硅基可控金属/GeSi混合纳米结构的物性和应用研究

One of the major challenges of silicon-based monolithic optical-electronic integration is the realization of small size and high performance optoelectronic devices compatible with the silicon integration technology. The metal/GeSi hybrid nanostructures are expected to be the idea candidate for those desired optoelectronic devices thanks to their superior optoelectronic properties, the suitable wavelength for the on-chip optical inter-connect and the compatibility with the silicon integration technology. In this project, the unique features and applications of the controllable metal/GeSi hybrid nanostructures on Si substrates are systematically investigated. Based on the precise modulation of the parameters of the metal/GeSi hybrid nanostructures and the systematic studies on the related properties, the inherent mechanism underlying the comprehensive modulation on both the local electromagnetic field and the electron states of the semiconductor nanostructures by the metal nanostructure will be disclosed. The effects of the surface plasmon (or polariton), the hot electrons and the electrostatic effects associated with the metal nanostructure will be fully exploited to improve the photoelectric transition properties of the GeSi nanostructures in the infrared band. The Composite quantum behavior of photon-electron (or exciton) and the nonlinear optical effect in the nanoscale region around the interface of the metal/GeSi hybrid nanostructure are explored. The innovative mechanisms and technologies are explored and employed to improve the optoelectronic properties of the GeSi nanostructures. Based on the controllable metal/GeSi hybrid nanostructures, novel optoelectronic devices with high performance will be designed and fabricated. These results will provide a strong base for the study of monolithic optical-electronic integration circuit on Si substrates.

硅基单片光电集成面临的一个重大挑战是如何实现和硅工艺兼容的小尺寸高性能的光电器件，而金属/GeSi混合纳米结构由于其优异的光电特性、适用于光互联的波段范围以及和硅工艺的兼容性有望成为制备相应光电器件的理想材料。本项目系统研究硅基可控金属/GeSi混合纳米结构的物性及其应用探索。基于混合纳米结构各个参量的精确调控及相关特性的系统研究，揭示金属纳米结构对局域电磁环境和半导体纳米结构电子态的综合调控机理；利用金属纳米结构的表面等离子体(或极化激元)效应、热电子和静电效应等改善GeSi纳米结构红外波段的光电转换特性；探索金属/GeSi 混合纳米结构界面附近纳米尺度范围内的光子-电子（激子）的复合量子行为和非线性光学效应；探索并利用新的物理机制和新的技术手段改善GeSi纳米结构的光电特性。基于可控金属/GeSi混合纳米结构，设计和制备高性能新型光电器件，为硅基上的光电一体化集成的研究提供扎实基础。

硅基光电一体化集成是解决微电子集成芯片功耗大、散热难和信号速度受限等问题的一种有效方法。其面临的一个瓶颈是如何实现硅基小尺寸高性能的光电器件。金属纳米结构/GeSi纳米结构的混合体系由于其独特的光电特性在新型高性能光电器件的应用方面有很大的应用前景。本项目研究了GeSi合金量子阱的生长、硅基微孔阵列上GeSi合金薄膜的生长和特性、n-型高掺Ge量子点的生长和特性、斜切衬底上高密度Ge量子点的特性、SiGe薄膜微盘/Ge量子点混合体系的制备和特性、Au纳米结构/GeSi量子阱混合结构的制备及其光电特性和输运特性。研究结果表明，硅微孔阵列中的两个基本谐振模式可以有效拓宽相应的光谱范围；高磷掺杂能实现II型能带结构到I型能带结构的转变；量子点耦合产生的微带结构可以有效改善Ge量子点的发光特性；量子点发光与微盘腔模耦合以及微盘之间的耦合可以极大的改善量子点的光电特性；Au纳米点阵列通过静电效应可以在量子阱中诱导产生‘类石墨烯’排列的量子点阵列；揭示了‘类石墨烯’结构中载流子输运过程中的库伦阻塞效应和集合共振效应，以及该类结构中的能量微带形成，间接的证实了‘类石墨烯’结构中载流子的强耦合特性，有可能产生与石墨烯结构相似的新奇物理特性；微米尺度的的Au纳米线阵列与GeSi量子阱混合结构在中红外波段存在一个明显的响应峰。相关结果为设计和制备新型光电探测器、微纳光电器件、新型太阳能电池、宽谱近红外光光源或探测器提供了条件，也为‘类石墨烯’结构的新奇物性探索打下了基础。相关结果将促进硅基的光电一体化集成的发展。