硅基锗材料外延及其相关器件基础研究

经过半个多世纪的高速发展，随着其特征尺寸进入纳米时代，硅集成电路面临着一系列技术和物理极限的挑战。课题提出立足于硅基锗材料，从提高单元器件性能和芯片内光互连两个方面开展相关材料和关键器件的基础研究，以继续推动硅集成芯片按摩尔定律快速发展。硅基锗材料具有高的载流子迁移率，在硅基高效发光、高速低功耗光调制、高速光探测等光子集成器件方面显示出巨大潜力，是高性能微电子和光电子器件集成的良好平台。课题以硅基锗材料外延为基础，围绕硅基锗发光器件、硅基锗量子阱光调制器、硅基应变锗沟道MOSFET器件等三个尚处于研究起步阶段的关键器件开展研究。研究硅基锗及其量子结构材料外延和硅基锗器件共性关键工艺技术；研究基于能带改性和载流子填充效应的硅基锗激光器材料与器件；研制硅基锗量子阱电吸收光调制器和硅基高迁移率锗沟道MOSFET器件。为实现下一代高性能集成电路以及硅基光电子单片集成打下坚实基础。

项目组围绕硅基锗材料外延及其相关器件开展了系统深入的研究，完成了计划研究内容和任务，达到了预期研究目标。取得的主要成果包括：1、发展了低温Ge过渡层和应变补偿SiGe/Si超晶格相结合的缓冲层技术，在Si衬底上生长出低位错密度高质量的Ge外延材料，已成功用于制备Si基Ge探测器、发光二极管以及Ge沟道MOSFET器件。采用局域Ge浓缩工艺，制备出张应变达0.67%的GOI材料，在室温下观测到张应变GOI增强直接带跃迁发光。2、研究了n-Ge原位掺杂、离子注入脉冲激光退火掺杂等机理和技术，构建了杂质在Ge中的杂质-空位对辅助扩散模型，提取出N型杂质在Ge中的扩散系数与杂质浓度的定量关系，实现高浓度的N型掺杂和n+p浅结，性能指标达到当前的最好水平。3、提出金属氮化物薄膜调制金属与Ge接触势垒高度的耦极子模型，通过在界面形成耦极子调制金属与Ge界面费米钉扎能级位置，实现了金属与Ge的肖特基接触和欧姆接触。4、在硅基锗材料和工艺研究的基础上，设计制备出硅基Ge沟道MOSFET器件，有效迁移率比传统硅器件提高2倍以上。5、系统研究了张应变对锗能带结构的调控机制以及N型掺杂对锗发光的促进作用；理论研究了锗中并入锡和铅对于其能带的调控以及直接带隙的实现条件；研制出硅基锗岛、锗量子阱发光二极管；研制出结构新颖的横向PIN脊形锗波导结构发光器件。.. 项目组已发表期刊论文85篇（其中SCI收录75篇）；发表国际会议报告16篇（其中邀请报告3人次）；培养博士12名，硕士8名；申请发明专利7项，已授权2项。