GeSi基板的制备及其形貌和结构特性研究
发布时间：2021-09-07 12:04
目前,在硅基光电集成领域,一个重要的研究方向是,以Si材料为基础,将以Ⅲ-Ⅴ族化合物为代表的光电子器件集成在一片Si衬底上,从而兼具Ⅲ-Ⅴ族器件优良的光电性能,以及成熟Si工艺的成本优势。而GeSi合金基板适合用于Si基衬底和Ga As基光电器件之间的缓冲层,传统的制备GeSi基板的方法是:先在硅上外延生长组分渐变的GeSi缓冲层,再外延生长GeSi基板,然而该方法成本较高,而且对于高Ge组分的GeSi基板来说,所需缓冲层厚度较大,不利于后续的器件集成,故需要寻找新的制备方法。针对该问题,本论文提出了一种全新的方法:使用电化学腐蚀法,在Si衬底表面制备一定厚度的多孔硅层,该多孔硅层具有纳米级的海绵状结构;之后使用气态源分子束外延方法,在海绵状多孔硅层内部的纳米级孔洞中填充Ge,通过Ge原子和多孔硅结构中的Si原子在沉积过程中高温条件下的互扩散,从而使多孔硅层形成GeSi基板。相比于传统方法,该法无需制备组分渐变的GeSi缓冲层,因而厚度较小,成本较低,并且根据电化学腐蚀条件以及Ge的沉积条件可调节Ge组分。本论文根据该方法,制备出具有高Ge组分的GeSi基板,并对其进行了全面而深入的测...
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院物理研究所)北京市
【文章页数】：84 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
金刚石结构：（a）<100>晶向；（b）<111>晶向[14]
GeSi基板的制备及其形貌和结构特性研究4Si和Ge之间，且随Ge的组分x线性变化，即满足Vegard定率[15]：1=(1)+=0.5431+0.02265…（1.1）相对于Si来说，无应变GeSi合金的晶格失配率为：=()=0.0418…（1.2）1.2.2Si、Ge及GeSi合金的能带结构根据轨道杂化理论，Si原子的外层电子结构为3s23p2，Ge原子的外层电子结构为4s24p2，两者的最外层电子结构相似，均有4个电子，属于不满状态，Si原子及Ge原子各自结合为晶体时均会出现sp轨道杂化现象。以Si为例，Si原子在形成晶体时，原来4个不满的能级劈裂形成4个成键态及4个反键态，4个成键态叠加形成价带，而4个反键态叠加形成导带，具有显著的半导体能带结构。晶体Si的sp杂化轨道能带理论示意图如图1.2所示[16]。图1.2晶体硅的sp杂化轨道能带理论示意图[16]Figure1.2SchematicdiagramofthesphybridorbitaltheoryofcrystallinesiliconSi和Ge晶体均属面心立方晶格，其第一布里渊区（FirstBrillouinZone）具有截角八面体结构，如图1.3所示[17]。布里渊区中心为Г点（0,0,0），<100>方向（即Δ方向）的边界为X点（1/2,0,0），<111>方向（即Λ方向）的边界为L点（1/2,1/2,1/2）。
第1章绪论5图1.3面心立方晶格的第一布里渊区示意图[17]Figure1.3SchematicdiagramofthefirstBrillouinzoneoftheface-centeredcubiclatticeSi和Ge同属间接带隙半导体材料[18]，分别具有如图1.4（a）和（b）所示的能带结构，二者价带的极大值（价带顶）均为k=0处（Г点），然而二者导带的极小值（导带底）均不在Г点，Si材料的导带底位于沿<100>方向距Г点0.85(2)处，而Ge材料的导带底则位于沿<111>方向距Г点0.8(2)处[19]。这种间接带隙结构导致了Si和Ge材料载流子的跃迁和复合过程需要声子的参与，以满足动量守恒的要求。相比于GaAs等Ⅲ-V族直接带隙半导体材料来说，声子的参与导致了Si、Ge等间接带隙半导体材料具有较低的光电转换效率，因而不适合作为光电器件。室温下，Si的禁带宽度为ESi=1.12eV，Ge的禁带宽度为EGe=0.67eV。与Si和Ge晶体一样，GeSi合金也是间接带隙半导体材料。对于无应变的GexSi1-x合金材料来说，在Ge组分x<0.85的情况下，合金的能带结构为类Si结构，导带底位于<100>方向，禁带宽度为[20]：(1)=1.120.43+0.2062()(0≤≤0.85)…（1.3）而在Ge组分x>0.85的情况下，合金的能带结构为类Ge结构，导带底位于<111>方向，禁带宽度为：
