溅射沉积自诱导混晶界面与Ge量子点的生长研究

在不同的沉积温度下采用离子束溅射技术,在Si基底上生长得到分布密度高、尺寸单模分布的圆顶形Ge量子点.研究发现:随沉积温度的升高Ge量子点的分布密度增大,尺寸减小,当沉积温度升高到750 ℃时,溅射沉积15个单原子层厚的Ge原子层,生长得到高度和底宽分别为14.5和52.7 nm的Ge量子点,其分布密度高达1.68×10¹⁰ cm^-2;Ge量子点的形貌、尺寸和分布密度随沉积温度的演变规律与热平衡状态下气相凝聚的量子点不同,具有稳定形状特征和尺寸分布的Ge量子点是 关键词： Ge量子点 离子束溅射沉积 表面原子行为 混晶界面     

原子轰击调制离子束溅射沉积Ge量子点的生长演变

采用离子束溅射沉积的方法在Si衬底上生长Ge量子点,观察到量子点的生长随Ge原子层沉积厚度θ的增加经历了两个不同的阶段.当θ在6—10.5个单原子层(ML)范围内时,量子点的平均底宽和平均高度随θ增加同时增大,生长得到高宽比较小的圆顶形Ge量子点,伴随着量子点的生长,二维浸润层的厚度同时增大,量子点的分布密度缓慢增加;当θ在11.5一17 ML范围内时,获得高宽比较大的圆顶形Ge量子点,量子点以纵向生长为主导,二维浸润层的离解促进量子点的成核和长大,量子点的分布密度随θ的增加快速增大;量子点在θ由10.5 ML增加到11.5 ML时由一个生长阶段转变到另一个生长阶段,其分布密度同时发生6.4倍的增加.离子束溅射沉积Ge量子点的生长演变与在热平衡状态下生长的量子点不同,在量子点的不同生长阶段,其表面形貌和分布密度的变化特点是在热力学条件限制下表面原子动态演变的结果,θ的变化是引起系统自由能改变的主要因素.携带一定动能的溅射原子对生长表面的轰击促进表面原子的扩散迁移,同时压制量子点的成核,在浸润层中形成超应变状态,因而,改变体系的能量和表面原子的动力学行为,对量子点的生长起重要作用.     

离子束溅射自组装Ge/Si量子点生长的演变

采用离子束溅射技术,通过改变Ge的沉积量,在n型Si(100)衬底上自组装生长了一系列Ge量子点样品. 利用AFM和Raman光谱对样品表面形貌和结构进行表征,系统地研究了Ge量子点形貌、密度、尺寸大小以及Ge的结晶性和量子点中组分等随Ge沉积量的演变规律. 结果表明:Ge层从二维薄层向三维岛过渡过程中,没有观察到传统的由金字塔形向圆顶形量子点过渡,而是直接呈圆顶形生长;且随着Ge沉积量的增加,量子点密度先增大后减小,Ge的结晶性增强同时Ge/Si互混加剧,量子点中Si的组分增加. 关键词： 离子束溅射 量子点 表面形貌 Raman光谱     

小尺寸Si/Ge量子点内应变和组分的拉曼光谱表征

本文详细地研究了原始生长和退火处理后的Si/Ge量子点的拉曼光谱。我们观测到了Si/Ge量子点的一系列本征的拉曼振动模以及Ge-Ge模的LO和TO声子峰间4.2cm-1的频率劈裂。通过这些参数,我们自洽地确定了原始生长的平面直径为20nm和高为2nm的Si/Ge量子点内Ge的平均组分为80%,平均应变为-3.4%。分析清楚地表明了这种小尺寸的Si/Ge量子点内的应变仍遵从双轴应变,并且应变的释放主要由量子点和Si隔离层间Si-Ge原子互扩散决定。     

同步辐射X射线掠入射衍射实验技术及应用

利用北京同步辐射装置漫散射实验站的五圆衍射仪,建立了掠入射X射线衍射实验方法.对Si表面生长的Ge/Si量子点及其在Si表层产生的应变进行了成功测量,表明此方法可以有效地提取表面层的微弱信号.实验结果表明,Ge/Si量子点的形成除了在Si衬底表层形成了晶格具有横向膨胀应变的区域之外,还在Si衬底中形成了具有横向压缩应变的区域.     

