在绝缘衬底上直接制备石墨烯量子点阵列的方法

摘要

本发明提供一种在绝缘衬底上直接制备石墨烯量子点阵列的方法，所述制备方法包括：提供一GOI结构，所述GOI结构包括绝缘衬底，和形成于所述绝缘衬底上的锗层；对所述GOI结构进行退火处理，以于所述绝缘衬底上形成锗量子点阵列；于所述锗量子点阵列上形成石墨烯量子点阵列，其中，所述石墨烯量子点阵列中各石墨烯量子点与所述锗量子点阵列中各锗量子点一一对应，且所述石墨烯量子点包裹所述锗量子点；以及对上一步骤所得结构中的所述锗量子点阵列进行氧化挥发处理，以去除所述锗量子点阵列，实现在所述绝缘衬底上直接制备所述石墨烯量子点阵列。通过本发明解决了现有无法制备出排列有序的石墨烯量子点阵列的问题。

权利要求

1.一种在绝缘衬底上直接制备石墨烯量子点阵列的方法，其特征在于，所述制备方法包括：

步骤1)提供一GOI结构，所述GOI结构包括绝缘衬底，和形成于所述绝缘衬底上的锗层；

步骤2)对所述GOI结构进行退火处理，以于所述绝缘衬底上形成锗量子点阵列；

步骤3)于所述锗量子点阵列上形成石墨烯量子点阵列，其中，所述石墨烯量子点阵列中各石墨烯量子点与所述锗量子点阵列中各锗量子点一一对应，且所述石墨烯量子点包裹所述锗量子点；以及步骤4)对步骤3)所得结构中的所述锗量子点阵列进行氧化挥发处理，以去除所述锗量子点阵列，实现在所述绝缘衬底上直接制备所述石墨烯量子点阵列。

2.根据权利要求1所述的在绝缘衬底上直接制备石墨烯量子点阵列的方法，其特征在于，步骤2)中，对所述GOI结构进行退火处理，以于所述绝缘衬底上形成所述锗量子点阵列时，退火温度为800℃～916℃，退火时间为120min～180min，通入气体包括：氢气和氩气，所述氢气的气体流量为30sccm～50sccm，所述氩气的气体流量为300sccm～500sccm。

3.根据权利要求1所述的在绝缘衬底上直接制备石墨烯量子点阵列的方法，其特征在于，所述锗量子点的直径和所述锗层的厚度呈正相关，所述锗量子点的高度和所述锗层的厚度呈正相关。

4.根据权利要求3所述的在绝缘衬底上直接制备石墨烯量子点阵列的方法，其特征在于，所述锗层的厚度为200nm～500nm，所述锗量子点的直径为400μm～500μm，所述锗量子点的高度为200μm～220μm。

5.根据权利要求1所述的在绝缘衬底上直接制备石墨烯量子点阵列的方法，其特征在于，步骤3)中，采用化学气相沉积工艺形成所述石墨烯量子点阵列；其中，反应温度为800℃～930℃，反应时间大于180min，通入气体包括氢气、氩气和甲烷，其中，氢气和氩气的气体流量比值为1:7～1:11，甲烷的气体流量为0.2sccm～1sccm。

6.根据权利要求1所述的在绝缘衬底上直接制备石墨烯量子点阵列的方法，其特征在于，所述锗量子点的密度为10个/um2～20个/um2，所述石墨烯量子点的密度为10个/um2～20个/um2。

7.根据权利要求1所述的在绝缘衬底上直接制备石墨烯量子点阵列的方法，其特征在于，步骤4)中，对所述锗量子点阵列进行氧化挥发处理的具体方法包括：在温度为620℃～

700℃、压力为7.5E10-3Torr～3Torr的条件下，通过氧气对所述锗量子点阵列中各所述锗量子点进行氧化，以形成易挥发的氧化产物，实现利用所述氧化产物的挥发去除所述锗量子点阵列。

8.根据权利要求7所述的在绝缘衬底上直接制备石墨烯量子点阵列的方法，其特征在于，进行氧化挥发处理时，氧气的气体流量为6sccm～25sccm，氩气的气体流量为900sccm～

1000sccm，反应时间大于120min。

9.根据权利要求1所述的在绝缘衬底上直接制备石墨烯量子点阵列的方法，其特征在于，步骤1)中，所述GOI结构的制备方法包括：提供所述绝缘衬底，并采用电子束蒸发工艺、磁控溅射工艺或Smart-Cut工艺于所述绝缘衬底上形成所述锗层。

