[发明专利]一种面内Ge纳米线发光材料的制备方法

说明书

本发明提供了一种面内Ge纳米线发光材料的制备方法，目的在于解决既能够直接带隙发光又能够兼容现有的CMOS工艺的发光材料，其包括如下步骤：在单晶硅衬底上外延生长预制的过渡晶体单元，且顶层材料的晶格常数大于Ge材料；在所述预制的过渡晶体单元上外延生长Ge量子点；通过高温原位退火使离散的所述Ge量子点通过定向扩散汇聚成面内的Ge纳米线。本发明通过将现有的CMOS工艺相兼容Ge材料转化为直接带隙，实现了既能够直接带隙发光又能够兼容现有的CMOS工艺。

技术领域

本发明涉及半导体电子与光电子材料制备领域，具体而言，本发明涉及一种面内Ge纳米线发光材料的制备方法。

背景技术

随着科技的发展，为了突破传统硅基集成电路速度慢、功耗高等的技术瓶颈，硅基光互联技术与现代集成电路的结合越来越紧密，部分场合甚至出现了以光通讯取代现有的电子通讯。然而，由于硅是间接带隙半导体材料，不利于作为光源应用于硅基光互联网络，因此，人们在硅基光电学领域展开了对硅基发光技术的研究。发展至今，目前的硅基光源大多采用III-V族发光器件与硅基底相键合的方法，但III-V族发光器件与现有的CMOS工艺不兼容，难以实现单片集成的硅基光源，使得Si基光互联的成本大大提升，不利于长期发展。

发明内容

为了寻找到能够直接带隙发光同时兼容现有的CMOS工艺的实现方案，本发明提供一种面内Ge纳米线发光材料的制备方法。

考虑到可以与现有的CMOS工艺相兼容的Ge纳米线的轴向长度远大于其他两个方向，因此，该轴向方向上的张应变量容易保持，其值约为与下一层材料的晶格失配度。另外，由于面内张应变Ge纳米线垂直于轴向的方向也会受到晶格失配的影响而产生张应变。因此，若提供给Ge纳米线足够的张应变，则可实现IV族材料的直接带隙发光，且可以通过改变材料从而改变张应变量来调节发光的中心波长。理论上，双轴张应变量晶格常数为大于1.6％，因此，采用大于2％的晶格常数可以使Ge纳米线材料Γ能谷下降到L能谷下面，使之成为直接带隙。因而，本发明采用面内Ge纳米线制备发光材料，该面内Ge纳米线发光材料的制备方法包括：

S1：在单晶硅衬底上外延生长预制的过渡晶体单元，且顶层材料的晶格常数大于Ge材料；

S2：在所述预制的过渡晶体单元上外延生长Ge量子点；

S3：通过高温原位退火使离散的所述Ge量子点定向扩散汇聚成面内的Ge纳米线。

优选地，所述外延生长的方法包括分子束外延技术、化学气相外延技术、金属有机化学气相外延技术、液相外延、热壁外延技术的一种或者多种。

优选地，在S1中，所述预制的过渡晶体单元包括完全弛豫的过渡晶体单元GeSn层。

优选地，所述过渡晶体单元GeSn层厚度为1—2μm，GeSn中的Sn的组分大于13％。

优选地，所述过渡晶体单元GeSn层中的Sn的组分为15％。

优选地，在S1中，所述在单晶硅衬底上外延生长预制的过渡晶体单元包括：

S11：对硅衬底进行斜切处理，使其产生双原子台阶，其中，斜切角度为2-5°；

S12：在已经斜切的所述硅衬底上采用外延生长过渡晶体单元AlSb层；

S13：在所述过渡晶体单元AlSb层之上外延生长完全弛豫的过渡晶体单元GaSb层。

优选地，所述步骤S12的外延生长方式采用界面失配外延方式。

优选地，所述步骤S12中外延生长的过渡晶体单元AlSb层厚度为5-10nm。

优选地，所述步骤S12中外延生长的过渡晶体单元GaSb层厚度为200nm-2μm。

优选地，所述斜切角度为3°。