專利名稱：量子點(diǎn)形成方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體器件制作方法，尤指一種量子點(diǎn)形成方法。
背景技術(shù)：
量子點(diǎn)(Quantum Dot，簡稱QD)是一種零維自由的量子結(jié)構(gòu)(ZeroDimensional Quantum Structures)，其在各個(gè)方向的尺寸大小均在10nm左右。當(dāng)顆粒尺寸達(dá)到納米量級時(shí)，尺寸限域?qū)⒁鸪叽缧?yīng)、量子限域、宏觀量子隧道效應(yīng)及表面效應(yīng)。因此，量子點(diǎn)展現(xiàn)出許多不同于宏觀材料的物理及化學(xué)性質(zhì)。
近年來，半導(dǎo)體量子點(diǎn)發(fā)展出許多用途，例如高性能單電子器件、生物醫(yī)學(xué)器件、傳感及探測器件、光學(xué)器件等，已經(jīng)引起廣泛的討論及研究。
目前，大多利用量子阱(Quantum Well)結(jié)構(gòu)進(jìn)一步形成量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)。例如，美國專利第5,229,332號及美國專利第6,730,531號，其利用一基底或磊晶成長一量子阱薄膜結(jié)構(gòu)后，再以各種不同的光罩制版及蝕刻技術(shù)，在量子阱薄膜上形成量子點(diǎn)。然而，這些方法會產(chǎn)生許多表面能態(tài)(Surface State)。這些表面能態(tài)將成為非發(fā)光的結(jié)合中心(Non-radiative RecombinationCenter)的主要來源，進(jìn)而使得量子點(diǎn)的光學(xué)性質(zhì)變差，例如，目前的量子點(diǎn)的發(fā)光強(qiáng)度較量子阱結(jié)構(gòu)低，且其光學(xué)能態(tài)寬度也多半比量子阱結(jié)構(gòu)寬。因此，有必要避免在量子點(diǎn)制備過程中產(chǎn)生大量的表面能態(tài)，從而改善量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)的光學(xué)性能。
目前可避免在量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)制備過程中產(chǎn)生大量表面能態(tài)的量子點(diǎn)形成方法，可參閱美國專利第5,482,890號。其在基板上形成一量子阱薄膜；利用分子束磊晶(MBE)等方法，在上述量子阱薄膜上形成厚度為0.5原子層厚度的掩模層(Masking Layer)，該掩模層的活化能大于上述量子阱薄膜的活化能，且成長的厚度為0.5原子層厚度，因此上述掩模層無法均勻覆蓋住上述量子阱薄膜，而形成點(diǎn)狀覆蓋的情形；然后利用熱蝕刻(Thermal Etching)將未被上述掩模層覆蓋的量子阱薄膜蒸發(fā)，進(jìn)而形成量子點(diǎn)。
由于上述過程未使用光罩制版及蝕刻的方式，故可避免表面能態(tài)的大量產(chǎn)生。但是，上述制程中是采用熱蝕刻方法將未被掩模層覆蓋的量子阱薄膜中的原子蒸發(fā)掉而形成量子點(diǎn)；因此，量子點(diǎn)的尺寸可控性較差，從而導(dǎo)致難以獲得預(yù)定尺寸的量子點(diǎn)。
而在實(shí)際應(yīng)用中，量子點(diǎn)的物理及化學(xué)性質(zhì)的尺寸依賴性及成分依賴性較大；例如，由于量子限域效應(yīng)的存在，不同尺寸的量子點(diǎn)具有不同的發(fā)光特性。
有鑒于此，有必要提供一量子點(diǎn)形成方法，以解決目前量子點(diǎn)制程中量子點(diǎn)尺寸可控性差、產(chǎn)生大量表面能態(tài)的不足。

發(fā)明內(nèi)容為解決先前技術(shù)中量子點(diǎn)制程中量子點(diǎn)尺寸可控性差、產(chǎn)生大量表面能態(tài)的不足；本發(fā)明提供一量子點(diǎn)形成方法，在量子點(diǎn)形成過程中，量子點(diǎn)尺寸可控性好，且可避免大量表面能態(tài)的產(chǎn)生。