掺杂对多层Ge/Si(001)量子点光致发光的影响

利用超高真空化学气相沉积设备, 在Si (001) 衬底上外延生长了多个四层Ge/Si量子点样品. 通过原位掺杂的方法, 对不同样品中的Ge/Si量子点分别进行了未掺杂、磷掺杂和硼掺杂. 相比未掺杂的样品, 磷掺杂不影响Ge/Si量子点的表面形貌, 但可以有效增强其室温光致发光; 而硼掺杂会增强Ge/Si量子点的合并, 降低小尺寸Ge/Si量子点的密度, 但其光致发光会减弱. 磷掺杂增强Ge/Si量子点光致发光的原因是, 磷掺杂为Ge/Si量子点提供了更多参与辐射复合的电子. 关键词： Ge/Si量子点 磷掺杂 光致发光     

隔离层厚度和盖层厚度对InAs/GaAs量子点应变分布和发射波长的影响

分析了量子点盖层生长过程中隔层厚度对应变分布的影响,指出隔层材料的纵向晶格常数与量子点材料的纵向晶格常数对应变分布具有重要意义.定性说明了应变因素在隔离层生长过程中对量子点高度塌陷产生的影响.讨论了当隔离层顶面与量子点高度持平后,增加盖层厚度对应变分布的影响.基于变形势理论,讨论了上述几何参数的变化对发光波长的影响,并与实验结果进行了对比.结果表明,在量子点加盖过程中,应变因素对其形貌和发光特性具有重要作用,以应变工程为基础的发射波长调控是拓展量子点波长发射范围的有效途径. 关键词： 应变工程 半导体量子点 隔离层 盖层     

应变Si沟道nMOSFET阈值电压模型

在研究分析弛豫SiGe衬底上的应变Si 沟道nMOSFET纵向电势分布的基础上,建立了应变Si nMOSFET阈值电压模型,并利用该模型对不同的器件结构参数进行仿真,获得了阈值电压与SiGe层掺杂浓度和Ge组分的关系、阈值电压偏移量与SiGe层中Ge组分的关系、阈值电压与应变Si层掺杂浓度和厚度的关系. 分析结果表明：阈值电压随SiGe层中Ge组分的提高而降低,随着SiGe层的掺杂浓度的提高而增大;阈值电压随应变Si层的掺杂浓度的提高而增大,随应变Si层厚度增大而增大. 该模型为应变Si 器件阈值电压设计 关键词： 应变硅 阈值电压 电势分布 反型层     

半导体量子点形成临界尺寸的定量预测

半导体量子点是一类具有显著量子效应的零维量子结构,自组的模型系统,表现为Stranski-Krastanov型生长.其特征为,当超过3-4个Ge单原子层（浸润层）时,则由二维层状生长转变为三维岛状生长.Ge/Si量子点是初期形成的与衬底共格无位错的三维岛,岛表面由{105}晶面组成.文章作者利用第一性原理计算和介观理论模拟相结合的连续式多尺度（sequential multi-scale）方法,第一次对纯Ge和GeSi合金量子点在Si（001）表面的成核临界尺寸进行了定量的理论预测,同时研究了岛边缘的应力不连续对量子点稳定性的影响,实现了对Ge/Si量子点的形成和稳定性定量的理论研究。     

埋置量子点应力分布的有限元分析

通过衬底材料和外延材料的交替生长方式制备出多层排列的自组装量子点超晶格结构.这些埋置量子点的应力/应变场影响着它们的光电性能、压电性能以及力学稳定性.基于各向异性弹性理论的有限元方法,研究了埋置金字塔形应变自组织Ge/Si半导体量子点的应力/应变分布以及流体静应变和双轴应变分布,并与非埋置量子点的应力/应变分布做了比较,指出了它们之间的异同以及覆盖层对量子点应力/应变分布的影响. 关键词： 量子点 应力分布 应变分布     

Small and high-density GeSiC dots stacked on buried Ge hut-clusters in Si

Self-assembled GeSiC dots stacked on a Ge hut-cluster layer buried in Si have been investigated. The critical thickness for formation of GeSiC dots is reduced owing to the strain fields from the buried hut-clusters. By utilizing the stacked structure, the dot size is decreased and the uniformity is improved. The highest density of the GeSiC dots with stacked structures is 7.4×10¹⁰ cm⁻², which is six times larger than that of single GeSiC dots. The formation of the self-assembled GeSiC dots is strongly influenced by being stacked with buried Ge dots as well as C incorporation.     