10.根据权利要求9所述的在绝缘衬底上直接制备石墨烯量子点阵列的方法，其特征在于，采用Smart-Cut工艺形成所述锗层的具体方法包括：步骤1.1)提供一锗片；

步骤1.2)采用离子注入工艺对所述锗片进行离子注入，以使离子注入至所述锗片的预设深度；

步骤1.3)将步骤1.2)所得结构与所述绝缘衬底进行键合，并通过退火以加固键合，同时在退火过程中，于所述锗片的预设深度附近形成一薄层氢气，以在氢气的作用下，将氢气层以上的锗片转移到所述绝缘衬底上，实现于所述绝缘衬底上形成所述锗层。

11.根据权利要求9或10所述的在绝缘衬底上直接制备石墨烯量子点阵列的方法，其特征在于，所述GOI结构的制备方法还包括：对所述GOI结构进行预退火处理，以增加所述锗层的表面平整度；其中，进行所述预退火处理时，退火温度为700℃～750℃，退火时间为

120min～180min，通入气体包括：氢气和氩气，所述氢气的气体流量为30sccm～50sccm，所述氩气的气体流量为300sccm～500sccm。

说明书

在绝缘衬底上直接制备石墨烯量子点阵列的方法

技术领域

[0001] 本发明属于微电子技术领域，特别是涉及一种在绝缘衬底上直接制备石墨烯量子点阵列的方法。

背景技术

[0002] 表面增强拉曼光谱是指将待测物分子吸附在粗糙金属材料表面，使待测物的拉曼信号增强的光谱现象。表面增强拉曼散射(SERS)的发现，避免了荧光背景的干扰，使拉曼散射光谱检测的精度产生了飞跃，在生物化学、生物物理和分子生物学等方面得到了广泛的应用。最早用于拉曼增强的衬底主要以金、银、铜三种金属和少数极不常用的碱金属(如锂、钠等)为主，金银等金属除了价格昂贵之外，衬底制作程序比较复杂，不同金属的增强效率差别比较大，因此寻找更好的表面拉曼增强衬底材料至关重要。

[0003] 2011年开始，一些研究团队尝试用机械剥离的石墨烯作为表面拉曼增强的衬底材料，并且成功地探测到荧光分子的拉曼信号。与贵金属相比，石墨烯结构稳定，价格低，环境友好，能够很好地吸附被探测分子。但是，石墨烯由于增强机制的限制，与传统贵金属相比，拉曼增强效果明显要弱一些；因此探索合适的拉曼增强衬底一直是表面拉曼增强光谱研究的重要课题。

[0004] 复旦大学魏大程课题组开发了一种合成石墨烯量子点的新方法，即准平衡等离子体增强化学气相沉积法，通过plasma促进甲烷分解制备出石墨烯量子点；这种方法可以直接在二氧化硅绝缘衬底上生长出石墨烯量子点，与传统溶液法合成的石墨烯量子点相比，通过这种方法生成的石墨烯量子点不用转移，可以直接作为拉曼增强衬底使用，而且测试结果表明该衬底拉曼增强效果优于普通二维石墨烯。虽然通过上述方法可以直接在二氧化硅绝缘衬底上制备石墨烯量子点，但却无法制备出排列有序的石墨烯量子点阵列。

[0005] 鉴于此，有必要设计一种新的在绝缘衬底上直接制备石墨烯量子点阵列的方法用以解决上述技术问题。

发明内容

[0006] 鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种在绝缘衬底上直接制备石墨烯量子点阵列的方法，用于解决现有无法制备出排列有序的石墨烯量子点阵列的问题。

[0007] 为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种在绝缘衬底上直接制备石墨烯量子点阵列的方法，所述制备方法包括：

[0008] 步骤1)提供一GOI结构，所述GOI结构包括绝缘衬底，和形成于所述绝缘衬底上的锗层；

[0009] 步骤2)对所述GOI结构进行退火处理，以于所述绝缘衬底上形成锗量子点阵列；

[0010] 步骤3)于所述锗量子点阵列上形成石墨烯量子点阵列，其中，所述石墨烯量子点阵列中各石墨烯量子点与所述锗量子点阵列中各锗量子点一一对应，且所述石墨烯量子点包裹所述锗量子点；以及

[0011] 步骤4)对步骤3)所得结构中的所述锗量子点阵列进行氧化挥发处理，以去除所述锗量子点阵列，实现在所述绝缘衬底上直接制备所述石墨烯量子点阵列。

[0012] 可选地，步骤2)中，对所述GOI结构进行退火处理，以于所述绝缘衬底上形成所述锗量子点阵列时，退火温度为800℃～916℃，退火时间为120min～180min，通入气体包括：氢气和氩气，所述氢气的气体流量为30sccm～50sccm，所述氩气的气体流量为300sccm～
500sccm。

