Ge+注入Si1-x Gex/Si异质结的退火行为

在注入能量为100keV时,将注入剂量为5.3×1016/cm2的Ge 注入(001)SIMOX硅膜中制备Si1-xGex/Si异质结;然后,对样品进行碘钨灯快速热退火,退火温度为700～1 050℃,退火时间为5～30 min.对样品的(004)和(113)面X射线衍射数据进行计算和分析,得出退火温度为1 000℃、退火时间为30 min为最佳退火条件.在此退火条件下,假设固相外延生长为赝晶生长,90%的注入Ge 位于替代位置,若同时考虑应变弛豫,则位于替代位置的Ge 达到理论最大值的82%,共格因子为0.438.由于高剂量Ge 注入引起表面晶格损伤严重以及应变弛豫释放的位错和缺陷,因此,表面结晶质量不太理想.     

图形化Si基Ge薄膜热应变的有限元分析

利用有限元方法模拟了图形化Si衬底上外延Ge薄膜的热失配应变,研究了薄膜内部以及表面的应变分布情况,分析了应变与薄膜厚度、衬底尺寸的变化关系.结果表明,热失配应变在异质结构的界面处最大,沿外延层生长方向递减;在薄膜表面,中心区域应变最大,由中心到边缘逐渐减小,边缘发生突变,急剧减小;不同的膜厚下,薄膜表面应变分布规律相同,并且薄膜越厚,应变越小;图形衬底单元的尺寸对薄膜应变有较大的影响,当衬底厚度在6μm以内,宽度在10μm以内时,更有利于薄膜应变的释放.     

应变对铁酸铋外延薄膜结构和压电性能的调控

在掺铌钛酸锶单晶衬底上,用脉冲激光沉积法制备不同厚度的铁酸铋外延薄膜,获得不同应变状态的铁酸铋薄膜,研究应变对薄膜结构和压电性能的影响.X线衍射结果显示铁酸铋薄膜沿衬底外延生长,并且随着厚度的增加,晶格弛豫,面外应变由2.778%减小到2.045%,铁酸铋薄膜也从完全应变过渡到应变部分释放.压电力显微镜测试显示,不同应变状态的铁酸铋薄膜都具有良好的压电响应,压电系数d33随应变的减小也相应地由259 pm/V减小到136 pm/V.     

高Al组分AlGaN基紫外LED结构材料

采用金属有机物气相外延(MOVPE)技术在c面蓝宝石衬底上,引入脉冲原子层外延技术,制备了一系列表面平整度较高的高Al组分AlGaN基异质结构外延片.并采用电子束金属蒸镀技术及优化热退火方法,获得了良好的欧姆接触电极,进一步将外延片制备成LED管芯.通过对量子结构有源层量子阱混晶组分的设计和调整,掌握并实现了主波长260～330 nm紫外LED结构材料的制备.     

全In组分可调InGaN的分子束外延生长

Ⅲ族氮化物InxGa1-xN合金为直接带隙半导体,其禁带宽度随着In组分变化从3.43 e V(Ga N)到0.64e V(In N)连续可调,波长范围覆盖了0.3–1.9μm,具有电子饱和速度高和光学吸收系数大等特点,是制备高效率全光谱太阳能电池和白光照明器件的理想材料.由于缺少合适的衬底,In N和InxGa1-xN薄膜通常生长在蓝宝石或Ga N模板上.本论文综述了采用MBE方法,在蓝宝石衬底和Ga N模板上生长了In N和全组分InxGa1-xN薄膜的生长行为和材料物理性质.利用MBE边界温度控制法在蓝宝石衬底上生长高室温电子迁移率的InN薄膜,利用温度控制外延法在Ga N/蓝宝石模板上制备了全组分InxGa1-xN薄膜.     

