[發明專利]一種鍺材料表面穩定鈍化的方法

無效

• 申請號: 201410406487.3
• 申請日: 2014-08-18
• 公開（公告）號: CN104157554A
• 公開（公告）日: 2014-11-19
• 發明（設計）人: 許寶建;蔡奇;金慶輝;趙建龍;葉林;狄增峰
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海微系統與信息技術研究所
• 主分類號: H01L21/02
• 分類號: H01L21/02
• 代理公司: 上海智信專利代理有限公司 31002
• 代理人: 潘振甦

技術領域

本發明涉及一種鍺材料表面穩定鈍化的方法，具體涉及一種通過硫醇試劑處理實現鍺表面穩定鈍化的新型方法。屬于半導體材料技術應用領域。

背景技術

目前半導體材料的電子器件因其高靈敏度與優良的選擇性使其在生物傳感應用中得到了快速發展。作為一種典型的半導體材料，基于硅材料的生物傳感器已被廣泛研究。而作為硅的同族半導體材料——鍺(Ge)，與Si相比，Ge的電子和空穴遷移率分別是Si的3倍和4倍，而且Ge的禁帶寬度比Si要小得多。因此，Ge作為溝道材料可實現高遷移率的電子器件，有望在高性能生化傳感器領域中得到廣泛應用。但是作為一種先于Si發現的半導體材料，Ge不像Si那樣能形成穩定的表面氧化層(SiO₂)，Ge材料表面自然狀態下容易生成介電常數小、熱穩定性差且缺陷密度大的氧化層(GeO_x)，并且氧化層的成分受濕度、晶向、光照等多種因素的影響。Ge雖然先于Si用于半導體器件的制備，但是缺乏穩定的表面極大地抑制了Ge材料在微電子領域的快速發展，進而影響了其在生物電子學領域的應用。

然而，欲想要將Ge材料用于生化傳感領域，首要的問題是需要獲取表面穩定的Ge材料。在目前已報道的一系列的Ge表面鈍化方法中[G.Collins,J.D.Holmes.Chemical?functionalisation?of?silicon?and?germanium?nanowires[J].Journal?of?Materials?Chemistry,2011,21(30):11052‐11069.]，一般先用氫鹵酸(HF、HCl、HBr或HI等)除去Ge表面的氧化層，實現Ge表面的初步鈍化，然后通過與Grignard試劑、光化學、重氮鹽或者鍺烷化反應達到表面鈍化的效果。從目前報道的結果來看，在多種Ge表面鈍化處理方法中，通過HF處理的Ge表面在空氣中只能維持十幾分鐘的穩定性[T.Deegan,G.Hughes.An?X‐ray?photoelectron?spectroscopy?study?of?the?HF?etching?of?native?oxides?on?Ge(111)and?Ge(100)surfaces[J].Applied?Surface?Science,1998,123:66‐70.]，而通過HCl處理的Ge表面穩定性也不超過2h[D.Bodlaki,H.Yamamoto,D.H.Waldeck,E.Borguet.Ambient?stability?of?chemically?passivated?germanium?interfaces[J].Surface?Science,2003,543:63‐74.；王盛凱等.一種對鍺片進行清洗及表面鈍化的方法[P].中國專利:CN103681245A,2014‐03‐26.]。此外，通過Ge-C或Ge-S連接實現的長碳鏈(—(CH₂)_n—)保護能持續的時間一般也不超過48h[譚葛明等.一種鍺的表面鈍化方法[P].中國專利:CN102005390B,2012‐10‐17.]，而且該穩定時間如果在水相(高濕度)條件下會大大降低，這些都不利于Ge材料的后續應用。因此，目前急需一種高效的Ge表面鈍化方法，能夠實現Ge材料表面的長時間鈍化保護。

發明內容

本發明的目的在于提供一種鍺材料表面穩定鈍化的方法，以滿足Ge材料的應用需求，具體地說本發明提出了一種利用Ge與硫醇(R-SH，此處選擇的硫醇一般含有長碳鏈(CH₃(CH₂)_nSH，n≥9)，典型的如十二硫醇(n＝11)、十六硫醇(n＝15)、十八硫醇(n＝17)等)在特定條件下反應的方法，通過調整反應體系的成分和反應的溫度，實現Ge表面氧化層與金屬離子的有效去除，獲得表面氯化的Ge片，然后浸泡到長碳鏈硫醇溶液中進行鈍化處理，Ge表面自組裝上長碳鏈硫醇分子，實現Ge表面的穩定鈍化保護，所述的長碳鏈硫醇為CH₃(CH₂)_nSH，n≥9。

為達到本發明的上述目的，本發明提出的一種Ge材料表面穩定鈍化方法，具體步驟如下：

步驟1：將Ge片分依次置于丙酮和乙醇溶液中進行超聲清洗，有效去除Ge片表面的有機污染物；

步驟2：依次采用去離子水和鹽酸溶液對Ge片進行浸泡清洗，有效去除Ge片表面殘留的氧化層與金屬離子；并用氮氣吹干得到表面氯化的Ge片；

步驟3：采用乙醇和水的混合液配制用于鈍化的硫醇溶液；