鍺硅低維量子結(jié)構(gòu)制備研究.pdf

1、鍺硅材料在光電子、納米材料等領(lǐng)域有獨特的優(yōu)勢并得到了日益廣泛的應(yīng)用，具有成本低、可以與大規(guī)模硅工藝生產(chǎn)兼容的優(yōu)勢。而作為Ⅳ族材料的典型代表，鍺硅固有的間接帶隙帶來的發(fā)光(探測)效率低嚴重影響了其在器件當中的應(yīng)用。而這一點恰恰可以通過引入量子點和薄膜材料這樣的低維量子結(jié)構(gòu)的方法進行有效改善。
　　 利用鍺硅材料4.2％的晶格失配，在外延生長到臨界厚度時，應(yīng)力釋放形成的表面起伏被認為是獲得自組裝鍺量子點的有效手段。但由于生長模式中浸

2、潤層的存在，傳統(tǒng)鍺硅外延生長獲得的鍺量子點的一個重要問題是尺寸較大(直徑30nm)而密度(～1010cm-2)難以進一步提高，此外這樣自發(fā)形成的機制使得獲得量子點的位置隨機。而理論和實驗都表明，高密度、小尺寸且排布有序的鍺量子點對于提高探測器(發(fā)光器件)的效率至關(guān)重要。此外，通過生長工藝的改善，降低鍺硅外延薄膜當中存在的位錯有利于獲得高響應(yīng)速度、低暗電流的器件。
　　 本文即借助于分子束外延薄膜生長設(shè)備，研究了硅襯底上生長鍺量子

3、點和薄膜材料的工藝，以及在此基礎(chǔ)上完成相關(guān)器件的制備。主要包括以下幾個方面的內(nèi)容：
　　 1.分子束外延生長設(shè)備概況，以及對于鍺硅材料外延生長研究中常用的測試手段的介紹，如腐蝕坑測試、掃描電子顯微鏡、拉曼光譜和熒光光譜等。尤其我們對于反射式高能電子衍射(RHEED)進行了系統(tǒng)的研究，不同衍射斑點的判讀有利于我們更有效的對生長過程進行實時監(jiān)控。
　　 2.在化學(xué)氧化生成的高質(zhì)量的SiO2表面，不論是進行直接淀積還是室溫淀積

4、后進行退火，都被證明是獲得高密度(～1011cm-2)鍺量子點的有效的緩沖層。我們結(jié)合多種測試手段，研究了SiO2表面上鍺量子點成核的機理，認為由于表面能的差別，鍺在SiO2表面生長時并不遵循S-K生長模式，因此更容易獲得小尺寸高密度的量子點。通過不同的實驗設(shè)計，我們分析了生長工藝的改變對于微觀納米結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律。
　　 3.為了提高自組裝量子點成核位置的有序性，我們利用多孔氧化鋁薄膜(PAM)的天然六角周期結(jié)構(gòu)貼在硅片表面作為

5、模板。處理后放入分子束外延薄膜生長設(shè)備中進行鍺的沉積，后期再用物理方法將模板剝離。通過生長工藝的優(yōu)化(襯底溫度為400℃-500℃，淀積厚度25nm左右)獲得排列有序的鍺量子點，同時尺寸的均勻性也得到了很大提高。
　　 4.另外，我們研究了降低外延鍺薄膜位錯的方法，重點介紹了通過低溫種子層插入、后期循環(huán)退火等方法，實驗證明可以有效降低外延鍺膜的位錯密度(從108cm-2到106cm-2)。利用高質(zhì)量鍺膜，我們嘗試了鍺基底上MSM