SnO薄膜在r面蓝宝石衬底上的外延生长及其性能研究

以SnO陶瓷为靶材,采用脉冲激光沉积法(PLD),在厚度为330 nm的r面蓝宝石衬底上制备厚度约为270 nm的单相SnO外延薄膜,并通过改变衬底温度,系统地研究生长温度对薄膜结构及光学性质的影响.X线衍射(XRD)测试表明,在衬底温度小于或等于575℃时,成功制备出单相的SnO外延薄膜.薄膜与衬底蓝宝石的外延关系为:SnO(001)∥Al_2O_3(1-102),SnO[110]∥Al_2O_3[-12-10].而当温度大于575℃时,由于歧化反应:(1+x)SnO→xSn+SnO_(1+x),得到的SnO薄膜中存在少量的金属Sn相、Sn_3O_4及SnO_2相.透射光谱显示,样品在可见光区的透过率高达80%.薄膜的光学带隙随温度的增加呈现V字型变化趋势.衬底温度小于或等于575℃时,薄膜的光学带隙随温度的升高而减小;当生长温度大于575℃时,由于SnO_2的出现导致薄膜的带隙随温度升高而变大.     

纳米Ge-SiO2薄膜对1342nm激光的被动调Q

采用射频磁控溅射技术和热退火处理方法制备纳米锗镶嵌二氧化硅( Ge-SiO2)薄膜.利用光吸收谱和X射线衍射谱对薄膜材料进行表征,得到薄膜的光学带隙为1.12 eV,纳米Ge晶粒的平均尺寸约为16.4 nm.将纳米Ge-SiO2薄膜作为可饱和吸收体插入激光二极管泵浦的平-凹腔Nd∶YVO4激光器内,实现1 342 nm...     

利用同步辐射XRD研究BiFeO3 外延多铁薄膜的微结构

使用脉冲激光沉积在SrTiO₃ 衬底上生长了不同厚度的BiFeO₃(BFO)薄膜, X 射线衍射分析表明薄膜是BFO 外延薄膜. X 射线反射率测量发现BFO 薄膜密度随着厚度的增加而增加, 同时薄膜表面存在厚度为数纳米的非设计覆盖层. 随着厚度的增加, BFO 薄膜由完全应变过渡到应变部分弛豫状态, 同时BFO 从四方相转变为单斜相.     

硅基Ⅳ族材料外延生长及其发光和探测器件研究进展

硅基光电集成回路是信息时代最具影响力的核心技术之一,由硅基光源、光电探测器、光调制器等模块组成.硅材料是微电子集成电路的基石,然而在光电集成方面却遇到了瓶颈.首先,由于硅是间接带隙材料,其发光效率极低,因此难以应用于硅基高效光源的研制.其次,硅在近红外通讯波段吸收系数很低,因此在近红外光电探测器的应用中具有较大的局限性.然而,研究者发现,通过能带工程将硅与其他Ⅳ族材料相融合不仅可以有效提高直接带高效发光效率,同时能使材料在近红外波段具有较高的吸收系数.因此,以Ⅳ族材料为基础,与硅工艺兼容的硅基光电集成回路引起了研究者的广泛关注.本文综述了课题组在硅基材料外延生长及其发光和探测器件方面的研究进展.介绍了硅基Ⅳ族材料Ge,SiGe/Ge异质结和量子阱材料的外延生长技术,以及硅基GeSn量子点发光材料的制备新方法.基于硅基Ⅳ族异质结构材料,发展调制金属与半导体接触势垒高度新机理,研制了多种结构的光电探测器.设计并制备了与互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor,CMOS)结构兼容的横向异质结以及双有源区垂直共振腔型两种结构硅基电致发光器件,有效提升器件的发光性能,并观察到应变锗发光增益现象.     

