[發明專利]一種面內Ge納米線發光材料的制備方法

有效

• 申請號: 201710304778.5
• 申請日: 2017-05-03
• 公開（公告）號: CN107146834B
• 公開（公告）日: 2019-01-25
• 發明（設計）人: 宋禹忻;朱忠赟珅;李耀耀;韓奕;張振普;張立瑤;王庶民
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海微系統與信息技術研究所
• 主分類號: H01L33/00
• 分類號: H01L33/00;B82Y40/00;C09K11/66
• 代理公司: 上海智信專利代理有限公司 31002
• 代理人: 鄧琪

本發明提供了一種面內Ge納米線發光材料的制備方法，目的在于解決既能夠直接帶隙發光又能夠兼容現有的CMOS工藝的發光材料，其包括如下步驟：在單晶硅襯底上外延生長預制的過渡晶體單元，且頂層材料的晶格常數大于Ge材料；在所述預制的過渡晶體單元上外延生長Ge量子點；通過高溫原位退火使離散的所述Ge量子點通過定向擴散匯聚成面內的Ge納米線。本發明通過將現有的CMOS工藝相兼容Ge材料轉化為直接帶隙，實現了既能夠直接帶隙發光又能夠兼容現有的CMOS工藝。

技術領域

本發明涉及半導體電子與光電子材料制備領域，具體而言，本發明涉及一種面內Ge納米線發光材料的制備方法。

背景技術

隨著科技的發展，為了突破傳統硅基集成電路速度慢、功耗高等的技術瓶頸，硅基光互聯技術與現代集成電路的結合越來越緊密，部分場合甚至出現了以光通訊取代現有的電子通訊。然而，由于硅是間接帶隙半導體材料，不利于作為光源應用于硅基光互聯網絡，因此，人們在硅基光電學領域展開了對硅基發光技術的研究。發展至今，目前的硅基光源大多采用III-V族發光器件與硅基底相鍵合的方法，但III-V族發光器件與現有的CMOS工藝不兼容，難以實現單片集成的硅基光源，使得Si基光互聯的成本大大提升，不利于長期發展。

發明內容

為了尋找到能夠直接帶隙發光同時兼容現有的CMOS工藝的實現方案，本發明提供一種面內Ge納米線發光材料的制備方法。

考慮到可以與現有的CMOS工藝相兼容的Ge納米線的軸向長度遠大于其他兩個方向，因此，該軸向方向上的張應變量容易保持，其值約為與下一層材料的晶格失配度。另外，由于面內張應變Ge納米線垂直于軸向的方向也會受到晶格失配的影響而產生張應變。因此，若提供給Ge納米線足夠的張應變，則可實現IV族材料的直接帶隙發光，且可以通過改變材料從而改變張應變量來調節發光的中心波長。理論上，雙軸張應變量晶格常數為大于1.6％，因此，采用大于2％的晶格常數可以使Ge納米線材料Γ能谷下降到L能谷下面，使之成為直接帶隙。因而，本發明采用面內Ge納米線制備發光材料，該面內Ge納米線發光材料的制備方法包括：

S1：在單晶硅襯底上外延生長預制的過渡晶體單元，且頂層材料的晶格常數大于Ge材料；

S2：在所述預制的過渡晶體單元上外延生長Ge量子點；

S3：通過高溫原位退火使離散的所述Ge量子點定向擴散匯聚成面內的Ge納米線。

優選地，所述外延生長的方法包括分子束外延技術、化學氣相外延技術、金屬有機化學氣相外延技術、液相外延、熱壁外延技術的一種或者多種。

優選地，在S1中，所述預制的過渡晶體單元包括完全弛豫的過渡晶體單元GeSn層。

優選地，所述過渡晶體單元GeSn層厚度為1—2μm，GeSn中的Sn的組分大于13％。

優選地，所述過渡晶體單元GeSn層中的Sn的組分為15％。

優選地，在S1中，所述在單晶硅襯底上外延生長預制的過渡晶體單元包括：

S11：對硅襯底進行斜切處理，使其產生雙原子臺階，其中，斜切角度為2-5°；

S12：在已經斜切的所述硅襯底上采用外延生長過渡晶體單元AlSb層；

S13：在所述過渡晶體單元AlSb層之上外延生長完全弛豫的過渡晶體單元GaSb層。

優選地，所述步驟S12的外延生長方式采用界面失配外延方式。

優選地，所述步驟S12中外延生長的過渡晶體單元AlSb層厚度為5-10nm。

優選地，所述步驟S12中外延生長的過渡晶體單元GaSb層厚度為200nm-2μm。

優選地，所述斜切角度為3°。