[0013] 可选地，所述锗量子点的直径和所述锗层的厚度呈正相关，所述锗量子点的高度和所述锗层的厚度呈正相关。

[0014] 可选地，所述锗层的厚度为200nm～500nm，所述锗量子点的直径为400μm～500μm，所述锗量子点的高度为200μm～220μm。

[0015] 可选地，步骤3)中，采用化学气相沉积工艺形成所述石墨烯量子点阵列；其中，反应温度为800℃～930℃，反应时间大于180min，通入气体包括氢气、氩气和甲烷，其中，氢气和氩气的气体流量比值为1:7～1:11，甲烷的气体流量为0.2sccm～1sccm。

[0016] 可选地，所述锗量子点的密度为10个/um2～20个/um2，所述石墨烯量子点的密度为2 2
10个/um～20个/um。

[0017] 可选地，步骤4)中，对所述锗量子点阵列进行氧化挥发处理的具体方法包括：在温度为620℃～700℃、压力为7.5E10-3Torr～3Torr的条件下，通过氧气对所述锗量子点阵列中各所述锗量子点进行氧化，以形成易挥发的氧化产物，实现利用所述氧化产物的挥发去除所述锗量子点阵列。

[0018] 可选地，进行氧化挥发处理时，氧气的气体流量为6sccm～25sccm，氩气的气体流量为900sccm～1000sccm，反应时间大于120min。

[0019] 可选地，步骤1)中，所述GOI结构的制备方法包括：提供所述绝缘衬底，并采用电子束蒸发工艺、磁控溅射工艺或Smart-Cut工艺于所述绝缘衬底上形成所述锗层。

[0020] 可选地，采用Smart-Cut工艺形成所述锗层的具体方法包括：

[0021] 步骤1.1)提供一锗片；

[0022] 步骤1.2)采用离子注入工艺对所述锗片进行离子注入，以使离子注入至所述锗片的预设深度；

[0023] 步骤1.3)将步骤1.2)所得结构与所述绝缘衬底进行键合，并通过退火以加固键合，同时在退火过程中，于所述锗片的预设深度附近形成一薄层氢气，以在氢气的作用下，将氢气层以上的锗片转移到所述绝缘衬底上，实现于所述绝缘衬底上形成所述锗层。

[0024] 可选地，所述GOI结构的制备方法还包括：对所述GOI结构进行预退火处理，以增加所述锗层的表面平整度；其中，进行所述预退火处理时，退火温度为700℃～750℃，退火时间为120min～180min，通入气体包括：氢气和氩气，所述氢气的气体流量为30sccm～50sccm，所述氩气的气体流量为300sccm～500sccm。

[0025] 如上所述，本发明的一种在绝缘衬底上直接制备石墨烯量子点阵列的方法，具有以下有益效果：

[0026] 通过本发明所述制备方法，可以实现直接在绝缘衬底上制备排列有序的阵列化石墨烯量子点，而且制备的石墨烯量子点工艺稳定、质量好。

[0027] 本发明所述制备方法与传统半导体工艺相兼容，有利于促进石墨烯量子点在微电子领域的产业化应用。

附图说明

[0028] 图1显示为本发明所述制备方法的流程图。

[0029] 图2至图13显示为本发明所述制备方法中各步骤的结构示意图，其中，图7为图6沿AA’方向的截面图，图9为图8沿AA’方向的截面图，图11为图10沿AA’方向的截面图，图13为图12沿AA’方向的截面图。

[0030] 元件标号说明

[0031] 10                     GOI结构

[0032] 11                     绝缘衬底

[0033] 12                     锗片

[0034] 13                     锗层

[0035] 20                     锗量子点阵列

[0036] 30                     石墨烯量子点阵列

具体实施方式

[0037] 以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

[0038] 请参阅图1至图13。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

[0039] 如图1所示，本实施例提供一种在绝缘衬底上直接制备石墨烯量子点阵列的方法，所述制备方法包括：

[0040] 步骤1)提供一GOI结构10，所述GOI结构10包括绝缘衬底11，和形成于所述绝缘衬底11上的锗层13；

[0041] 步骤2)对所述GOI结构10进行退火处理，以于所述绝缘衬底11上形成锗量子点阵列20；

[0042] 步骤3)于所述锗量子点阵列20上形成石墨烯量子点阵列30，其中，所述石墨烯量子点阵列30中各石墨烯量子点与所述锗量子点阵列20中各锗量子点一一对应，且所述石墨烯量子点包裹所述锗量子点；