用俄歇能谱研究热氮化SiO2膜中氮原子的扩散

应用俄歇电子能谱仪，对快速热氮化法制备的热氮化二氧化硅薄膜及快速热氮化后再氧化退火的二氧化硅薄膜，进行元素深度分布剖析。薄膜厚度约为６０ｎｍ。分析结果发现：１）氮原子在二氧化硅薄膜中的扩散范围受氧原子浓度的控制；２）热氮化二氧化硅薄膜经氧化退火处理后氮原子浓度降低，分布变得平缓，均匀。     

氮化硅的光致发光

采用PECVD技术在单晶硅(100)硅片表面沉积非晶氮化硅薄膜(a-SiN.),通过改变压强,调节氮气流量制备样品,再对沉积态样品进行真空传统退火和氮气氛围快速热退火(RTP)处理.研究认为,所制备的α-SiNx薄膜(N2与SiH4流量比＞20:1)的发光机制以能隙态模型发光机制为主.反应气体流量比不变,提高总的反应气压样品的发光主峰峰位发生了蓝移,真空高温长时间退火会减弱其光致发光效应,快速短时退火有利于其发光峰的增强.     

硅衬底上多层Ge/ZnO纳米晶薄膜的制备及光学特性

采用射频磁控溅射技术和快速热退火方法在Si(100)衬底上制备多层Ge/ZnO纳米晶薄膜.Ge纳米晶的大小随着退火温度的增加,从2.9nm增加到5.3nm.光致发光谱测试发现两个发光峰,分别位于1.48,1.60eV左右.研究发现:位于1.48eV处的发光峰来源于ZnO相关的氧空位或富锌结构的缺陷发光,位于1.60eV处的发光峰随着退火温度的增大向短波长移动,该发光峰应该来源于GeO发光中心.     

采用低温缓冲层技术在Si衬底上外延生长Ge薄膜

利用超高真空化学气相淀积系统,在Si(100)衬底上外延采用低温缓冲层技术外延生长Ge薄膜。实验测试得到外延Ge的X射线双晶衍射曲线半高宽为537arc sec,应变为0.2%。在室温下观测到外延Ge的直接带跃迁光致发光,发光峰位为1560 nm,表明生长的Si基Ge材料具有良好的质量。     

锗硅分子束外延层与衬底界面的电镜研究

使用分子束外延技术制和轩了应变锗硅外延薄膜，并在不同温度下对样品等时热退火处理；采用侧面透射电子显微镜对退火样品进行观测，获得有关高温退火后锗硅外延层与硅衬底界面的位错生长情况，采用高分辨电子显微镜观测样品退火以前的显微结构，表明样品在８５０℃退火温度时出现的位错生长是一种混合型热松弛机理。     

热致漂白效应对非晶Ge34Ga2S64薄膜结构和光学特性的影响

采用热蒸发法技术沉积Ge34Ga2S64非晶薄膜,并对薄膜样品在375℃热处理2h。通过分光光度计、表面轮廓仪和显微拉曼光谱仪测试热处理前后薄膜样品的透过曲线、薄膜厚度和拉曼结构。利用薄膜干涉曲线的波峰和波谷计算了薄膜的厚度和折射率,并根据Swanepoel方法以及Tauc公式分别计算了薄膜折射率色散曲线和光学带隙等参数。结果表明,Ge34Ga2S64非晶薄膜经热处理后发生热致漂白效应,大分子团簇以及Ge-Ge、S-S同极错键含量明显减少,网络结构无序性降低,从而引起薄膜的光学吸收边蓝移、折射率降低、表面粗糙度(Ra)降低0.515nm和光学带隙增大0.118eV。     

基于Al诱导结晶在SiO_2衬底上生长(111)晶向平面多晶Ge薄膜的研究

主要研究在SiO_2衬底上利用Al诱导结晶方法生长50 nm厚的多晶Ge薄膜的过程。研究的重点主要集中在对多晶Ge薄膜进行适当的低温退火处理以及Ge和Al薄膜之间的扩散控制层精准厚度的把握上。当把退火温度控制在325℃、AlO_x扩散控制层的厚度精准到1 nm时,就可以获得多晶Ge薄膜的(111)晶向平面所占的比例超过90%。此外,通过电子背散射衍射(EBSD)测量可以证实,利用该方法生长的多晶Ge薄膜的晶体颗粒的直径有12μm之大。研究结果说明利用Al诱导结晶方法在SiO_2衬底上生长的多晶Ge薄膜,如果将其用于制作电学和光学器件的模板层,将在半导体器件工艺上具有非常好的应用前景。     