Mechanisms of self-organization of Ge/Si(0 0 1) quantum dots

The effect of vertical ordering in superlattices of self-assembled Ge/Si(0 0 1) quantum dots was investigated by a combination of structural and optical characterizations via in situ reflection high-energy electron diffraction, transmission electron microscopy, atomic force microscopy and photoluminescence spectroscopy. We show that the vertical ordering observed in quantum-dot superlattices is characterized not only by the alignment of islands along the growth direction but also by a reduction of the critical thickness. The better the vertical ordering is, the more pronounced the reduction of the critical thickness will be. Such an evolution of the critical thickness could be explained by elastic strain fields induced by buried islands and propagated through the spacer layers. An important result issued from this work is the realization of superlattices in which dots can have equal size in all layers. On the other hand, experiments performed on the transformation of the island shape versus the spacer layer thickness suggest that preferential nucleation induced by surface roughness may be the main mechanism responsible for the vertical ordering observed in quantum-dot superlattices.     

硅基锗薄膜选区外延生长研究

利用超高真空化学气相沉积系统, 基于低温Ge缓冲层和选区外延技术, 在Si/SiO₂图形衬底上选择性外延生长Ge薄膜. 采用X射线衍射、扫描电镜、原子力显微镜、拉曼散射光谱等表征了其晶体质量和应变等参数随图形尺寸的变化规律. 测试结果显示, 位错密度随着图形衬底外延窗口的尺寸减小而减少, Ge层中的张应变随窗口尺寸的增大先增大而后趋于稳定. 其原因是选区外延Ge在图形边界形成了(113)面, 减小了材料系统的应变能, 而单位体积应变能随窗口尺寸的增加而减少; 选区外延厚度为380 nm的Ge薄膜X射线衍射曲线半高宽为678", 表面粗糙度为0.2 nm, 表明选区生长的Ge材料具有良好的晶体质量, 有望应用于Si基光电集成.     

Growth and optical properties of Ge/Si quantum dots formed on patterned SiO2/Si(0 0 1) substrates

Single and stacked layers of Ge/Si quantum dots were grown in SiO₂ windows patterned by electron-beam lithography on oxidized Si (0 0 1) substrates. The growth of a silicon buffer layer prior to Ge deposition is found to be an additional parameter for adjusting the Ge-dot nucleation process. We show that the silicon buffer layer evolves towards [1 1 3]-faceted pyramids, which reduces the area of the topmost (0 0 1) surface available for Ge nucleation. By controlling the top facet area of the Si buffer layers, only one dot per circular window and a high cooperative arrangement of dots on a striped window can be achieved. In stacked layers, the dot homogeneity can be improved through the adjustment of the Ge deposited amount in the upper layers. The optical properties of these structures measured by photoluminescence spectroscopy are also reported. In comparison with self-assembled quantum dots, we observed, both in single and stacked layers, the absence of the wetting-layer component and an energy blue shift, confirming therefore the dot formation by selective growth.     

纳米尺度下Si/Ge界面应力释放机制的分子动力学研究

采用分子动力学方法研究了纳米尺度下硅(Si)基锗(Ge)结构的Si/Ge界面应力分布特征,以及点缺陷层在应力释放过程中的作用机制.结果表明:在纳米尺度下, Si/Ge界面应力分布曲线与Ge尺寸密切相关,界面应力下降速度与Ge尺寸存在近似的线性递减关系;同时,在Si/Ge界面处增加一个富含空位缺陷的缓冲层,可显著改变Si/Ge界面应力分布,在此基础上对比分析了点缺陷在纯Ge结构内部引起应力变化与缺陷密度的关系,缺陷层的引入和缺陷密度的增加可加速界面应力的释放.参考对Si/Ge界面结构的研究结果,可在Si基纯Ge薄膜生长过程中引入缺陷层,并对其结构进行设计,降低界面应力水平,进而降低界面处产生位错缺陷的概率,提高Si基Ge薄膜质量,这一思想在研究报道的Si基Ge膜低温缓冲层生长方法中初步得到了证实.     

Raman scattering of Ge dot superlattices

Self-organised Ge dot superlattices grown by molecular beam epitaxy of Ge and Si layers utilizing Stranski-Krastanov growth mode were investigated by Raman spectroscopy. An average size of Ge quantum dots was obtained from transmission electron microscopy measurements. The strain and interdiffusion of Ge and Si atoms in Ge quantum dots were estimated from the analysis of frequency positions of optical phonons observed in the Raman spectra. Raman scattering by folded longitudinal acoustic phonons in the Ge dot superlattices was observed and explained using of elastic continuum theory. Received 25 January 2000