自组织生长锗硅量子点及其特性

半导体量子点的研究是当今物理学研究的热点之一．文章阐述了锗硅量子点自组织生长方法的基本原理和技术，并介绍了所制备的量子点材料的形貌结构、光学特性、电学特性及今后的发展方向．     

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.     

锗硅异质结构的分子束外延生长和特性研究

 如果你有机会到复旦大学应用表面物理国家重点实验室来参观,走进分子束外延组,隔着宽敞的玻璃窗,你将看到一台大型实验设备.中间是三个大小不等、银光闪闪的超高真空腔体,上边接满了一根根电缆线,还有液氮管道、冷却水管、压缩空气管,一眼望去真有点叫人眼花缭乱;四周是几只高大的机柜,安装着一台台精密电子仪器.这就是我国第一台锗硅分子束外延设备,已经在这里服役六年多,状态良好,至今仍是国内唯一投入运行的IV族半导体材料的分子束外延系统,为我国在IV族半导体超晶格量子阱的某些研究领域保持世界先进水平立下汗马功劳.     

GaAs(111)表面硅烯、锗烯的几何及电子性质研究

基于密度泛函理论的第一性原理计算方法, 系统研究了硅烯、锗烯在GaAs(111) 表面的几何及电子结构. 研究发现, 硅烯、锗烯均可在As-中断和Ga-中断的GaAs(111) 表面稳定存在, 并呈现蜂窝状六角几何构型. 形成能计算结果证明了其实验制备的可行性. 同时发现硅烯、锗烯与GaAs表面存在共价键作用, 这破坏了其Dirac电子性质. 进一步探索了利用氢插层恢复硅烯、锗烯Dirac电子性质的方法. 发现该方法可使As-中断面上硅烯、锗烯的Dirac电子性质得到很好恢复, 而在Ga-中断面上的效果不够理想. 此外, 基于原子轨道成键和杂化理论揭示了GaAs表面硅烯、锗烯能带变化的物理机理. 研究结果为硅烯、锗烯在半导体基底上的制备及应用奠定了理论基础.     

锗/多孔硅和锗/氧化硅薄膜光致发光的比较研究

采用磁控溅射技术,以锗为溅射靶,在多孔硅上沉积锗薄膜,沉积时间分别为4,8和12 min,及以锗-二氧化硅复合靶为溅射靶,在n型硅衬底上沉积了含纳米锗颗粒的氧化硅薄膜,锗与总靶的面积比分别为5%,15%,30%.各样品在氮气氛中分别经过300,600及900℃退火30 min.对锗/多孔硅和锗/氧化硅薄膜进行了光致发光谱的对比研究,用红外吸收谱分析了锗/多孔硅的薄膜结构.实验结果显示,锗/多孔硅薄膜的发光峰位于517 nm附近,沉积时间对发光峰的强度有显著影响,锗层越厚峰强越弱.锗/氧化硅薄膜的发光峰位于580 nm附近,锗与总靶的面积比对发光峰的强度影响较大,锗/氧化硅薄膜中的锗含量越高峰强越弱.不同的退火温度对样品的发光峰强及峰位均没有明显影响.可以认为锗/多孔硅的发光峰是由多孔硅与孔间隙中的锗纳米晶粒两者界面的锗相关缺陷引起的,而锗/氧化硅的发光峰来自于二氧化硅的发光中心.     

硅(001)图形衬底上锗硅纳米线的定位生长

纳米线的定位生长是实现纳米线量子器件寻址和集成的前提.结合自上而下的纳米加工和自下而上的自组装技术,通过分子束外延生长方法,在具有周期性凹槽结构的硅(001)图形衬底上首先低温生长硅锗薄膜然后升温退火,实现了有序锗硅纳米线在凹槽中的定位生长,锗硅纳米线的表面晶面为(105)晶面.详细研究了退火温度、硅锗的比例及图形周期对纳米线形成与否,以及纳米线尺寸的影响.     

硅基锗薄膜的异质外延生长及其在光电子器件中的应用

准直接带隙的锗,其禁带宽度小,吸收系数大,迁移率高,更重要的是,它能与硅微电子工艺兼容,在硅基光电集成中得到了广泛的研究和应用.文章综述了硅基锗薄膜的异质外延生长及其在光电子器件（特别是长波长光电探测器和激光器）应用上的进展;介绍了在硅衬底上异质外延生长锗薄膜的缓冲层技术,如组分变化的SiGe缓冲层技术、选区外延技术和低温技术;讨论了硅基锗薄膜光电探测器的性能与结构的关系以及发展趋势;分析了张应变和n型掺杂对锗光电性质的影响;展望了硅基锗薄膜单片集成和电抽运激光器的前景.     