[0043] 步骤4)对步骤3)所得结构中的所述锗量子点阵列20进行氧化挥发处理，以去除所述锗量子点阵列20，实现在所述绝缘衬底11上直接制备所述石墨烯量子点阵列30。

[0044] 下面请结合图1，参阅图2至图13对本实施例在绝缘衬底上直接制备石墨烯量子点阵列的方法进行详细说明。

[0045] 如图6和图7所示，提供一GOI结构10，所述GOI结构10包括绝缘衬底11，和形成于所述绝缘衬底11上的锗层13。

[0046] 作为示例，所述GOI结构10的制备方法包括：提供所述绝缘衬底11，并采用电子束蒸发工艺、磁控溅射工艺或Smart-Cut(智能剥离)工艺于所述绝缘衬底11上形成所述锗层13。可选地，在本实施例中，采用Smart-Cut(智能剥离)工艺于所述绝缘衬底11上形成所述锗层13，以使形成的所述锗层13的质量较好；其中，如图2至图7所示，采用Smart-Cut(智能剥离)工艺于所述绝缘衬底11上形成所述锗层13的具体方法包括：

[0047] 如图3所示，提供一锗片12；

[0048] 如图4所示，采用离子注入工艺对所述锗片12进行离子注入，以使离子注入至所述锗片12的预设深度；

[0049] 如图5至图7所示，将上一步骤所得结构与所述绝缘衬底11进行键合，并通过退火以加固键合，同时在退火过程中，于所述锗片12的预设深度附近形成一薄层氢气，以在氢气的作用下，将氢气层以上的锗片12转移到所述绝缘衬底11上，实现于所述绝缘衬底11上形成所述锗层13。

[0050] 具体的，采用氢离子进行离子注入，由于所述氢离子的离子注入能量和离子注入剂量与所述离子注入深度相关，故为了确保后续形成的所述锗层13的厚度，需合理设计本实施例中离子注入能量和离子注入剂量。可选地，在本实施例中，所述锗层13的厚度为200nm～500nm。

[0051] 具体的，所述退火温度为300℃～500℃，退火过程中，通入气体包括氢气和氩气，其中，氢气的气体流量和氩气的气体流量的比值为1:10；在实现加固键合的同时，于所述锗片12的预设深度附近形成一薄层氢气，实现利用氢气剥离部分所述锗片12，从而于所述绝缘衬底11上形成所述锗层13。

[0052] 具体的，所述绝缘衬底11的材质为任意平整度很高的绝缘衬底材料，以确保后续形成的所述锗层13具有较高平整度。可选地，所述绝缘衬底11的材质包括二氧化硅、硅、蓝宝石或玻璃。进一步可选地，在本实施例中，所述绝缘衬底11的材质为二氧化硅。需要注意的是，本实施例仅是给出了几种优选的绝缘衬底的材质，而非对本实施例所述绝缘衬底的材质进行限定，其它合适的绝缘衬底材质同样适用于本实施例。

[0053] 作为示例，于所述绝缘衬底11上形成所述锗层13后，所述GOI结构10的制备方法还包括：对所述GOI结构10进行预退火处理，以增加所述锗层13的表面平整度；其中，进行所述预退火处理时，退火温度为700℃～750℃，退火时间为120min～180min，通入气体包括：氢气和氩气，所述氢气的气体流量为30sccm～50sccm，所述氩气的气体流量为300sccm～500sccm。

[0054] 如图8和图9所示，对所述GOI结构10进行退火处理，以于所述绝缘衬底11上形成锗量子点阵列20；由于所述锗层13是具有晶向的，故在对所述GOI结构10进行退火处理后，所述锗量子点阵列20中各所述锗量子点均是沿着晶向凝聚，并形成阵列型的量子点。

[0055] 作为示例，对所述GOI结构10进行退火处理，以于所述绝缘衬底11上形成所述锗量子点阵列20时，退火温度为800℃～916℃，退火时间为120min～180min，通入气体包括：氢气和氩气，所述氢气的气体流量为30sccm～50sccm，所述氩气的气体流量为300sccm～500sccm。可选地，在本实施例中，退火温度为800℃，退火时间为120min，通入氢气的气体流量为50sccm，通入氩气的气体流量为500sccm。

[0056] 作为示例，所述锗量子点的直径和所述锗层13的厚度呈正相关，所述锗量子点的高度和所述锗层13的厚度呈正相关。可选地，在本实施例中，当所述锗层13的厚度为200nm～500nm时，所述锗量子点的直径为400μm～500μm，所述锗量子点的高度为200μm～220μm。

