锗纳米晶的可控低温原位生长及其机理研究

Ge nanocrystals (Ge-ncs) have advantages of being non-toxic, abundant and compatible with large area silicon process. The lower growth temperature of Ge-ncs reduces the manufacturing complexity and thereby makes it suitable for the fabrication on low cost or flexible substrates. Therefore, Ge-ncs are very promising as a candidate for applications of low cost nano-devices and flexible nano-devices. In this project, we will investigate the fabrication of Ge-ncs thin film on flexible substrates using controllable low temperature in situ growth techniques and illustrate its underlying mechanism. Meanwhile, the mechanisms of free carrier generation and charge transport of in situ grown Ge-ncs will also be revealed, and a doping method will be established for the Ge-ncs thin film. Based on the in situ growth method using substrate heating, two novel approaches, ultra-violet assisted in situ growth and in situ growth with laser post-annealing, will be developed in order to realize the controllable growth of Ge-ncs at further lower temperature. In addition, optoelectronic devices will be fabricated on flexible substrates using above techniques for the purpose of verifying relative properties of Ge-ncs thin film. The completion of this project will establish experimental and theoretical foundations for the fabrication of Ge-ncs and related optoelectronic devices on flexible substrates. Furthermore, it also has great significance for promoting our research in the area of low cost flexible nano-optoelectronic devices.

锗纳米晶不仅具有无毒，储量丰富，与硅生产工艺相兼容等优点，其较低的生长温度降低了相关材料和器件的制备工艺复杂度，从而使其能够被应用于低成本衬底或柔性衬底。因此，锗纳米晶在低成本纳米器件和柔性纳米器件领域具有广阔的应用前景。本项目旨在探索利用可控低温原位生长技术在柔性衬底上制备锗纳米晶薄膜，阐明锗纳米晶的低温生长机理，揭示原位生长锗纳米晶中载流子产生和电荷输送的机制，建立对锗纳米晶薄膜进行掺杂改性的方法。在衬底加热原位生长法的基础上，本项目将通过采用紫外光辅助原位生长法和激光后退火原位生长法实现在更低的工艺温度下进行锗纳米晶的可控生长，并尝试采用以上技术在柔性衬底上制备光电器件，以验证锗纳米晶薄膜的相关性能。该项目的研究成功，为锗纳米晶及相关光电器件的制备提供了实验和理论基础，对推动我国的新型低成本柔性纳米光电器件研究跨入国际先进行列具有重大的现实意义。

基于 IV 族元素的纳米结构是一种理想的纳米材料。作为IV 族体系中除硅以外的另一种重要元素，锗纳米晶材料有其自身的一些优势。尤其是，锗元素相对较低的熔点温度意味着锗纳米晶在低温制备方向比硅纳米晶更具潜力。由此可见，如能实现大面积可控低温生长，锗纳米晶在制造成本和柔性应用方面将比硅纳米晶更具优势。该项目的核心工作就是探索利用原位生长技术在低温衬底上制备锗纳米晶薄膜及基于此类薄膜的光电器件结构， ..该项目的主要研究内容包括（1）锗纳米晶的可控低温原位生长及其工艺优化；（2）光辅助锗纳米晶原位生长的机理研究；（3）锗纳米晶薄膜的载流子产生和电荷输送机理，以及薄膜的掺杂改性；（4）基于锗纳米晶的光电器件的设计、制备和表征。..该项目在执行过程中获得了一些研究成果，其中主要的重要结果如下：.（1）锗纳米晶/二氧化硅超晶格结构的沉积工艺：实现了对多层结构的纳米级控制，最小膜厚达到3nm左右，对锗纳米晶的直径控制精度达到1nm左右。.（2）锗纳米晶的成核机理：提出一种改进的热力学模型用以描述锗纳米晶在二氧化硅超晶格结构中的成核过程。.（3）锗纳米晶和二氧化硅的界面研究：锗纳米晶体实际上形成了一种核-壳结构，由晶体内核和非晶外壳两部分构成，其中非晶部分由GeSiO三元化合物构成。.（4）锗纳米晶在二氧化硅中的低温原位生长模型：其本质上是一个Volmer-Weber生长与锗原子氧化相竞争的过程。.（5）二氧化硅包覆层对锗纳米晶的应力作用：发现原位生长锗纳米晶受到的压应力比后退火生长锗纳米晶受到的压应力更大，且基片的选择也对超晶格结构中应力的大小有显著影响。.（6）锗纳米晶薄膜的载流子产生及电荷输送机理：由于锗纳米晶的表面态引起空穴积累，因此导致锗纳米晶薄膜具备P型半导体特性；热激发过程会引起空穴载流子在相邻纳米晶之间跃迁从而形成空穴电流。此外，锑或镓掺杂均不能改变锗纳米晶薄膜的电学特性，这可能是由于此类物质无法在锗纳米晶中不是浅掺杂质，因为无法有效激活。.（7） 锗纳米晶/硅异质结二极管：利用锗纳米晶薄膜在n型单晶硅基片上制备异质结二极管，并成功测得二极管特性。..该项目对锗纳米晶薄膜的低温生长工艺以及物理机理进行了深入全面的探索，一系列成果为未来制备基于锗纳米晶薄膜的光电器件和产品提供了实验和理论基础，对推动我国的新型低成本纳米光电器件研究跨入国际先进行列具有重大的现实意义。