納米半導(dǎo)體材料1

Ge納米結(jié)構(gòu)引言Ge納米結(jié)構(gòu)的形貌和結(jié)構(gòu)Ge納米結(jié)構(gòu)的光學(xué)性質(zhì)Ge納米線的電子結(jié)構(gòu)Ge納米結(jié)構(gòu)的電學(xué)性質(zhì)與器件引言Ge具有優(yōu)異的物理和化學(xué)性質(zhì)，與Si一起被稱為第一代半導(dǎo)體，廣泛的應(yīng)用于高速微電子器件和紅外探測(cè)器。由于鍺是間接帶隙半導(dǎo)體，且禁帶寬度小，限制了鍺在光學(xué)性質(zhì)方面的應(yīng)用。然而鍺的波爾半徑比硅大，所以具有更為顯著的量子尺寸效應(yīng)。當(dāng)Ge的尺寸減小至納米量級(jí)時(shí),可以改變Ge間接帶隙的能帶結(jié)構(gòu)，在光學(xué)和電學(xué)上表現(xiàn)出許多奇異的特性。量子尺寸效應(yīng)：當(dāng)粒子尺寸下降到某一值時(shí)，金屬費(fèi)米能級(jí)附近的電子能級(jí)由準(zhǔn)連續(xù)變?yōu)殡x散能級(jí)的現(xiàn)象和納米半導(dǎo)體微粒存在不連續(xù)的最高被占據(jù)分子軌道和最低未被占據(jù)的分子軌道能級(jí)，能隙變寬現(xiàn)象。

Ge納米線結(jié)構(gòu)的相貌和結(jié)構(gòu)Heath和Goues最早用溶劑加熱法制備出Ge納米線,現(xiàn)已經(jīng)用多種方法合成了Ge納米線。在大多數(shù)制備方法中，將Au納米顆粒作為催化劑，納米線通過汽-液-固(VLS)生長(zhǎng)機(jī)制進(jìn)行生長(zhǎng)。用Au納米晶作為種子顆粒在275℃下用GeH4的CVD方法制備出大量的單晶Ge納米線。圖3-1Ge納米線的SEM和HRTEM圖像：(a)在250℃下在SiO2/Si襯底上用CVD方法制備的Ge納米線的SEM圖像，插圖表示在CVD淀積以前記錄襯底上面的Au納米團(tuán)簇的AFM圖像；(b)單根Ge納米線的HRTEM圖像，插圖表示對(duì)應(yīng)的SAED圖案圖3-2(a)是Ge納米線覆蓋的類五角薄膜襯底的低放大倍率SEM圖像，插圖表示在Ge納米線生長(zhǎng)之前在襯底表面上形成的Au納米顆粒的SEM圖像。很顯然，Ge納米線不僅由上表面生長(zhǎng)出來，而且從所有的側(cè)面生長(zhǎng)出來。圖3-2(b)是表示大量的高純度直的Ge納米線高放大倍率SEM圖像。與在溶膠-凝膠法制備的Fe/SiO2襯底上排列的C納米管的生長(zhǎng)行為類似[9]，生長(zhǎng)在Au/SiO2襯底上的Ge納米線趨向于垂直于襯底方向生長(zhǎng)(圖3-2(c))在某些情況下，能夠得到準(zhǔn)排列納米線陣列(圖3-2(d))每條納米線的頂端都有一個(gè)直徑與連接的納米線相當(dāng)?shù)腁u納米顆粒(圖3-2(d)中的插圖),這是VLS生長(zhǎng)機(jī)制的典型特征。Pana等人用TEM進(jìn)一步確定Ge納米線的均勻性[8]。圖3-3(a)是生長(zhǎng)60min后Ge納米線的低放大倍率TEM圖像，表示納米線是直且均勻的[8]。納米線的均勻性不僅表現(xiàn)在窄的直徑分布(50-80nm)上，而且表現(xiàn)在沿整個(gè)納米線長(zhǎng)方向均勻的尺度上。納米線結(jié)構(gòu)的均勻性由HRTEM表征。圖3-3(b)是直徑為~40nm的Ge納米線的HRTEM圖像，該圖象顯示一個(gè)Ge單晶核及其與非晶殼明顯的原子界面。

