稳定、优质nc-Si/a-Si:H薄膜的研制和特性分析

利用等离子体增强化学气相沉积技术研制出了优质稳定的氢化非晶-纳米晶两相结构硅薄膜.薄膜的光电导率相对于器件质量的非晶硅有两个数量级的提高;光敏性也较好,光、暗电导比可以达到104,此外薄膜的光电导谱具有更宽的长波光谱响应.更为重要的是薄膜的光致退化效应远小于典型的非晶硅薄膜,在光强为50mW/cm2的卤钨灯光照24h后,光电导的衰退小于10%.这种薄膜优良的光电性能源于薄膜中的非晶母体的存在使其在光学跃迁中的动量选择定则发生松弛,因而具有大的光学吸收系数和较高的光敏性;相对于典型非晶硅而言,薄膜的中程有序度得到了较大的改善,并具有小的深隙态密度;薄膜中存在的纳米尺寸的微晶颗粒,提供了光生载流子的复合通道,在非晶母体中的电子空穴对可以转移到微晶颗粒中进行复合,这样抑制了非晶母体中的非辐射复合,从而降低了光致亚稳缺陷产生的概率.

掺铒nc-Si/SiO_2薄膜中nc-Si和Er~(3+)与非辐射复合缺陷间相互作用对薄膜发光特性的影响

对nc-Si/SiO_2薄膜中纳米硅(nc-Si)、Er~(3+)和非辐射复合缺陷三者间的关系作了研究.在514.5 nm光激发下,nc-Si/SiO_2薄膜在750nm和1.54μm处存在较强的发光,前者与薄膜中的nc-Si有关,后者对应于Er~(3+)从第一激发态4I13/2到基态4I15/2的辐射跃迁.随薄膜中Er3+含量的提高,1.54μm处的发光强度明显增强,750 nm处的发光强度却降低.H处理可以明显增强薄膜的发光强度,但是对不同退火温度样品,处理效果却有所不同.根据以上实验结果,可得如下结论:在nc-Si颗粒附近的Er~(3+)和其他的缺陷组成了nc-Si颗粒内产生的束缚激子的非辐射复合中心,束缚激子通过Er~(3+)的非辐射复合,激发Er~(3+)产生1.54μm处的发光,同时降低了750nm处的发光强度.nc-Si颗粒附近其他非辐射复合中心的存在会降低Er~(3+)被激发的概率,引起1.54μm处的发光强度降低.

GaAs／Si／AlAs异质结不同生长温度Si夹层分布的CV实验研究

用MBE生长设备制造了GaAs/Si/AlAs异质结，通过CV法研究了异质结的带阶和GaAs层在不同温度下生长对0．5分子层Si夹层的影响，得到Si夹层的空间分布随GaAs层生长温度的升高而由局域变为弥散的温度效应。

GaAs/Si/AlAs异质结的带阶和GaAS生长温度的影响

用分子束外延（MBE）设备制备了GaAs/AlAs和GaAs/Si/AlAs异质结，通过XPS分别研究了异质结界面处Si层厚度为0.5ML和1ML对异质结带阶的调节，得到最大调节量为0.2eV;通过C－V法研究了异质结的GaAs层在不同温度下生长对0.5MLSi夹层的影响，得到Si夹层的空间分布随GaAs层生长温度的升高而扩散增强的温度效应，通过深能级瞬态谱（DLTLS）研究了在上述不同温度下生长的GaAs层的晶体质量。

掺硼nc-Si:H薄膜中纳米硅晶粒的择优生长

利用等离子体增强化学气相沉积（PECVD）生长的系列掺硼氢化纳米硅（nc-Si:H）薄膜中纳米硅晶粒（nanocrystalline silicon，简称nc-Si)有择优生长的趋势。用HRTEM、XRD、Ramam等方法研究掺硼nc-Si:H薄膜的微观结构时发现：掺硼nc-Si:H薄膜的XRD只有一个峰，峰位在2θ≈47°，晶面指数为（220），属于金刚石结构。用自由能密度与序参量的关系结合实验参数分析掺硼nc-Si:H薄膜择优生长的原因是：适当的电场作用引起序参量改变，导致薄膜在适当的自由能范围内nc-Si的晶面择优生长。随着掺硼浓度的增加，nc-Si:H薄膜的晶态率降低并逐步非晶化。nc-Si随射频功率密度的增大而长大，但晶态率降低。nc-Si随衬底温度升高而长大，晶态率提高。nc-Si随射频功率密度的增大而长大，晶态率增大的趋势平缓。但未发现掺硼浓度、稀释比、衬底温度、射频功率密度的变化引起薄膜中nc-Si晶面的择优生长。

1．55μm Si基光电探测器的研究进展

从材料的生长、器件结构的选择等方面对1．55μm锗光电探测器的研究进展进行了综述，对Ge量子点共振腔增强型光电探测器的应用前景进行了探讨与展望。

在Si衬底上自组装生长Ge量子点研究进展

在Si衬底上自组装生长纳米尺度的Ge量子点，由于三维量子限制效应的贡献，能够在能带结构上对 Si、Ge天然材料的间接带特性实施准直接带结构的改性，使激子行为和带间复合跃迁得到大幅度增强，同时Ge量子点的可控有序相关排列还有助于发展新一代的Si基电子波量子器件．文章回顾了自20世纪80年代末至今Ge/ Si量子点生长研究的重要进展，对其潜在的重要应用作出了评述．结合作者自己的研究结果，着重介绍了Ge量子点的生长动力学及其形态的演变过程，指出自组装生长的Ge/Si量子点属Ⅱ型能带结构，其发光效率比一维量子阱有很大增强．探讨了用模板衬底实现对Ce量子点尺寸和分布的有序可控生长方法与途径．

