多周期SiGe/Si 异质纳米结构薄膜的制备研究*

2021-02-04周笔

科技创新与应用 2021年7期

周笔

（闽江学院物理与电子信息工程学院，福建福州 350108）

1 概述

电化学腐蚀方法制备的多孔硅可见光发射[1]使得硅基发光成为一种可能，为全硅基光电集成开辟了一条新途径，单层Si 基纳米结构具有较好的光学性质，但作为发光有源层来说，由于其厚度薄，纳米结构体密度小，尺寸分布不均匀，限制其发光方面的应用。为此，人们通过多种方法提高硅纳米层的厚度，其中以多层方式提高纳米结构的体密度最为常见，如通过Si/SiNx或a-Si/SiO2[2]等多层非晶薄膜后期退火再结晶形成多层Si 基纳米结构，比较单层纳米结构，这些材料发光效率得到较大提高，但由于多层结构中包含不导电的介质绝缘层，存在电注入难的缺点。

本文采用了两步实现多层纳米结构制备法，图1 是该制备法示意图。首先，在衬底上外延生长具有一维尺寸限制效应的SiGe/Si 量子阱，层厚可以精确控制，随后采用电化学方法进行纵向腐蚀而获得多层SiGe/Si 异质纳米线。这种方法可获得尺度可控，密度高的多层纳米结构，并且无介质绝缘层所引起的不良影响。

图1 多层纳米结构制备方法示意图

2 实验方法

2.1 SiGe/Si 量子阱薄膜制备

多周期异质单晶薄膜材料均在双生长室超高真空化学气相沉积系统（UHVCVD）完成的。基于前期优化的材料外延生长参数，在n-Si（100）（电阻率为0.1-1.2Ω·cm）衬底上，根据表1 工艺参数，外延了15 周期SiGe/Si 多量子阱结构样品。

表1 15 周期SiGe/Si 生长工艺参数

2.2 电化学阳极氧化腐蚀（ECA）

图2 电化学阳极腐蚀装置结构示意图

多量子阱薄膜样品随后采用图2 所示装置进行电化学阳极腐蚀实验，腐蚀溶液为HF 酸F（＞=40%）与乙醇按体积比1:2 的混合液，腐蚀电流密度为27mA/cm2，持续时间为900s。

多量子阱薄膜ECA 腐蚀后的结构特征与形貌通过采用英国Bede QC 200X 射线双晶衍射仪、荷兰菲利普公司生产的F30 TECNAI FETEM 型场发射透射电子显微镜和德国LEO 公司生产的LEO 1530 FESEM 型场发射分析型扫描电子显微镜等手段进行表征分析。

3 结果讨论

3.1 SiGe/Si 多量子阱

图3 15 周期SiGe/Si 多量子阱双晶XRD 摇摆曲线

图3 为多量子阱薄膜样品的双晶XRD 摇摆曲线及拟合曲线。图中0 弧秒位置谱峰为Si 衬底（400）面衍射峰。从图3 中清晰分辨出多量子阱衍射的-7 级谱峰信号；在衬底衍射峰右侧，出现了多量子阱的+3 级衍射峰，而且+1 和+2 级衍射峰信号很强。由此结果表明，样品中SiGe/Si 多量子阱的晶体结晶质量好，且外延层间异质界面陡峭。依据衍射理论对实验数据进行拟合可得到量子阱中SiGe 层的Ge 组分和厚度，其值分别为0.18 和6.1nm，Si 层的厚度约为37nm。结合表1 生长工艺参数可确定此Ge 组分SiGe 和Si 的生长速率分别约为0.3nm/s和0.13nm/s。图4 给出15 周期量子阱结构截面的TEM测试结果，从图中可以看到量子阱SiGe/Si 异质层界面清晰，15 周期SiGe/Si 量子阱各周期每层厚均匀，结果与XRD 理论拟合结论相吻合。

3.2 多周期SiGe/Si 纳米结构

图 5（a）为样品的 SEM 表面形貌图。方便比较，图（c，d，e）给出了单层 Si、SiGe 纳米结构的 SEM 表面形貌照片。从图中可以看出，多周期SiGe/Si 纳米结构样品的腐蚀表面形成了分布均匀的、独立的、岛状纳米颗粒，其密度可达～2×1011cm-2。从图5（b）尺寸分布柱状图中可以得到，纳米结构的平均尺寸分别为15.6±4.4nm，尺寸分布均匀性好。此外，从图5（a）中可以看出，样品表面呈现出腐蚀沟道纵横交错所形成的网状结构，沟道宽度分布比较均匀，出现一些较大孔洞，直径约为30nm。这种新奇的表面形貌与单层纳米结构表面形貌差别很大，单层纳米结构表面均为互相连结的、絮状的、海绵似的纳米结构（见图 5（c，d，e））[5-6]。

图4 15 周期量子阱结构的截面TEM 图（其中右图为局部放大）

图 5 多周期纳米结构样品的SEM 表面形貌和尺寸分布柱状图（a）和（b）样品；（c）单层 Si 纳米结构；（d）单层Si0.88Ge0.12 纳米结构；（e）单层 Si0.82Ge0.18 纳米结构

图6 多周期MQW 薄膜的生长后（a）和阳极腐蚀后（b）的SEM 截面形貌图

为了进一步了解量子阱薄膜材料阳极腐蚀前后的内部结构的改变，我们对量子阱薄膜样品阳极腐蚀前后的SEM 侧面形貌进行对比，如图6 所示。从图6（b）可以看出，腐蚀后的截面由高密度的腐蚀沟道构成，其方向平行于外延方向，沟道之间间隔均匀，而且多周期SiGe/Si 量子阱的整体结构并没有因腐蚀所破坏，除了产生腐蚀沟道外，其它部分完整且均匀。

基于上述SEM 表征分析表明，通过对量子阱阳极腐蚀，成果获得了高密度分布的、多周期的SiGe/Si 异质纳米线或纳米棒。另外值得注意的是，所获得的纳米结构具有规则的面分布特征与传统阳极腐蚀的多孔硅表明形貌比较，差异很大，导致差异原因很可能源于SiGe/Si 量子阱中SiGe 层与衬底间的间隔失配应变[7-8]。