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。各种光电材料中，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 Ge、SiGe 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：

（1）Ge、SiGe 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 高 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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