论文部分内容阅读
锗硅材料在光电子、纳米材料等领域有独特的优势并得到了日益广泛的应用,具有成本低、可以与大规模硅工艺生产兼容的优势。而作为Ⅳ族材料的典型代表,锗硅固有的间接带隙带来的发光(探测)效率低严重影响了其在器件当中的应用。而这一点恰恰可以通过引入量子点和薄膜材料这样的低维量子结构的方法进行有效改善。利用锗硅材料4.2%的晶格失配,在外延生长到临界厚度时,应力释放形成的表面起伏被认为是获得自组装锗量子点的有效手段。但由于生长模式中浸润层的存在,传统锗硅外延生长获得的锗量子点的一个重要问题是尺寸较大(直径30nm)而密度(～1010cm-2)难以进一步提高,此外这样自发形成的机制使得获得量子点的位置随机。而理论和实验都表明,高密度、小尺寸且排布有序的锗量子点对于提高探测器(发光器件)的效率至关重要。此外,通过生长工艺的改善,降低锗硅外延薄膜当中存在的位错有利于获得高响应速度、低暗电流的器件。本文即借助于分子束外延薄膜生长设备,研究了硅衬底上生长锗量子点和薄膜材料的工艺,以及在此基础上完成相关器件的制备。主要包括以下几个方面的内容：1.分子束外延生长设备概况,以及对于锗硅材料外延生长研究中常用的测试手段的介绍,如腐蚀坑测试、扫描电子显微镜、拉曼光谱和荧光光谱等。尤其我们对于反射式高能电子衍射(RHEED)进行了系统的研究,不同衍射斑点的判读有利于我们更有效的对生长过程进行实时监控。2.在化学氧化生成的高质量的SiO2表面,不论是进行直接淀积还是室温淀积后进行退火,都被证明是获得高密度(～1011cm-2)锗量子点的有效的缓冲层。我们结合多种测试手段,研究了SiO2表面上锗量子点成核的机理,认为由于表面能的差别,锗在SiO2表面生长时并不遵循S-K生长模式,因此更容易获得小尺寸高密度的量子点。通过不同的实验设计,我们分析了生长工艺的改变对于微观纳米结构的影响规律。3.为了提高自组装量子点成核位置的有序性,我们利用多孔氧化铝薄膜(PAM)的天然六角周期结构贴在硅片表面作为模板。处理后放入分子束外延薄膜生长设备中进行锗的沉积,后期再用物理方法将模板剥离。通过生长工艺的优化(衬底温度为400℃-500℃,淀积厚度25nm左右)获得排列有序的锗量子点,同时尺寸的均匀性也得到了很大提高。4.另外,我们研究了降低外延锗薄膜位错的方法,重点介绍了通过低温种子层插入、后期循环退火等方法,实验证明可以有效降低外延锗膜的位错密度(从108cm-2到106cm-2)。利用高质量锗膜,我们尝试了锗基底上MSM(金属-半导体-金属)器件的制作。介绍了锗MSM探测器的制备方法,并测试了器件的响应度和暗电流等特性。