一种面内Ge纳米线发光材料的制备方法

权利要求

1.一种面内Ge纳米线发光材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：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。

2.根据权利要求1所述的面内Ge纳米线发光材料的制备方法，其特征在于，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、液相外延、热壁外延技术的一种或者多种。

3.根据权利要求1所述的面内Ge纳米线发光材料的制备方法，其特征在于，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。

4.根据权利要求3所述的面内Ge纳米线发光材料的制备方法，其特征在于，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％。

5.根据权利要求3所述的面内Ge纳米线发光材料的制备方法，其特征在于，所述过渡晶体单元GeSn层中的Sn的组分为15％。

6.根据权利要求1所述的面内Ge纳米线发光材料的制备方法，其特征在于，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。

7.根据权利要求6所述的面内Ge纳米线发光材料的制备方法，其特征在于，所述步骤S12的外延生长方式采用界面失配外延方式。

8.根据权利要求6所述的面内Ge纳米线发光材料的制备方法，其特征在于，所述步骤S12中外延生长的过渡晶体单元AlSb层厚度为5-10nm。

9.根据权利要求6所述的面内Ge纳米线发光材料的制备方法，其特征在于，所述步骤S13中外延生长的过渡晶体单元GaSb层厚度为200nm-2μm。

10.根据权利要求6所述的面内Ge纳米线发光材料的制备方法，其特征在于，所述斜切角度为3°。

说明书

一种面内Ge纳米线发光材料的制备方法

技术领域

[0001] 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

[0002] 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

[0003] 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。

[0004] 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：

[0005] 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；

[0006] S2：在所述预制的过渡晶体单元上外延生长Ge量子点；

[0007] 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。

[0008] 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。

[0009] 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。

[0010] 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％。

[0011] 优选地，所述过渡晶体单元GeSn层中的Sn的组分为15％。

[0012] 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：

[0013] 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°；

[0014] 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；

[0015] 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。

[0016] 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。

[0017] 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。

[0018] 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。

[0019] 优选地，所述斜切角度为3°。

[0020] 与现有技术相比，本发明提供的一种面内Ge纳米线发光材料的制备方法具有如下有益效果：

[0021] 本发明主要基于现有的外延技术，通过高温原位退火技术使原子定向扩散，从而汇聚形成纳米线，得到面内双轴张应变的Ge纳米线发光材料。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，克服了硅不能直接带隙以及III-V族发光器件不能与现有的CMOS工艺兼容的问题，为作为光源应用于硅基光互联网络提供了一种新方案，同时该方法操作简单，制备的纳米线尺寸可控，有利于单片集成及后期器件制备，降低成本，为硅基IV族光源提供了新的选择，在一定程度上促进光通信行业的良性发展。

附图说明

[0022] 本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

[0023] 图1为本发明实施例一种面内Ge纳米线发光材料的制备方法的方法流程图；

[0024] 图2为按照实例一得到的一种面内Ge纳米线发光材料的结构示意图；

[0025] 图3为按照本发明，面内Ge量子点形成面内Ge纳米线过程的俯视示意图；

[0026] 图4为按照实例二得到的一种面内Ge纳米线发光材料的结构示意图。

具体实施方式

[0027] 下面结合实施例对本发明进一步说明。

[0028] 请参阅图1，本发明实施例提供一种面内Ge纳米线发光材料的制备方法，其包括如下步骤：

[0029] 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；

[0030] S2：在所述预制的过渡晶体单元上外延生长Ge量子点；

[0031] S3：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。

[0032] 其中，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；根据退火时间和温度的参数值调节Ge纳米线的尺寸。

[0033] 实施例一

[0034] 请参阅图2-图3，以下以硅衬底101上利用过渡晶体单元GeSn层103作为预制的过渡晶体单元为例来说明面内Ge纳米线发光材料的制备方法，具体制备步骤如下：