[0057] 如图10和图11所示，利用锗对石墨烯的生长具有催化作用，于所述锗量子点阵列20上形成石墨烯量子点阵列30，其中，所述石墨烯量子点阵列30中各石墨烯量子点与所述锗量子点阵列20中各锗量子点一一对应，且所述石墨烯量子点包裹所述锗量子点。

[0058] 作为示例，采用化学气相沉积工艺形成所述石墨烯量子点阵列30，其中，化学气相沉积工艺包括但不限于热化学气相沉积工艺、低压化学气相沉积工艺或等离子增强化学气相沉积工艺等。需要注意的是，由于锗对于石墨烯的生长具有催化作用，故在所述锗量子点阵列20中的各所述锗量子点的催化下，采用化学气相沉积工艺可直接在所述锗量子点表面形成包裹所述锗量子点的石墨烯量子点，从而形成石墨烯量子点阵列30。

[0059] 具体的，采用化学气相沉积工艺形成所述石墨烯量子点阵列时，反应温度为800℃～930℃，反应时间大于180min，通入气体包括氢气、氩气和甲烷，其中，氢气和氩气的气体流量比值为1:7～1:11，甲烷的气体流量为0.2sccm～1sccm。可选地，在本实施例中，反应温度为916℃，反应时间大于240min～300min，氢气的气体流量为23sccm，氩气的气体流量为220sccm，甲烷的气体流量为0.7sccm。

[0060] 具体的，所述锗量子点的密度为10个/um2～20个/um2，所述石墨烯量子点的密度为10个/um2～20个/um2。

[0061] 如图12和图13所示，对上一步骤所得结构中的所述锗量子点阵列20进行氧化挥发处理，以去除所述锗量子点阵列20，实现在所述绝缘衬底11上直接制备所述石墨烯量子点阵列30。需要注意的是，由于石墨烯量子点表面具有一定的缺陷，故通过缺陷位置即可实现对所述锗量子点进行氧化挥发处理。

[0062] 作为示例，对所述锗量子点阵列20进行氧化挥发处理的具体方法包括：在温度为620℃～700℃、压力为7.5E10-3Torr～3Torr的条件下，通过氧气对所述锗量子点阵列20中各所述锗量子点进行氧化，以形成易挥发的氧化产物，实现利用所述氧化产物的挥发去除所述锗量子点阵列20；其中，进行氧化挥发处理时，氧气的气体流量为6sccm～25sccm，氩气的气体流量为900sccm～1000sccm，反应时间大于120min。需要注意的是，通过调节氧气的气体流量或者反应温度，可以于绝缘衬底11上制备不同质量的石墨烯量子点；而在进行氧化挥发处理时，氧气的气体流量和氩气的气体流量是匹配的，并且，氧气的气体流量和氩气的气体流量比值大小和反应时间呈负相关；而本实施例给出的所述氧气的气体流量、氩气的气体流量和反应时间仅是优选值，而非对本实施例所述氧化挥发处理的气体流量和反应时间进行限制，在能够完全去除所述锗量子点阵列中各所述锗量子点的情况下，气体流量和反应时间限定于其它数值范围也是可行的，但氩气的气体流量需跟随氧气的气体流量进行同比例增大。

[0063] 可选地，在本实施例中，在温度为650℃、压力为7.5E10-3Torr的条件下，向氧化退火炉中通入气体流量为12sccm的氧气和气体流量为900sccm的氩气，使得氧气与所述锗量子点进行氧化，以形成易挥发的氧化产物(二氧化锗)；而低温低压的反应条件会进一步促进氧化产物的挥发，使得氧化产物从缺陷位置向其它位置逐渐挥发，随着氧化时间(本实施例所述反应时间为180min)的推进，氧化产物完全挥发，即完全去除了位于所述绝缘衬底11和所述石墨烯量子点阵列30之间的所述锗量子点阵列20，实现于所述绝缘衬底11上直接形成所述石墨烯量子点阵列，此时所述石墨烯量子点是通过分子间的作用力(范德华力)形成于所述绝缘衬底11的上表面。

[0064] 综上所述，本发明的一种在绝缘衬底上直接制备石墨烯量子点阵列的方法，具有以下有益效果：通过本发明所述制备方法，可以实现直接在绝缘衬底上制备排列有序的阵列化石墨烯量子点，而且制备的石墨烯量子点工艺稳定、质量好。本发明所述制备方法与传统半导体工艺相兼容，有利于促进石墨烯量子点在微电子领域的产业化应用。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

[0065] 上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。