可控自组织锗硅量子点物理特性的系统研究

Self-assembled GeSi quantum dots (QDs) have been extensively studied due to their unique properties and the compatibility with the sophsticated Si integration technology. However, the GeSi QDs on flat Si substrates are always spatially random and have a broad size distribution. These disadvantages greatly hapmer the studies of the unique properties and the applications of GeSi QDs. In this project, systematic studies on the self-assembled GeSi QDs readily controlled on patterned Si (001) substrates are carried out. By introducing deliberate surface microstructures, the precisely controlled growth of GeSi QDs, including single QD, QD molecule and ordered QDs, is realized on the patterned substrates. The physical properties of the controlled GeSi QDs are systematically investigated to clarify the unique features of the single QD due to quantum confinement effect and the coupling and the collective properties of QDs induced by the interaction between QDs. Moreover,the methods of modifying the physical properties of QDs via precisely controlling the structural properties of QDs are explored. The effects of external fields on the physical properties of the single QD, the QD molecule and the ordered QDs are studied to explore ways to adjust the properties of QDs by the external field. The optoelectronic devices of high performance based on GeSi QDs are explored to provide the base for further studies of the novel devices compatible with the Si-based integrated chips.

自组织GeSi量子点由于其独特的物理特性和硅集成技术的兼容性已经成为半导体材料和器件研究的一个热点。但是，在平的Si衬底上生长的GeSi量子点其空间和尺寸分布相当不均匀，从而大大阻碍了对其独特物理特性和器件应用的研究。本项目系统研究图形化Si衬底上的可控自组织GeSi量子点。通过引入表面微结构，实现在图形化衬底上自组织GeSi量子点（包括单个量子点、量子点分子和有序量子点体系）的精确可控生长；系统研究GeSi量子点的物理特性，理清由于量子限制效应所引起的单个量子点的独特物理性质和由于量子点相互作用引起的量子点间的耦合特性和有序量子点体系的集合特性，探索利用对量子点结构特性的精确控制实现对其物理特性的调控方法；研究外场对单个量子点，量子点分子和有序量子点体系的物理特性的影响，探索利用外场调控量子点物理特性的方法; 探索基于GeSi量子点的高性能的光电元器件，为适用于硅基上的集成化芯片的新型.

在硅衬底上的自组织的GeSi纳米结构，由于其准直接带隙特性、高的载流子迁移率、在通信波段的发光特性以及和硅集成工艺的兼容性，已经引起了人们极大的兴趣。但是，在平衬底上的自组织GeSi纳米结构尺寸和空间分布的不均匀性严重影响了其物理特性和器件应用。本项目主要就是研究自组织GeSi纳米结构的可控制备及其相关特性。制备了各种图形化Si（001）衬底，包括周期性小坑阵列、纳米柱和微盘以及微孔阵列；在图形化衬底上，通过调控生长条件实现了多种GeSi纳米结构，例如量子点、量子点分子、量子点项链、量子环等，其尺寸、形貌和空间分布都可以得到精确控制。系统分析表明，图形化衬底上应变和表面能的局域分布导致了表面化学势的不均匀性，从而使得Ge原子在图形化衬底表面迁移的各向异性，最后实现GeSi纳米结构的可控生长。光致发光结果表明这些可控GsSi纳米结构由于其尺寸的均匀性使得其比一般的自组织纳米结构具有更优异的光电特性，而且可以通过精确控制其尺寸实现对其物理特性的调控；另外，由于斜切衬底引入的表面台阶结构、相当低的生长温度以及Si 盖帽层表面的Au纳米结构都可以诱导产生新奇的GeSi纳米结构，包括高密度小尺寸量子点、横向纳米线、纳米网格结构等，这些独特的方法不仅可以调控GeSi纳米结构的尺寸和分布，而且对其光电特性有极大地影响；例如，在斜切Si(001)衬底上的高密度小尺寸Ge量子点体系中观测到了明显的量子点耦合产生的微带结构对光致发光的影响；纳米尺寸的金-半导体肖特基接触产生的局域电场可以改变局域半导体的能带结构及其光电特性。本项目的研究结果为制备各种独特的GeSi纳米结构提供了思路，为设计和制备基于GeSi纳米结构的新型光电器件打下了基础。这些GeSi纳米结构在将来的硅基光电一体化集成器件应用方面会有比较大的前景。