[0035] (I)在硅衬底101衬底上外延生长完全弛豫的过渡晶体单元GeSn层103，其中，过渡晶体单元GeSn层103厚度为1—2μm；GeSn中的Sn的组分一般为大于13％，这里为15％；

[0036] (II)在过渡晶体单元GeSn层103上外延生长Ge量子点105；

[0037] (III)通过高温原位退火使离散的Ge量子点105定向扩散汇聚成面内的Ge纳米线105。

[0038] 优选地，所述外延生长方式采用分子束外延方式。通过上述步骤(I)、步骤(II)和步骤(III)，该面内Ge纳米线105的发光材料制备完成。该面内Ge纳米线105发光材料与过渡晶体单元GeSn层103有7.7％的失配度或晶格常数，超过直接带隙所需的2％的晶格常数，因此，该面内Ge纳米线105发光材料为直接带隙材料，从而实现直接带隙发光。

[0039] 实施例二

[0040] 请参阅图4，以硅衬底201上分别利用过渡晶体单元AlSb层203和过渡晶体单元GaSb层205作为预制的过渡晶体单元为例来说明面内Ge纳米线发光材料的制备方法，其中，过渡晶体单元AlSb层203靠近硅衬底201，过渡晶体单元GaSb层205位于AlSb层203之上，具体制备步骤如下：

[0041] S11：对硅衬底101进行斜切处理，使其产生双原子台阶，其中，斜切角度一般为2-5°，这里为3°；

[0042] S12：在已经斜切的硅衬底101上采用外延生长过渡晶体单元AlSb层203，其中过渡晶体单元AlSb层203厚度一般为5-10nm，这里为7nm；

[0043] S13：在过渡晶体单元AlSb层203之上外延生长完全弛豫的过渡晶体单元GaSb层205，其中，过渡晶体单元GaSb层205厚度可为200nm-2μm，。这里为500nm；

[0044] S14：在过渡晶体单元GaSb层205上外延生长Ge量子点；

[0045] S15：通过高温原位退火使离散的Ge量子点定向扩散汇聚成面内的Ge纳米线207。

[0046] 在S2中，采用界面失配外延生长方式。但在其他步骤中的外延生长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。

[0047] 该界面失配外延方式是指在衬底上外延生长与衬底材料晶格失配较大的材料时，由于存在较大的应变能，因此会通过位错的形式释放部分甚至全部应变能。但是如果能够找到合适的生长条件，使之产生的位错均在界面处而不穿透到外延材料里面，如90°位错，从而形成“界面失配生长”的外延方式。同时，之所以设置斜切角也是为了消除IV族材料硅衬底201上外延III-V族材料过渡晶体单元AlSb层203时，由于材料极性不同而产生的反相畴缺陷。

[0048] 通过上述S11、S12、S13、S14以及S15，该面内Ge纳米线的发光材料制备完成。该面内Ge纳米线207发光材料与过渡晶体单元GaSb层205有7.7％的失配度或晶格常数，为Ge纳米线带来5％左右的平均张应变量，足以使整个Ge纳米线的Γ能谷低于L能谷，使之成为直接带隙材料。因此，该面内Ge纳米线207发光材料为直接带隙材料，从而实现直接带隙发光。

[0049] 与现有技术相比，本发明实施例一种面内Ge纳米线发光材料的制备方法具有如下有益效果：

[0050] 本发明主要基于现有的外延技术，通过高温原位退火技术使原子定向扩散，从而汇聚形成纳米线，得到面内双轴张应变的Ge纳米线发光材料。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，克服了硅不能直接带隙以及III-V族发光器件不能与现有的CMOS工艺兼容的问题，为作为光源应用于硅基光互联网络提供了一种新方案，同时该方法操作简单，制备的纳米线尺寸可控，有利于单片集成及后期器件制备，降低成本，为硅基IV族光源提供了新的选择，在一定程度上促进光通信行业的良性发展。

[0051] 以上所述仅是本发明的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。