锗硅表面结构和动态过程的STM研究

尽管作为微电子工业的基础,硅和锗的表面和界面几十年来一直是研究的热点,但和纳米技术等不断提出的问题相比,对它们的了解仍很不够。为此,最近我们用扫描隧道显微镜和低能电子衍射方法,对锗硅表面的稳定性、宏观小面化、纳米小面化、小面化的规律、稳定表面的比自由能、表面原子结构以及表面和亚表面原子的动态过程进行了大量的系统的研究。文章综述已取得的研究结果。这些结果除具有重要的基础意义外,对半导体异质外延生长衬底选择,以及量子线和量子点自组织生长模板的选择都会有帮助。     

6H碳化硅衬底上硅碳锗薄膜的生长特性研究

采用低压热壁化学气相沉积法,在6H-SiC衬底(0001)面上生长了不同温度(1100—1250℃),不同GeH₄流量比(6.3%—25%)的SiCGe薄膜样品,研究了SiCGe薄膜的表面形貌、生长特性以及样品中Ge组分含量的变化. 扫描电镜测试结果表明,SiCGe薄膜在低温下倾向于岛状生长模式,随着生长温度提高,岛状生长逐渐过渡到层状生长模式,同时伴有岛形状和密度的变化. X射线光电子能谱测试得出SiCGe样品中的Ge含量约为0.15％—0.62％,在其他参数不变的情况下,样品的G 关键词： 碳化硅 化学气相沉积 反相边界 岛状生长     

类石墨烯锗烯研究进展

近年来,伴随石墨烯研究的深入开展,考虑到兼容半导体工业,构筑类石墨烯锗烯并探究其奇特电学性质已成为凝聚态物理领域的研究前沿.本文首先简要介绍了锗烯这一全新二维体系的理论研究进展,包括锗烯的几何结构、电子结构及其调控以及它们之间的关系.理论研究表明,因最近邻原子间距大,锗烯比硅烯更难构筑,实验上构筑锗烯颇具挑战性.针对这一问题,介绍了实验上制备锗烯的一些进展,重点介绍了金属表面外延制备锗烯,并对本征锗烯的制备及其在未来纳电子学器件的潜在应用做出了展望.     

多孔硅锗的制备及其近红外发光增强

用激光照射辅助电化学刻蚀硅锗合金样品能够形成多种低维纳米结构。在硅锗合金上形成的多孔状结构在波长为725 nm处有很强的光致发光(PL)峰,PL的增强效应不能单独用量子受限模型来解释。我们提出新的模型来解释这种低维纳米结构的PL增强效应。     

锗硅/硅异质结材料的化学气相淀积生长动力学模型

基于化学气相淀积(CVD)的Grove理论和Fick第一定律,提出并建立了锗硅(SiGe)/硅(Si)异质结材料减压化学气相淀积(RPCVD)生长动力学模型.与以前锗硅/硅异质结材料生长动力学模型仅考虑表面反应控制不同,本模型同时考虑了表面反应和气相传输两种控制机理,并给出了两种控制机理极限情况下的模型.本模型不仅适用于低温锗硅/硅应变异质结材料生长的表征,也适用于表征高温锗硅/硅弛豫异质结材料生长的表征.将模型计算值与实验结果进行了对比,无论是625℃低温下的应变SiGe的生长,还是900℃高温下的弛豫 关键词： SiGe/Si异质结材料 化学气相淀积生长动力学模型 Grove理论 Fick第一定律     

锗硅合金半导体中无声子参与光跃迁机制研究

研究了Ｓｉ１－ｘＧｅｘ合金半导体中无声子参与光嗅迁的产机制，对由杂质无规分布引起的无声子参与光跃迁给出了一个物理模型。用此模型计算了光跃迁偶极矩，给出了跃迁偶极矩的上限。提出了未掺杂Ｓｉ１－ｘＧｅｘ合金半导体中无声子参与光跃迁的一种跃迁机制，认为是Ｇｅ原子周围波函数畸变的集体行为。     

硅烯的化学功能化

硅烯是一种零能隙的狄拉克费米子材料,对其能带结构的有效调控进而打开带隙是硅烯进一步器件化的基础.而化学功能化是调控二维材料的结构和电子性质的一种有效方法.本文简要介绍了近几年在硅烯的化学功能化方面取得的进展,主要包括硅烯的氢化、氧化、氯化以及其他几种可能的化学修饰方法.     