新型硅基双异质外延SOI材料Si/γ-Al_2O_3/Si制备

异质外延法是目前制备新型SOI材料的技术途径之一。采用低压化学气相沉积技术(LPCVD)在硅衬底上先外延r-A1-2O-3绝缘单晶薄膜，制备出硅衬底上外延氧化物外延结构r-Al-2O-3／Si(EOS)，然后采用类似SOS薄膜生长的常压CVD(APCVD)方法在EOS上外延硅单晶薄膜，形成新型硅基双异质SOl材料Si／r-Al-2O-3／Si。利用反射高能电子衍射(RHEED)、X射线衍射(XRD)、俄歇电子能谱(AES)及MOS电学测量等技术表征分析了Si(100)／r-Al-2O-3(100)／Si(100)SOI异质结构的晶体结构、组分和电学性能。测试结果表明，已成功实现了高质量的新型双异质外延SOI结构材料Si(100)／ r-Al-2O-3(100)／Si(100)，r-Al-2O-3与Si外延薄膜均为单晶，r-Al-2O-3薄膜具有良好绝缘性能，SOI结构界面清晰陡峭，该SOI材料可应用于CMOS电路的研制。

ne-Si:H薄膜的内应力特性研究

测试了采用PECVD生长的氢化纳米硅(nc-Si：H)薄膜的内应力。利用XRD、Raman、AFM、 HRTEM研究了nc-Si：H薄膜的微结构，用全场薄膜应力测试仪测量了nc-Si：H薄膜的内应力。结果表明：nc-Si：H薄膜的内应力与薄膜的微结构密切相关，强烈依赖于制备工艺。压应力随掺杂浓度的提高而增加；在一定功率密度范围内掺磷nc-Si：H薄膜的压应力随功率密度增加而减少，并过渡为张应力；在373-523K之间，掺硼nc-Si：H薄膜的压应力随衬底温度升高而增加；nc- Si：H薄膜的压应力随氢气对硅烷稀释比的变化而变化。

GSMBE生长SiGe/Si材料的原位掺杂控制技术

在特定温控下对掺杂气体分子的状态和活性进行控制，建立了一套具有自主知识产权的气源分子束外延工艺生长SiGe/Si材料的原位掺杂控制技术。采用该技术生长的SiGe/Si HBT外延材料，可将硼杂质较好地限制在SiGe合金基区内，并能有效地提高磷烷对N型掺杂的浓度和外延硅层的生长速率，获得了理想N,P型杂质分布的SiGe/Si HBT外延材料。

Si衬底上无坑洞3C-SiC的外延生长研究

在冷壁式不锈钢超高真空系统上，利用低压化学气相淀积（LPCVD）方法在直径为50 mm的单晶Si(100)和Si(111)晶向衬底上生长出了高取向无坑洞的晶态立方相碳化硅（3C-SiC）外延材料，利用反射高能电子衍射（RHEED）和扫描电镜（SEM）技术详细研究了Si衬底的碳化过程、碳化层的表面形貌及缺陷结构，获得了界面平整光滑、没有空洞形成的3C-SiC外延材料，并采用X- 射线衍射（XRD)、双晶X- 射线衍射（DXRD）和霍尔(Hall）测试等技术研究了外延材料的结构和电学特性。

Si(100)衬底上n-3C-SiC／p-Si异质结构研究

利用LPCVD方法在Si(100)衬底上获得了3C-SiC外延膜，扫描电子显微镜(SEM)研究表明3C-SiC／p—Si界面平整、光滑，无明显的坑洞形成。研究了以In和Al为接触电极的3C-SiC／p—Si异质结的I—V，C-V特性及I—V特性的温度依赖关系，比较了In电极的3C-SiC／p—Si异质结构和以SiGe作为缓冲层的3C-SiC／SiGe／p—Si异质结构的I—V特性，实验发现引入SiGe缓冲层后，器件的反向击穿电压由40V提高到70V以上。室温下A1电极3C-SiC／p—Si二极管的最大反向击穿电压接近100V，品质因子为1．95。

热光Si共振腔型可调谐滤波器

报道了利用Si基键合技术和化学机械抛光工艺制作的垂直结构的Fabry-Perot可调谐滤波器，调谐机理为pn结正向注入电流引起的热光效应。调谐范围可达23nm，响应时间约为300 μs，并给出了获得更快响应和更低能耗的热光和电注入可调谐滤波器件结构改进方案。

双异质外延SOI材料Si/γ-Al_3O_3/Si的外延生长

利用MOCVD（metalorganic chemical vapor deposition）和APCVD（atmosphere chemical vapor deposition）硅外延技术在Si(100)衬底上成功地制备了双异质Si/γ-Al_2O_3/Si SOI材料。利用反射式高能电子衍射（RHEED）、X射线衍射（XRD）及俄歇能谱（AES）对材料进行了表征。测试结果表明，外延生长的γ-Al_2O_3和Si薄膜都是单晶薄膜，其结晶取向为（100）方向，外延层中Al与O化学配比为2:3。同时，γ-Al_2O_3外延层具有良好的绝缘性能，其介电常数为8.3，击穿场强为2.5MV/cm。AES的结果表明，Si/γ-Al_2O_3/Si双异质外延SOI材料两个异质界面陡峭清晰。

1.3μm Si-Based MOEMS Optical Tunable Filter with a Tuning Range of 90nm

Optical filters capable of single control parameter-based wide tuning are implemented and studied. A prototype surface micromachined 1.3μm Si-based MOEMS (micro-opto-electro-mechanical-systems) tunable filter exhibits a continuous and large tuning range of 90 nm at 50 V tuning voltage. The filter can be integrated with Si-based photodetector in a low-cost component for coarse wavelength division multiplexing systems operating in the 1.3μm band.