為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，本發(fā)明提供量子點(diǎn)形成方法，包括以下步驟首先，在一基底(Substrate)上形成一金屬薄膜；然后，采用原子力顯微探針(Atomic Force Microscopy Probe)在上述金屬薄膜上形成一納米孔洞結(jié)構(gòu)；在上述具有納米孔洞結(jié)構(gòu)的金屬薄膜上形成一第二膜層；去除上述金屬薄膜及位于金屬薄膜上的第二膜層，以在上述基底上獲得一量子點(diǎn)。
上述基底的材質(zhì)包括半導(dǎo)體材料。
上述第二膜層的材質(zhì)包括半導(dǎo)體材料。
所述金屬薄膜包括金、鋁、銅薄膜。
上述原子力顯微探針包括硅探針、氮化硅探針及碳納米管(CarbonNanotube)探針。
相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明所提供的量子點(diǎn)形成方法，通過原子力顯微探針形成預(yù)定尺寸的納米孔洞結(jié)構(gòu)，無須光罩制版，可避免大量表面能態(tài)的產(chǎn)生；且在其上形成納米孔洞結(jié)構(gòu)的金屬薄膜具有有限的熱膨脹系數(shù)，納米孔洞結(jié)構(gòu)在高溫沉積過程中尺寸不變，進(jìn)而可獲得預(yù)定尺寸的量子點(diǎn)；因此所獲得的量子點(diǎn)的尺寸可控性好；并且，可以通過更換大小不同的探針以改變量子點(diǎn)的尺寸。

圖1～圖4是相關(guān)本發(fā)明實(shí)施例的量子點(diǎn)形成的流程示意圖。
具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖將對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
參見圖1～圖4，本發(fā)明所提供的量子點(diǎn)形成方法，包括以下步驟首先，提供一半導(dǎo)體材料基底1(例如硅、鍺、砷化鎵、氮化銦鎵、氮化鎵、氮化銦，本實(shí)施例采用硅)，在基底1上濺鍍一金屬薄膜2，金屬薄膜2具有有限的熱膨脹系數(shù)、耐高溫，本實(shí)施例采用金(Au)薄膜；該金屬薄膜2的厚度不大于原子力顯微探針4的長度。金屬薄膜2的形成可通過在高真空室內(nèi)充入氬氣，氣體在高電場作用下，形成高能量離子流，轟擊金靶，使金分子高速濺射到硅片上，沉積成金屬薄膜2。
然后，采用原子力顯微探針在上述金屬薄膜2上壓印形成納米孔洞結(jié)構(gòu)21。由于原子力顯微探針4具有高長徑比(aspect ratio)的結(jié)構(gòu)，其針尖達(dá)到納米級，且探針具有較高的機(jī)械強(qiáng)度；故，其可于上述金屬薄膜2上形成納米孔洞結(jié)構(gòu)21。當(dāng)所需量子點(diǎn)粒徑大小為20nm～40nm時(shí)，可以采用硅探針或氮化硅(Si3N4)探針；若所需量子點(diǎn)粒徑大小為2nm～20nm時(shí)，則采用碳納米管探針；碳納米管的尖端半徑約數(shù)納米，長度又可達(dá)到數(shù)微米，具有相當(dāng)高的長徑比，加上其優(yōu)異的機(jī)械與曲饒?zhí)匦裕词箯澢?0°以上也不會折斷，所以利用碳納米管作為原子力顯微探針，不僅耐用，而且可大大增加分辨率。
將上述硅基底1及其上的具有納米孔洞結(jié)構(gòu)21的金屬薄膜2置于一真空腔(圖中未示出)內(nèi)，采用有機(jī)金屬化學(xué)氣相沉積(Metal Organic ChemicalVapor Deposition，簡稱MOCVD)法在上述具有納米孔洞結(jié)構(gòu)21的金屬薄膜2上沉積一第二膜層3(為半導(dǎo)體材料，本實(shí)施例采用氮化鎵)，即在納米孔洞結(jié)構(gòu)中生長出量子點(diǎn)31。有機(jī)金屬化學(xué)氣相沉積過程的溫度控制在500℃～600℃左右，第二膜層3的厚度可通過沉積時(shí)間長短來控制；由于金具有較小的熱膨脹系數(shù)，因此納米孔洞結(jié)構(gòu)21尺寸沒有變化；而納米孔洞結(jié)構(gòu)21內(nèi)形成的量子點(diǎn)31的尺寸大小完全由納米孔洞結(jié)構(gòu)21決定，因此可獲得與預(yù)定尺寸的量子點(diǎn)31。
