目前,在硅基光電集成領(lǐng)域,一個重要的研究方向是,以Si材料為基礎(chǔ),將以Ⅲ-Ⅴ族化合物為代表的光電子器件集成在一片Si襯底上,從而兼具Ⅲ-Ⅴ族器件優(yōu)良的光電性能,以及成熟Si工藝的成本優(yōu)勢。而GeSi合金基板適合用于Si基襯底和Ga As基光電器件之間的緩沖層,傳統(tǒng)的制備GeSi基板的方法是:先在硅上外延生長組分漸變的GeSi緩沖層,再外延生長GeSi基板,然而該方法成本較高,而且對于高Ge組分的GeSi基板來說,所需緩沖層厚度較大,不利于后續(xù)的器件集成,故需要尋找新的制備方法。針對該問題,本論文提出了一種全新的方法:使用電化學(xué)腐蝕法,在Si襯底表面制備一定厚度的多孔硅層,該多孔硅層具有納米級的海綿狀結(jié)構(gòu);之后使用氣態(tài)源分子束外延方法,在海綿狀多孔硅層內(nèi)部的納米級孔洞中填充Ge,通過Ge原子和多孔硅結(jié)構(gòu)中的Si原子在沉積過程中高溫條件下的互擴(kuò)散,從而使多孔硅層形成GeSi基板。相比于傳統(tǒng)方法,該法無需制備組分漸變的GeSi緩沖層,因而厚度較小,成本較低,并且根據(jù)電化學(xué)腐蝕條件以及Ge的沉積條件可調(diào)節(jié)Ge組分。本論文根據(jù)該方法,制備出具有高Ge組分的GeSi基板,并對其進(jìn)行了全面而深入的測... 

【文章來源】：中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院物理研究所)北京市

【文章頁數(shù)】：84 頁

【學(xué)位級別】：博士

【部分圖文】：

金剛石結(jié)構(gòu)：（a）<100>晶向；（b）<111>晶向[14]

GeSi基板的制備及其形貌和結(jié)構(gòu)特性研究4Si和Ge之間，且隨Ge的組分x線性變化，即滿足Vegard定率[15]：1=(1)+=0.5431+0.02265…（1.1）相對于Si來說，無應(yīng)變GeSi合金的晶格失配率為：=()=0.0418…（1.2）1.2.2Si、Ge及GeSi合金的能帶結(jié)構(gòu)根據(jù)軌道雜化理論，Si原子的外層電子結(jié)構(gòu)為3s23p2，Ge原子的外層電子結(jié)構(gòu)為4s24p2，兩者的最外層電子結(jié)構(gòu)相似，均有4個電子，屬于不滿狀態(tài)，Si原子及Ge原子各自結(jié)合為晶體時(shí)均會出現(xiàn)sp軌道雜化現(xiàn)象。以Si為例，Si原子在形成晶體時(shí)，原來4個不滿的能級劈裂形成4個成鍵態(tài)及4個反鍵態(tài)，4個成鍵態(tài)疊加形成價(jià)帶，而4個反鍵態(tài)疊加形成導(dǎo)帶，具有顯著的半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)。晶體Si的sp雜化軌道能帶理論示意圖如圖1.2所示[16]。圖1.2晶體硅的sp雜化軌道能帶理論示意圖[16]Figure1.2SchematicdiagramofthesphybridorbitaltheoryofcrystallinesiliconSi和Ge晶體均屬面心立方晶格，其第一布里淵區(qū)（FirstBrillouinZone）具有截角八面體結(jié)構(gòu)，如圖1.3所示[17]。布里淵區(qū)中心為Г點(diǎn)（0,0,0），<100>方向（即Δ方向）的邊界為X點(diǎn)（1/2,0,0），<111>方向（即Λ方向）的邊界為L點(diǎn)（1/2,1/2,1/2）。

第1章緒論5圖1.3面心立方晶格的第一布里淵區(qū)示意圖[17]Figure1.3SchematicdiagramofthefirstBrillouinzoneoftheface-centeredcubiclatticeSi和Ge同屬間接帶隙半導(dǎo)體材料[18]，分別具有如圖1.4（a）和（b）所示的能帶結(jié)構(gòu)，二者價(jià)帶的極大值（價(jià)帶頂）均為k=0處（Г點(diǎn)），然而二者導(dǎo)帶的極小值（導(dǎo)帶底）均不在Г點(diǎn)，Si材料的導(dǎo)帶底位于沿<100>方向距Г點(diǎn)0.85(2)處，而Ge材料的導(dǎo)帶底則位于沿<111>方向距Г點(diǎn)0.8(2)處[19]。這種間接帶隙結(jié)構(gòu)導(dǎo)致了Si和Ge材料載流子的躍遷和復(fù)合過程需要聲子的參與，以滿足動量守恒的要求。相比于GaAs等Ⅲ-V族直接帶隙半導(dǎo)體材料來說，聲子的參與導(dǎo)致了Si、Ge等間接帶隙半導(dǎo)體材料具有較低的光電轉(zhuǎn)換效率，因而不適合作為光電器件。室溫下，Si的禁帶寬度為ESi=1.12eV，Ge的禁帶寬度為EGe=0.67eV。與Si和Ge晶體一樣，GeSi合金也是間接帶隙半導(dǎo)體材料。對于無應(yīng)變的GexSi1-x合金材料來說，在Ge組分x<0.85的情況下，合金的能帶結(jié)構(gòu)為類Si結(jié)構(gòu)，導(dǎo)帶底位于<100>方向，禁帶寬度為[20]：(1)=1.120.43+0.2062()(0≤≤0.85)…（1.3）而在Ge組分x>0.85的情況下，合金的能帶結(jié)構(gòu)為類Ge結(jié)構(gòu)，導(dǎo)帶底位于<111>方向，禁帶寬度為：

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]水熱腐蝕制備多孔硅的研究[J]. 陳乾旺,周貴恩,朱警生,李曉光,張?jiān)：?  自然科學(xué)進(jìn)展. 1997(06)



本文編號：3389515