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研究内容

 一、Ge/SiGe 基纳米结构的制备与性质研究  

     当代信息技术以光子作为信息载体,与常规的电信号相比具有两方面显著优势:一是光子之间相互作用弱,具有很好的并行处理能力;二是光子无荷电,静质量为零,因此光信号的传播不仅速度极快,而且能耗小,再加上光波频率高,其传输容量远远超过电子。中科院王启明院士曾撰文指出,以电子作为信息载体的微电子芯片互联功能受到了瓶颈效应的限制,其响应速度难以超越纳秒;而如果采用光互联技术,信息传输和处理的速率将会从纳秒进入皮秒阶段,提高三个量级。
 
 
  所谓光互联技术optical interconnects),正是试图将光子数据通信引入芯片之间及和芯片内部,通过改善芯片互联水平来提高其响应速度极限。完整的光互联系统包括激光光源、光波导、光调制/解调、光探测四个主要部分,其功能示意如图一 :


图一:光互联技术组成 (1) 激光光源、(2) 光波导、(3) 光调制/解调、(4) 光探测、(5) 低成本集成、(6) 智能化 (摘自 Intel 公司网页)

  光互联技术还必须与与现有硅技术才兼容,以降低产业化成本,实现应用。硅基光电子学(Si photonics)应运而生,发展迅速,成为实现光互联的核心技术。种光电材料中,锗(Ge)、锗硅(SiGe)以其与硅的完美匹配,是制备硅基光互联器件的首选。课题组以 GeSiGe 为研究对象,开展了材料生长、发光、探测等方面的深入研究,取得以下进展:

1GeSiGe 材料生长:利用超高真空化学汽相沉积系统,结合低温缓冲层技术、超晶格位错压制技术生长了高质量的 Ge-on-Si 材料,如图二所示,位错密度为 1×106 cm-2,表面粗糙度为 0.24 nm


图二:Ge-on-Si 材料生长

2)通过 Smart-cut 智能剥离技术获得高质量的绝缘层上锗 GeOI 衬底,并应用于波导型 Ge PIN 光电探测器的制备(图三)。


图三:(a) 波导型 Ge PIN 光电探测器版图;(b) 器件显微照片

3)通过外延 SiGe 局部氧化和 Ge 浓缩技术得到具有 0.67% 张应变水平的超薄 GeOI 薄膜,光致发光测试显示该样品的发光效率得到显著提升,并且发光峰向长波长移动(图四)。其制备工艺与硅工艺相兼容,对实现硅基锗发光有重要参考意义。


图四:(a) 超薄 GeOI 薄膜;(b) 张应变 GOI 的光致发光性质

   除了在集成光电器件中的应用,锗以其高迁移率特性也成为下一代集成电路高速场效应晶体管(MOSFET)器件的新型沟道材料。国际上美国斯坦福大学、比利时 IMEC、法国 LETI 等研究机构对 Ge MOSFET 器件进行了广泛研究。厦门大学硅基光电子材料与器件课题组围绕Ge MOSFET 器件的研制,对其中的一些关键问题,如镍锗化物(NiGe)制备、锗欧姆接触实现、HfO2 k 介质也进行了深入研究。课题组所制得的 Ge MOSFET 器件的迁移率达到了 332 cm2/Vs,比传统 Si 器件提高了一倍(图五)。

              
图五:Ge MOSFET 电学导通特性及迁移率特性

二、 下一代锂离子电池高容量硅基负极材料

三、Ge-Si单光子探测器

四、阻变存储器研究

                                                          

 

 


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