硅和绝缘体上硅衬底上有序锗纳米线的生长、表征和物性研究

The Ge/Si nanowires (NWs) have broad range of applications for electronics, optoelectronics, quantum spintronics, and even for searching for exotic quantum states, such as Majorana fermions. However, the site-controlled growth is a prerequisite for the applications of most devices. The successful growth of ordered (site-controlled) Ge islands on pit-patterned Si(001) has been demonstrated that the pre-growth patterning is an efficient way to obtain ordered nanostructures. In this project, we are proposing to grow site-controlled Ge NW arrays on trench-patterned Si(001) by means of optimizing the trench sizes, periods and growth conditions, using Molecular Beam Epitaxy. By tuning the orientation and shape of the trenches, we are expecting to obtain ordered “L”, “T”, “closed-loop square” and even novel nanostructures like triangles and rhombuses. By varying the growth temperature and the thickness of Si cap, the composition, interface and strain fields are meant to be manipulated correspondingly. Overall, we are proposing to control the position, size, orientation, composition, shape and strain of the site-controlled Ge NWs on Si(001), to understand the growth mechanism, to characterize the structures and compositions of the NWs, and to measure the optical properties of the individual and arrays of the NWs with different orientations, sizes and compositions. In addition, to avoid the leakage current problem which exists on Si(001) substrates, we are expecting to extend the site-controlled growth to Silicon on Insulator (SOI) substrates, which allows the devices to work at room temperature.

锗/硅纳米线在电子、光电子、自旋器件以及探索新奇量子态如寻找Majorana费米子等方面有着广泛的应用前景。然而，在绝大多数情况下，有序生长（位置的可控生长）是器件应用的前提。有序锗量子点在刻蚀有小坑的硅图形衬底上的成功生长说明图形衬底是生长有序纳米结构一个行之有效的方法。本项目拟在硅衬底上刻蚀纳米沟槽，优化沟槽的尺寸、周期和材料的生长条件，利用分子束外延生长位置可控的锗纳米线阵列，通过调节沟槽的取向和形状，获得有序的“L”“T”“口”甚至三角形、菱形等新奇的纳米结构，通过变化生长温度和覆盖层厚度，实现对纳米线成分、界面和应变的调控。最终实现对纳米线位置、尺寸、取向、成分、形状和应变的控制，理解其生长机制，并进行结构和成分的表征，测量不同取向、尺寸和成分的单根以及纳米线阵列的发光性质。此外，为实现室温工作，避免在硅衬底上所存在的漏电流问题，本项目拟将纳米线的可控生长推广到绝缘体上硅上。

半导体纳米线是量子器件的基本单元，在纳米尺度光学、电学以及新奇量子器件等方面具有广泛应用。锗具有已知半导体中最高的空穴迁移率、强自旋轨道作用、可与金属形成良好接触以及可同位素纯化等优异特性，更重要的是锗与硅兼容，可以利用成熟稳定的硅CMOS工艺。此外，锗/硅材料是II型能带结构，空穴自然限制在锗中，空穴与核自旋的超精细相互作用小，可望获得长退相干时间。因此，锗不仅是亚10纳米时代的CMOS主要沟道候选材料也是量子计算包括自旋甚至拓扑量子计算的重要材料。.尽管半导体纳米线的制备在过去20多年取得了很大的进展，位置精确可控的面内纳米线阵列的可控生长依然是个尚未解决的难题，它是实现量子器件寻址和集成的前提条件。在项目资助下，我们围绕硅基锗纳米线的可控生长及结构表征开展研究，结合自上而下纳米加工和自下而上自组装，通过在硅表面刻蚀<100>取向的面内沟槽，优化分子束外延生长条件，预先在沟槽边缘获得硅锗纳米条带，在此条带上实现了硅基锗纳米线位置、周期、长度以及”L”型和“口”型纳米线结构的晶圆级可控制备，它们尺寸高度均匀，平均高度3.8纳米，标准偏差仅0.11纳米。进一步，我们实现了硅锗纳米线在沟槽内的定位生长，为实现诸如“T”型，“十”型等有序结构提供了可能。在锗纳米线中我们观测到了可电场调控的强自旋轨道作用，其大小和InAs, InSb纳米线相当。世界上第一个晶体管是锗晶体管，我们合作实现了第一个锗量子比特，实现了量子点和超导微波谐振腔之间的耦合。.我们的研究为硅基高性能自旋甚至拓扑量子比特及其集成奠定了重要的材料基础，奥地利合作者等于去年10月获得了在锗纳米线中寻找拓扑量子态用于量子计算的310万欧元欧盟项目。在Adv. Mater., Nature Comm.等杂志发表论文15篇，其中Adv. Mater.和物理学报的文章分别被选为内封面和封面，申请专利1项。