【参考文献】：
期刊论文
[1]水热腐蚀制备多孔硅的研究[J]. 陈乾旺,周贵恩,朱警生,李晓光,张裕恒. 自然科学进展. 1997(06)
本文编号：3389515
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院物理研究所)北京市
【文章页数】：84 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
金刚石结构：（a）<100>晶向；（b）<111>晶向[14]
GeSi基板的制备及其形貌和结构特性研究4Si和Ge之间，且随Ge的组分x线性变化，即满足Vegard定率[15]：1=(1)+=0.5431+0.02265…（1.1）相对于Si来说，无应变GeSi合金的晶格失配率为：=()=0.0418…（1.2）1.2.2Si、Ge及GeSi合金的能带结构根据轨道杂化理论，Si原子的外层电子结构为3s23p2，Ge原子的外层电子结构为4s24p2，两者的最外层电子结构相似，均有4个电子，属于不满状态，Si原子及Ge原子各自结合为晶体时均会出现sp轨道杂化现象。以Si为例，Si原子在形成晶体时，原来4个不满的能级劈裂形成4个成键态及4个反键态，4个成键态叠加形成价带，而4个反键态叠加形成导带，具有显著的半导体能带结构。晶体Si的sp杂化轨道能带理论示意图如图1.2所示[16]。图1.2晶体硅的sp杂化轨道能带理论示意图[16]Figure1.2SchematicdiagramofthesphybridorbitaltheoryofcrystallinesiliconSi和Ge晶体均属面心立方晶格，其第一布里渊区（FirstBrillouinZone）具有截角八面体结构，如图1.3所示[17]。布里渊区中心为Г点（0,0,0），<100>方向（即Δ方向）的边界为X点（1/2,0,0），<111>方向（即Λ方向）的边界为L点（1/2,1/2,1/2）。
第1章绪论5图1.3面心立方晶格的第一布里渊区示意图[17]Figure1.3SchematicdiagramofthefirstBrillouinzoneoftheface-centeredcubiclatticeSi和Ge同属间接带隙半导体材料[18]，分别具有如图1.4（a）和（b）所示的能带结构，二者价带的极大值（价带顶）均为k=0处（Г点），然而二者导带的极小值（导带底）均不在Г点，Si材料的导带底位于沿<100>方向距Г点0.85(2)处，而Ge材料的导带底则位于沿<111>方向距Г点0.8(2)处[19]。这种间接带隙结构导致了Si和Ge材料载流子的跃迁和复合过程需要声子的参与，以满足动量守恒的要求。相比于GaAs等Ⅲ-V族直接带隙半导体材料来说，声子的参与导致了Si、Ge等间接带隙半导体材料具有较低的光电转换效率，因而不适合作为光电器件。室温下，Si的禁带宽度为ESi=1.12eV，Ge的禁带宽度为EGe=0.67eV。与Si和Ge晶体一样，GeSi合金也是间接带隙半导体材料。对于无应变的GexSi1-x合金材料来说，在Ge组分x<0.85的情况下，合金的能带结构为类Si结构，导带底位于<100>方向，禁带宽度为[20]：(1)=1.120.43+0.2062()(0≤≤0.85)…（1.3）而在Ge组分x>0.85的情况下，合金的能带结构为类Ge结构，导带底位于<111>方向，禁带宽度为：
【参考文献】：
期刊论文
[1]水热腐蚀制备多孔硅的研究[J]. 陈乾旺,周贵恩,朱警生,李晓光,张裕恒. 自然科学进展. 1997(06)
本文编号：3389515
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