掺稀土锗锡合金膜应变状态的精确测定及其对光电性能的影响

Applying strain and doping a special element can greatly change the photoelectric properties of a semiconductor. So, accurately controlling and measuring the strain status and proper doping already have become the most important research hotspot for the semiconductor engineering. To date, the main semiconductor silicon has encountered a very difficult technical bottleneck, so that the novel semiconductor materials need to be developed urgently. GeSn alloy is a new direct band gap semiconductor material, which has some advantages such as being cheap and high performance. But its photoelectric properties are not good enough..In this proposal, chemical vapor deposition and magnetron sputtering will be adopted to manufacture different component and proportion rare earth doped GeSn alloy films on Si and Ge substrates. After different heat treatments, alloy films with different strain status can be achieved. Then, a combination of X ray diffraction, Raman spectroscopy and transmission electron microscopy will be applied to determining accurately the strain status of the alloy films. By associating the photoelectric properties with the strain of the alloy films, the effect of applying strain and doping rare earth on photoelectric properties of the alloy films will be explored. Meanwhile, the first principle calculation will be conducted to predict the photoelectric properties of the corresponding rare earth doped GeSn alloy. The calculation results will be also compared with the experimental results. Finally, an experimental program for controlling the strain status of the rare earth doped GeSn alloy will be proposed to realize the accurate regulation of the photoelectric properties of the rare earth doped GeSn alloy.

引入应变和掺入某种特殊元素可以极大地改变半导体的光电性能，因此，精确控制和测量半导体材料的应变以及适当的掺杂已经成为半导体改性的重要研究热点。当前的主要半导体材料硅遇到了信息技术发展的瓶颈，需要发展新型的半导体光电材料。锗锡合金是具有直接带隙的新型半导体材料，具有廉价、高性能的优点，但是其光电性能存在不足。.本项目拟采用化学气相沉积和磁控溅射方法在硅和锗基底上制备不同组分比例的掺稀土锗锡合金膜，经过不同的热处理条件获得不同应变状态的合金膜，采用X射线衍射、拉曼光谱、透射电子显微镜相结合的方法精确测定合金膜的应变状态，然后与其光电性能关联，探索应变和稀土掺杂对锗锡合金光电性能的影响。同时，采用第一性原理计算的方法对掺稀土锗锡合金的光电性能进行理论预测，与实验数据进行相互验证。最终设计一套控制掺稀土锗锡合金应变的实验方案，实现对掺稀土锗锡合金光电性能的精确调控。

引入应变和掺入某种特殊元素可以极大地改变半导体的光电性能，因此，控制和测量半导体材料的应变以及适当的掺杂已经成为半导体改性的重要研究热点。当前的主要半导体材料硅遇到了信息技术发展的瓶颈，需要发展新型的半导体光电材料。锗锡合金是具有直接带隙的新型半导体材料，极具应用前景。本项目分别采用磁控溅射和蒸镀的方法在硅和锗基底上制备了未掺稀土和掺稀土的锗锡合金膜，分别进行不同条件的热处理，采用扫描电子显微镜和原子力显微镜观察了样品的表面形貌、采用X射线衍射分析了微结构、采用透射电子显微镜测定了界面区域的应变状态，并测定了样品的拉曼光谱、红外透射谱、载流子密度、电阻率等光电性能。分析了掺稀土锗锡合金膜的制备和热处理条件与其表面形貌、微观结构、应变状态和光电性能的关系。同时建立了锗锡合金、硅锡合金、硅锗锡合金和应变锗的超胞模型，采用第一性原理模拟计算了能带、介电函数、吸收光谱、光电导率等光电性能，分析了应变、锡的含量对锗锡合金光电性能影响的物理机制。.本项目的主要研究进展如下：一、锗锡合金膜通过掺杂稀土元素可以显著提高退火后的表面质量，有利于锗锡合金膜在光电器件中的应用。二、当锡的原子百分比达到10.4 %时，锗锡合金变为直接带隙半导体，带隙宽度为0.542 eV。三、随着硅锡原子浓度的提高，硅锗锡合金的带隙宽度逐渐减小，引入硅锡原子显著改变硅锗锡的介电特性，随着硅锡原子浓度的增加红外光吸收增强。四、锗的带隙宽度随拉应变的增大而减小，当拉应变达到2%时，锗变为直接带隙半导体。五、首次发现60°位错的一种新型分解方式，证实60°位错可以分解为一个90° 1/3[111]部分位错和一个30°1/6[11-2] 部分位错，这有助于进一步理解硅锗等晶体中位错的运动规律。六、通过对面心立方纳米孪晶结构生长过程的直接的动态观察，解析了孪晶的生长方式，有助于深入理解面心立方晶体的微结构进化规律，特别是有助于发展新的理论模型，从而可能设计新的孪晶结构。