三维空间Ge/Si量子点阵红外探测材料的溅射生长机理及其物性研究

Silicon is the key materials in the filed of microelectronics technology, which has abundant reserves and low production cast. Bulk silicon is an indirect bandgap semiconductor, and therefore has very low light emission efficiency. The three dimensional Ge/Si quantum dot array will become a new high-efficiency photoelectric material because the transition between electrons and holes don't need phonons assist. Based on the industrialized fabrication of sputtering technology,this project proposed research on the physical mechanism and the photoelectric properties of Ge/Si quantum dot array. For this study, in theory, the green's function method, molecular dynamics and Monte-Carlo method are used to simulate sputtering deposition in the process of surface atomic behavior of quantum dot array. We explore new methods for spontaneous uniform, ordered grown three dimensional space quantum dot arrays, and a new theory for the control grown organization Ge/Si quantum dot array. Experimentally sputtering growth temperature, growth rate, Ge and Si atomic precipitation amount, and heat treatment process on dynamics and thermodynamics condition are researched, and their resulting various physical effect are considered for the growth of space quantum dot array. Microstructure and photoelectric performances of samples are characterized. The inversion images of three dimensional quantum dot array spaces are studied. Then we map out high response rate infrared detecting materials using space quantum dot array. The physical mechanism for controllable growth of sputtering 3D Ge/Si quantum dot array is revealed; further apply to the fabrication of infrared detector. These researches will establishes a good foundation to realize optoelectronic integrate using silicon-based materials.

Si储量丰富、成本低廉，在微电子技术领域占统治地位。三维空间Ge/Si量子点阵可不受Si、Ge间接带隙光跃迁需声子参与的影响，而成为新型的高效光电材料。项目采用可产业化的溅射生长技术，进行Ge/Si量子点阵生长的物理机制及其光电性能研究。理论上采用格林函数、分子动力学及Monte-Carlo方法等，计算模拟溅射沉积量子点阵过程中表面原子行为，探索三维空间量子点阵自发均匀、有序化生长的新方法和自组织Ge/Si量子点阵控制生长的新理论。实验上研究溅射生长温度、沉积速率、Ge与Si原子的沉积量、热处理工艺等动力学、热力学条件的变化，以及由此产生的各种物理效应对生长空间量子点阵的影响；进行微结构、光电性能表征及三维量子点阵空间反演图像研究，获得高响应率的空间量子点阵探测材料。揭示溅射三维Ge/Si量子点阵可控生长的物理机制，进一步应用于红外探测材料的研制实践，为实现硅基材料的光电子集成奠定基础。

三维空间Ge/Si量子点阵研究是实现硅基光电集成的重要基础。项目的主要研究是：理论方面，通过计算获得Ge/Si量子点的空穴态在不同耦合距离下的特性、溅射量子点过程中表面原子行为、密度对不同形状量子点应变分布的影响及纵向PIN型Ge/Si量子点红外探测器暗电流特性。实验方面，观察并发现SiGe量子点二次生长的演变行为及物理机制、离子枪极板间距等工艺的优化参数；获得了退火过程中激活能对量子点生长的影响、模板上溅射生长有序量子点的优化工艺和机制；通过碳诱导获得高密度量子点以及石墨烯复合Ge量子点的生长工艺。在器件研究方面，观察到单个量子点的共振隧穿和库伦台阶特性、分析了量子点的PL光谱和红外吸收光谱、试制了Ge量子点/石墨烯场效应晶体管的原型器件、表征了该器件在不同光照下的输出和转移曲线以及光电响应率。课题期间共发表论文32篇，SCI收录14篇，EI收录11篇；项目实施期间获得中国发明专利3项，申请国家发明专利9项；主持人及2位青年教师分别获得东陆学者及云南省中青年学术带头人，培养研究生38名；获得国家光电子能源材料国际联合研究中心。. 重要结果和关键数据：提出了简单、准确、快速的新型格林函数法求解弹性方程，计算不同形状量子点的三维空间应变分布，空间分辨率为0.08 nm；获得高质量的量子点时离子枪极板的优化间距为2 mm；碳诱导量子点的密度高达1.3×1011/cm2，高宽比为1:5；退火温度调控量子点密度过程中Ge原子需克服2 eV的激活能阈值才能自由迁移；观察到Ge原子向下迁移克服的势垒小于向上迁移，在纳米孔内成核生长的Ge点更容易释放积累的应变，Ge原子倾向于在纳米孔内聚集，溅射制备有序量子点较优的温度为450 °C；二次生长的量子点在700 °C时呈现优先生长模式，在730 °C时呈现Ostwald熟化模式；Ge沉积量可调控量子点与石墨烯间的相互作用，500 °C下石墨烯上的量子点尺寸较均匀；随着量子点尺寸的减小和互混度的增加，启始电压增加，电流阶跃宽度减小；量子点的发光峰峰位位于650-750meV，红外吸收峰峰位为3.4μm；Ge量子点/石墨烯场效应晶体管在808 nm近红外光下的光电响应率为4.3AW-1，β绝对值为0.9。这些研究成果为硅基光电集成器件的应用发展奠定了坚实的基础。