【摘 要】
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面对摩尔定律失效的挑战,具有性能高、尺寸小、功耗低和成本低等优点的Si基光子技术是有望解决Si集成电路瓶颈的路径之一。其中Si基Ge与Si基Ga As由于可调控直接带隙和高迁移率等优势成为Si基光子技术最有前途的材料选择。但是由于较大晶格失配和热失配,Si基上高质量的Ge外延和Ga As外延仍充满了挑战性,较高的缺陷密度制约了Si基上异质外延结构及器件的性能。本论文主要以解决Si基Ge和Si基Ga
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面对摩尔定律失效的挑战,具有性能高、尺寸小、功耗低和成本低等优点的Si基光子技术是有望解决Si集成电路瓶颈的路径之一。其中Si基Ge与Si基Ga As由于可调控直接带隙和高迁移率等优势成为Si基光子技术最有前途的材料选择。但是由于较大晶格失配和热失配,Si基上高质量的Ge外延和Ga As外延仍充满了挑战性,较高的缺陷密度制约了Si基上异质外延结构及器件的性能。本论文主要以解决Si基Ge和Si基Ga As的大失配异质外延中的问题为出发点,运用分子束外延技术实现了高质量的外延生长,并通过超高真空原位退火分别对Ge/Si和Ga As/Ge的界面进行了调控,实现了Ge/Si界面上失配位错的重排获得了高质量的单晶Ge薄膜,并且将Ga As/Ge/Si中的反向畴密度降低了70%,在Si衬底上实现了高质量的Ge/Si虚拟衬底及其与Ga As的集成。本论文的主要研究成果如下:（i）详细的阐述了分子束外延生长过程中Ge和Ga As的表面结构和最初形核的动力学等生长机理;（ii）研究了原位退火后Ge薄膜的应力状态和缺陷密度,证明应力状态由压应力转变为张应力,位错密度从109cm-2降低到107cm-2;（iii）通过退火条件的优化实现了Ge/Si界面上失配位错的重排,得到了90°的周期性失配位错阵列（IMF）,并且证明了IMF是Ge薄膜具有高迁移率和低缺陷密度的主要原因;（iv）通过霍尔效应测试揭示了Ge薄膜中载流子迁移率随缺陷运动的机制,其中室温下Ge薄膜的空穴迁移率接近1300 cm2/V·s,是目前已知报道Si上外延Ge薄膜相关文献中最高的;（v）研究了生长温度、V/III比以及退火条件对于Si基Ga As外延薄膜质量的影响,发现原位退火条件的优化可以显著降低外延Ga As薄膜的粗糙度和反相畴密度,其中Ga As表面的粗糙度从1.695 nm降低到了0.350 nm,反向畴密度由3.23μm-1降到了0.96μm-1。本论文运用外延技术和退火处理实现了Si基Ge外延薄膜的外延生长和缺陷调控,获得了具有高空穴迁移率的Ge/Si虚拟衬底,为Si基Ge上制造性能更为优异的各种光电器件（如光电探测器,激光器,波导等）提供了可能。在Ge/Si虚拟衬底上外延的高质量Ga As薄膜为后续Si基III-V光子器件的集成提供了良好的平台。对于缺陷的调控以及机理的研究,尤其是界面上失配位错的调控,将为实现更多的大失配异质外延提供更为深刻的理解和强有力的帮助。
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