Pa。整个周期性交替淀积和刻蚀过程当中衬底温度为200±5℃，施加等离子体的功率密度为1.3±0.2W/cm2。本专利技术生长机制的理论基础利用PECVD系统生长非晶硅薄膜或自组装生长Si量子点结构的方法是一种广泛研究和使用的方法，但是具体的生长控制参数对其生长模式十分重要。本专利技术在PECVD系统中引入了与生长相竞争的刻蚀等机制后，寻找到适当的刻蚀和生长的平衡参数条件，能够在控制最终结构的形貌和分布密度方面获得丰富的自由度，这为实现Si纳米环结构提供了一个有力的基础。本专利技术主要通过控制生长/刻蚀方法中生长和刻蚀过程的时间序列和相对强度，寻找到一个生长Si纳米环结构的“生长控制参数窗口”。它主要是处于两种参数状态之间，一是常规的自组装生长Si量子点(nc-Si)结构或由于刻蚀作用过强而没有任何淀积效果的参数条件，二是由于氢的刻蚀作用较弱而形成表面成膜的情况。本专利技术通过表面处理，获得较为理想的初始Si点成核密度。在初始大氢稀释硅烷淀积过程中形成具有有序分布的岛状量子点结构。然后利用氢的刻蚀作用，诱导从点到环的转变。再通过平衡氢的刻蚀作用和硅烷(SiH4)的生长淀积作用，使得环在刻蚀和生长的竞争驱动下横向生长扩大，以获得所需要的尺度和形貌特性。在生长过程当中有两个关键的刻蚀和生长机理1)首先是在Si核生长过程中形成的应力分布诱本文档来自技高网...

【技术保护点】
气相自组装生长硅量子环纳米结构的制备方法，其特征是首先在等离子体增强化学汽相淀积（ＰＥＣＶＤ）系统中衬底硅表面分别进行氩气（Ａｒ）等离子体和氢气（Ｈ↓［２］）等离子体的预处理，在衬底硅表面形成硅纳米环的成核中心；然后，在ＰＥＣＶＤ系统中原位周期性交替使用大氢稀释硅烷气体（ＳｉＨ↓［４］＋Ｈ↓［２］）和纯氢气（Ｈ↓［２］）对成核中心进行硅的生长和刻蚀，形成硅量子环纳米结构。对硅衬底表面预处理，形成纳米环结构的成核中心，其密度必须控制在１～３×１０↑［８］／ｃｍ↑［２］，为以后环结构的生长提供条件；周期性交替使用大氢稀释硅烷气和氢气进行硅生长和刻蚀的方法是：在每个周期当中，使用大氢稀释硅烷在成核中心进行生长，然后以纯氢气进行硅的刻蚀。重复上述淀积和刻蚀５－５０个周期。在特定的工艺参数条件下，获得一个适当的生长控制参数窗口以实现硅纳米环结构的生长。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：余林蔚，陈坤基，李伟，徐骏，黄信凡，宋捷，李雪飞，马忠元，徐岭，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：84[中国|南京]