二甲基亚锗基锗烯与乙醛生成螺锗杂环化合物反应机理的密度泛函理论研究

用B3LYP/6-31G*方法研究了单重态二甲基亚锗基锗烯(Me₂Ge=Ge:)与乙醛环加成反应的反应机理,根据该反应的势能面可以预言,该反应有一条主反应通道. 该反应所呈现的反应规律为：两反应物通过[2+2]环加成反应首先生成了一锗杂四元环锗烯,由于该锗杂四元环锗烯中Ge:原子的4p空轨道与乙醛的?轨道形成了π→p授受键,从而使锗杂四元环锗烯进一步与乙醛结合生成了一中间体. 由于该中间体中的Ge:原子在过渡态之后发生了sp³杂化,从而使该中间体经过渡态异构化为了一螺锗杂环化合物. 该研究结果从理论上揭示了单重态二甲基亚锗基锗烯(Me₂Ge=Ge:)与乙醛环加成反应的反应机制,奠定了亚锗基锗烯(H₂Ge=Ge:)及其衍生物(X₂Ge=Ge:, X=H, Me, F, Cl, Br, Ph, Ar?)与非对称性π键化合物环加成反应的理论基础.     

含纳米硅和纳米锗的氧化硅薄膜光致发光的比较研究

分别以硅-二氧化硅和锗-二氧化硅复合靶作为溅射靶,采用磁控溅射技术在p型硅衬底上淀积了含纳米硅的氧化硅薄膜和含纳米锗的氧化硅薄膜.各样品分别在氮气氛中经过300至1100℃不同温度的退火处理.使用高分辨透射电子显微镜可以观察到经900和1100℃退火的含纳米硅的氧化硅薄膜中的纳米硅粒,和经900和1100℃退火的含纳米锗的氧化硅薄膜中的纳米锗粒.经过不同温度退火处理的含纳米硅的氧化硅和含纳米锗的氧化硅薄膜的光致发光谱均具有相似的峰型,且它们的发光峰位均位于580nm(2.1eV)附近.可以认为含纳米硅的氧化硅和含纳米锗的氧化硅薄膜的光发射主要来自于SiO₂层中发光中心上的复合发光,对实验结果进行了合理的解释     

有机分子吸附和衬底调控锗烯的电子结构

锗基集成电子学的发展潜力源于其极高的载流子迁移率以及与现有的硅基和锗基半导体工业的兼容性,而锗烯微小带隙能带特点极大程度地阻碍其应用.因此,在不降低载流子迁移率的情况下,打开一个相当大的带隙是其应用于逻辑电路中首先要解决的问题.本文采用范德瓦耳斯力修正的密度泛函理论计算方法,研究了电场作用下有机分子吸附和衬底对锗烯原子结构和电学性质的影响.研究结果表明,有机分子吸附和衬底通过弱相互作用破坏了锗烯亚晶格的对称性,从而在狄拉克点上打开了相当大的带隙.苯/锗烯和六氟苯/锗烯体系均在K点打开了带隙.当使用表面完全氢化的锗烯(锗烷HGeH)衬底时,苯/锗烯/HGeH和六氟苯/锗烯/HGeH体系的带隙可进一步变宽,带隙值分别为0.152和0.105 eV.在外电场作用下,上述锗烯体系可实现大范围的近似线性可调谐带隙.更重要的是,载流子迁移率在很大程度上得以保留.本文提出了一种有效的可调控锗烯带隙的设计方法,为锗烯在场效应管和其他纳米电子学器件中的应用提供了重要的理论指导.     

硅衬底上锗硅合金光波导的研制

报道锗硅合金在λ＝１．３μｍ的脊形单模光波导的设计，工艺及测量结果。这种光波导的传播损耗已达０．７ｄＢ／ｃｍ。脊形的高４－８μｍ，宽８－１２μｍ，均和单模光纤芯径相当，此外，其数值孔径在光波导的输入，输出端均能和单模光纤匹配，它已满足硅光集成对光波导的要求。文中最后报道了用这种锗硅合金光波导试制Ｙ分支器，并观察到二支分路输出的单模光斑。     

700℃退火下铝调制镍硅锗薄膜的外延生长机理

文章研究了在700℃退火下,铝插入层调制镍和硅锗合金反应形成单相镍硅锗化物的生长机理.透射电镜测试结果表明,镍硅锗薄膜和硅锗衬底基本达到赝晶生长;二次质谱仪和卢瑟福沟道背散射测试结果表明,在镍硅锗薄膜形成的过程中,铝原子大部分移动到镍硅锗薄膜的表面.研究结果表明,铝原子的存在延迟了镍和硅锗合金的反应,镍硅锗薄膜的热稳定性和均匀性都得到了提高.最后,基于上述实验结果给出了铝原子调制形成外延镍硅锗薄膜的生长机理.