Sn掺杂量对Sn-Mg共掺杂ZnO薄膜光电性能的影响

采用超声喷雾热解法在石英衬底上制备了Sn-Mg共掺的ZnO纳米薄膜.借助X射线衍射仪(XRD),扫描电子显微镜(SEM),光致发光谱(PL谱),紫外-可见分光光度计(UV-Vis)和伏安特性曲线(I-V)等测试手段研究了Sn掺杂量的改变对薄膜的结构、形貌和光电性能的影响.结果表明,适量的Sn掺杂可以提高薄膜的表面形貌和光电性能.随着Sn掺杂量的增加,薄膜的(101)衍射峰强度、紫外发光峰、透过率和导电率都是先增加后减小,带隙能量值从3.350eV增加到3.651eV,并且平均透过率均在80%～87%之间.当Sn掺杂量为0.004时,薄膜结晶质量最好,表面最致密,晶粒大小最均匀,紫外发光峰强度最大,导电率最高.     

Ge2Sb2Te5薄膜相变行为及其对光存储特性影响

采用射频磁控溅射方法,在石英玻璃基片上制备了Ge2Sb2Te5相变薄膜.X射线衍射分析表明:室温沉积的薄膜为非晶态;170℃真空退火后,薄膜转变为晶粒尺度约为17 nm的面心立方结构;250 ℃退火导致晶粒尺度约为40 nm的密排六方相出现.研究了室温至450℃下薄膜相变的热力学性能.差热分析显示:薄膜的非晶相向fcc相转变的相变活化能为(2.03±0.15)eV;fcc相向hex相转变的相变活化能为(1.58±0.24)eV.薄膜反射率测量表明:面心相与非晶相的反射率对比度随着波长从400 nm增加到1 000 nm在15%～30%变化,六方相与非晶相的反射率对比度在30%～40%.不同脉冲宽度的激光对非晶态薄膜的烧蚀结果显示:激光的能量密度对薄膜的记录效果有显著影响,在5 mW、50 ns的脉冲激光作用下,Ge2Sb2Te5薄膜具有最好的光存储效果.     

不同退火条件对纳米Ge/Al2O3相嵌薄膜中纳米Ge颗粒的氧化态影响

采用脉冲激光沉积法制备了纳米Ge/Al2O3相嵌薄膜.用X射线光电子谱(XPS)研究了薄膜的热稳定性.结果表明纳米Ge颗粒的氧化态与已经发表的结果不同,而与Si的氧化态的结果相似.用纯高斯函数拟合可以得到Ge的四种不同的氧化态,分别为:Ge 1,Ge 2,Ge 3,Ge 4.这种大的差别来自纳米Ge颗粒的不同环境的影响.在真空退火条件下,由于缺少外部氧的供给和供给速度慢,很奇妙地,在薄膜表层的Ge 2,Ge 4氧化态不如其他氧化态和未氧化态(Ge0)稳定.而在清洁的大气环境退火条件下,外部氧的供给充分和供给速度快,在薄膜表层最稳定的氧化态是Ge 4.     

PECVD沉积氮化硅薄膜在退火过程中的特性变化及在太阳电池中的应用

采用等离子体增强化学气相沉积 (PECVD),在单晶硅衬底上生长氮化硅(SiN)薄膜,再对薄膜进行快速热退火处理,研究了在不同温度下SiN薄膜的退火特性.通过椭圆偏振光仪测量了薄膜厚度和薄膜的折射率,发现退火后薄膜的厚度下降,折射率升高;采用准稳态光电导衰减QSSPCD测少数载流子寿命,发现少子寿命有很大程度的下降.还研究了SiN薄膜对多晶硅电池性能的影响,发现它能较大幅度地提高电池效率.