锗锡直接带隙材料外延生长及其微结构和物理特性研究

Nowadays, with further scaling down in IC processing, the electrical interconnection technology in IC industries is facing a huge challenge, the further improvement of IC performance may rely on the optical interconnection technology. Si-based optical interconnection technology is considered to be most promising technology due to advanced Si IC technology. However, due to the nature of Si indirect band gap structure, Si-based light emitters are far from applications, limiting development of Si-based optical interconnection. Based on the experimental results obtained recently (Nature photonics, 2015, 9(2), p88-92), GeSn materials could be a promising Si-based material of direct band gap structure..This project focuses on investigations of expitaxial growth, microstructures and physical properties of GeSn materials, including expitaxial growth of GeSn on different kinds of substrates; strain effects on the growth and electronic band structures of GeSn materials; electrical properties of GeSn materials. At the same time, growth of GeSn materials on the surfaces of various nanostructures and with various quantum structures will also be carried out, together with investigating their physical properties. GeSn materials with direct band gap structure will be obtained via various approaches. The results obtained in this research project will provide scientific evidence for the application of GeSn materials in electronics and optoelectronics.

目前，随着晶体管尺寸的进一步缩小，微电子工业的电互连技术面临严峻挑战，其进一步发展可能依赖于光互连技术。硅基光互连技术被认为最有发展前景。而硅基光互连发展的瓶颈是硅基光源，这是由于硅是间接带隙半导体材料。最近实验结果表明，锗锡材料可望成为实用的硅基直接带隙发光材料（Nature photonics, 2015, 9(2), p88-92）。. 本项目利用低温MBE生长技术，从晶格匹配和偏离的角度，系统研究锗锡材料的外延生长、微结构及其物理特性。探索不同衬底上锗锡材料的外延生长及其微结构，弄清楚锗锡材料应变对其生长及其直接带隙特性的影响，生长出具有直接带隙特性的高质量锗锡材料，并研究材料的电学特性。探索在不同纳米结构上和不同量子结构锗锡材料的生长及其物理性质的改善。研究成果将为锗锡材料在光电子学和微电子学中的应用提供科学依据。

在近二十年来，通过开发基于Si的波导、光电探测器和调制器等，使得用CMOS兼容工艺的Si光子学取得了长足进步。但是，由于Si和Ge的间接带隙特性，它们发光效率很低，限制了大规模的光电集成。近来，已证明IV族GeSn合金具有超过8％的Sn组分时可以转变为直接带隙材料。并且在接近室温下实现了直接带隙GeSn激光器，这为实现高效率Si基光源打开了新的窗口。理论上GeSn带隙能量随Sn组分变化可在0-0.8 eV范围内调控，基于GeSn的光电探测器具有覆盖整个短波红外（SWIR）乃至中远红外区域的响应范围，GeSn材料成为Si基红外光电探测器最为重要的候选材料。因此，基于GeSn的光电子器件将在Si集成光电子回路中发挥关键作用。. 本项目基于分子束外延技术，围绕GeSn材料的生长、微结构和光学性质开展了以下四个方面的研究。（1）探索了Si和Ge衬底上GeSn薄膜和量子阱结构材料的低温分子束外延生长，获得了高质量、高Sn浓度（3-17%）的GeSn材料，并研究了GeSn材料的热稳定性，有助于拓展GeSn材料在光电子学上的应用。（2）研究了Sn 含量为1-7.4%的GeSn薄膜材料的光致发光特性，报道了GeSn薄膜材料中与位错相关的光致发光。（3）研究了Ge0.95Sn0.05和Ge0.92Sn0.08薄膜材料在90-850K温度范围内的拉曼散射温度特性，发现了GeSn合金中的合金扰动大大增强了非谐衰减过程。（4）研究了Graphene/Ge和Graphene/Si复合衬底上GeSn纳米材料的分子束外延生长，探索了一种新的GeSn量子点的制备方法。基于GeSn QDs/Graphene/Si(001)结构样品制备了MSM结构的光电探测器，测试了其在1550nm激光照射下的光电流响应，验证了这一光电探测结构方案的可行性。这些结果对GeSn材料的制备，微结构和光学特性之间的关系及其规律提供了一些新的认识。. 发表SCI论文7篇（另一篇正在撰写中），专著《锗硅低维结构材料可控生长》正在出版之中，初稿已交付出版社。培养研究生4名，其中2名取得博士学位，1名取得硕士学位。