采用標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體制程(Standard Semiconductor Process)將金屬薄膜2及位于金屬薄膜2之上的第二膜層以蝕刻方式(例如，濕式蝕刻)去除，最終在硅基底1上獲得所需量子點(diǎn)31(如圖4所示)。
另一實(shí)施例中，所述第二膜層包括硅、鍺、砷化鎵、氮化銦鎵、氮化銦。
另一實(shí)施例中，所述金屬薄膜包括鋁薄膜及銅薄膜。
另一實(shí)施例中，在同一基底上通過更換尺寸不同的原子力顯微探針在金屬薄膜上形成尺寸不同的納米孔洞結(jié)構(gòu)，進(jìn)而在同一基底上獲取尺寸不同的量子點(diǎn)。
另外，本領(lǐng)域技術(shù)人員還可在本發(fā)明精神內(nèi)做其它變化，如采用其它方法在基底上形成金屬薄膜、采用其它方法在基底上生長量子點(diǎn)、采用其它基底材質(zhì)及量子點(diǎn)材質(zhì)等設(shè)計(jì)。當(dāng)然，這些依據(jù)本發(fā)明精神所做的變化，都應(yīng)包含在本發(fā)明所要求保護(hù)的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種量子點(diǎn)形成方法，包括下列步驟在一基底上形成一金屬薄膜；采用原子力顯微探針在上述薄膜上形成一納米孔洞結(jié)構(gòu)；在上述具有納米孔洞結(jié)構(gòu)的金屬薄膜上形成一第二膜層；去除上述金屬薄膜及位于金屬薄膜之上的第二膜層，進(jìn)而在上述基底上獲得一量子點(diǎn)。
2.如權(quán)利要求1所述的量子點(diǎn)形成方法，其特征在于所述基底包括半導(dǎo)體材料。
3.如權(quán)利要求1所述的量子點(diǎn)形成方法，其特征在于所述金屬薄膜包括金、鋁、銅薄膜。
4.如權(quán)利要求1所述的量子點(diǎn)形成方法，其特征在于所述第二膜層的材質(zhì)包括半導(dǎo)體材料。
5.如權(quán)利要求2或4所述的量子點(diǎn)形成方法，其特征在于所述半導(dǎo)體材料包括硅、鍺、砷化鎵、氮化銦、氮化銦鎵、氮化鎵。
6.如權(quán)利要求1所述的量子點(diǎn)形成方法，其特征在于所述原子力顯微探針包括硅探針、氮化硅探針。
7.如權(quán)利要求6所述的量子點(diǎn)形成方法，其特征在于所述量子點(diǎn)粒徑大小為20nm～40nm。
8.如權(quán)利要求1所述的量子點(diǎn)形成方法，其特征在于所述原子力顯微探針包括碳納米管探針。
9.如權(quán)利要求8所述的量子點(diǎn)形成方法，其特征在于所述量子點(diǎn)粒徑大小為2nm～20nm。
10.如權(quán)利要求1所述的量子點(diǎn)形成方法，其特征在于所述金屬薄膜是通過濺鍍法形成。
11.如權(quán)利要求1所述的量子點(diǎn)形成方法，其特征在于所述第二膜層是通過化學(xué)氣相沉積法形成。
12.如權(quán)利要求1所述的量子點(diǎn)形成方法，其特征在于所述金屬薄膜及位于金屬薄膜之上的第二膜層是通過蝕刻去除。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種量子點(diǎn)形成方法。該量子點(diǎn)形成方法其包括以下步驟首先，在一基底上形成一金屬薄膜；采用原子力顯微探針在上述金屬薄膜上形成一納米孔洞結(jié)構(gòu)；然后，在上述具有納米孔洞結(jié)構(gòu)的金屬薄膜上沉積一第二膜層；最終，去除上述金屬薄膜及位于金屬薄膜上的第二膜層，進(jìn)而在上述基底上獲得一量子點(diǎn)。本發(fā)明所提供的量子點(diǎn)形成方法，是通過原子力顯微探針首先形成預(yù)定尺寸的納米孔洞結(jié)構(gòu)，且由于金屬具有有限的熱膨脹系數(shù)，因此對設(shè)計(jì)的量子點(diǎn)尺寸可以有效控制。此外，本量子點(diǎn)形成方法可避免大量表面能態(tài)的產(chǎn)生。
文檔編號H01L21/00GK1797702SQ20041009187
公開日2006年7月5日 申請日期2004年12月23日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月23日
發(fā)明者林孟東 申請人:鴻富錦精密工業(yè)(深圳)有限公司, 鴻海精密工業(yè)股份有限公司