由圖3-3(b)中的底部插圖測(cè)量出對(duì)應(yīng)的晶面間距為0.33nm，接近于金剛石結(jié)構(gòu)的Ge(111)對(duì)應(yīng)的晶面間距0.324nm。表明Ge納米線的生長(zhǎng)方向?yàn)閇111]方向，結(jié)構(gòu)為立方晶系金剛石結(jié)構(gòu)。在Au納米顆粒上合成Ge納米線,其直徑依賴于所用催化劑納米顆粒的直徑，直徑和長(zhǎng)度比較均勻,但是取向不一致,無法實(shí)現(xiàn)陣列化。要實(shí)現(xiàn)Ge納米線的直徑和長(zhǎng)度可控及排列有序化,氧化鋁模板法是一種可行的方法。因?yàn)檠趸X模板的孔洞為六角柱形垂直于膜面呈有序平行排列,孔徑可在5～200nm范圍內(nèi)調(diào)節(jié),深度也可通過改變陽(yáng)極氧化時(shí)間來調(diào)節(jié)。Zhang等人通過激光燒蝕Ge和GeO2的混合物制備出包含一個(gè)Ge單晶核和一個(gè)非晶GeO2殼的Ge納米線。用該方法制備的Ge納米線的TEM圖像表示在圖3-5?？梢钥吹剑瑯悠肥怯砷L(zhǎng)度為數(shù)十μm的Ge線組成的，大部分Ge線是平滑彎曲的，具有一些短的直線部分，而某些Ge線具有彎和結(jié)。每一根納米線各部分的直徑近似相同。測(cè)量到的最小直徑為~12nm，Ge晶核的直徑為~6nm。在溫度相對(duì)低的地方發(fā)現(xiàn)直徑~190nm的Ge納米線。用SAED表征了平滑而規(guī)則的Ge納米線(圖3-5中的插圖)。大部分SAED圖案顯示由相當(dāng)明顯的斑點(diǎn)組成的不連續(xù)圓環(huán)。這表明納米線是相當(dāng)好的Ge單晶。Omi等人在高指數(shù)Si(113)晶面上用分子束外延(MBE)生長(zhǎng)出自組裝Ge納米線[20]。實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)Ge覆蓋到5-8分子層(ML)和生長(zhǎng)溫度為400-500°C時(shí)，在Si(113)晶面上形成線狀Ge島。Ge島的各向異性弛豫起因于Si(113)襯底的剛性各向異性，從而導(dǎo)致Ge島沿垂直于襯底表面軟方向延長(zhǎng)。圖3-6(a)是在400°C下在Si(113)襯底上淀積6.4ML的Ge形成的線狀島的AFM圖像，明亮區(qū)域是Ge島。納米尺寸的線狀Ge島沿[33]方向連續(xù)覆蓋整個(gè)表面。Zhu等人在700℃下用MBE在高指數(shù)Si(113)襯底上襯底上生長(zhǎng)出Ge島[23]。AFM研究揭示Ge島具有類巖石臺(tái)地形狀。最初形成的Ge島由于各向異性剪切應(yīng)力的作用趨向沿[33]方向延長(zhǎng)。隨著Ge覆蓋量的增加，Ge島趨向特殊側(cè)面方向生長(zhǎng)，形成V-形Ge團(tuán)簇。Capellini等人研究了用低壓化學(xué)氣相沉積(LPCVD)技術(shù)在低指數(shù)Si(100)上的生長(zhǎng)的自組織Ge島[24]。當(dāng)增加Ge島的基底寬度時(shí)發(fā)現(xiàn)兩種形貌轉(zhuǎn)變:在基底寬度~50-60nm的情況下出現(xiàn)第一種轉(zhuǎn)變，由幾個(gè)ML厚的平臺(tái)演變成四方基底金字塔島；當(dāng)基底寬度超過~300nm時(shí)出現(xiàn)第二種轉(zhuǎn)變，Ge島的形狀由四方基底金字塔島轉(zhuǎn)變成切去頂端的四方基底金字塔島。兩種轉(zhuǎn)變由系統(tǒng)的彈性能減至最小引起的。圖3-8表示在Tdep=600°C和Pdep=1mTorr下四種不同淀積時(shí)間樣品的AFM形貌[24]。由圖3-8(a)可以看到，0.5min的淀積時(shí)間足以在浸潤(rùn)層上面生長(zhǎng)大量由窄尺寸分布表征的小島，較長(zhǎng)的淀積時(shí)間(圖3-8(b)-(d))引起Ge島平均尺寸的增大。

TEM圖像清楚地表明，較高層上面的島生長(zhǎng)在較低層島的頂端，導(dǎo)致各島間高度的垂直相互性，即多層量子點(diǎn)的縱向“自對(duì)準(zhǔn)”。在每層中選擇淀積的Ge量等于對(duì)第一層確定的臨界厚度(可將臨界厚度視為出現(xiàn)由二維到三維轉(zhuǎn)變的厚度)。如圖3-13所示，Ge量子點(diǎn)的尺寸為雙模尺寸分布,不同的尺寸對(duì)應(yīng)于不同形狀的量子點(diǎn),較大的尺寸對(duì)應(yīng)圓形量子點(diǎn),較小的尺寸對(duì)應(yīng)金字塔形量子點(diǎn)。隨著量子點(diǎn)層數(shù)的增加,上層量子點(diǎn)的總密度減小,同時(shí),小尺寸金字塔形量子點(diǎn)所占比例也減小。這是由于隨著層數(shù)的增加,Si隔離層中積累的應(yīng)變?cè)龃?導(dǎo)致上層量子點(diǎn)的在較小的浸潤(rùn)層厚度時(shí)就形成三維島釋放應(yīng)變能。研究也證明，要保證多層量子點(diǎn)的縱向“自對(duì)準(zhǔn)”,Si隔離層的厚度必須小于某一臨界值(48nm)，即生長(zhǎng)的Si隔離層厚度應(yīng)小于48nm才能得到縱向“自對(duì)準(zhǔn)”的多層量子點(diǎn)。Ge納米結(jié)構(gòu)的XRD譜

在有序介觀多孔材料的介觀孔內(nèi)用超臨界流動(dòng)溶液相法制備的Ge納米線的XRD譜表示在圖3-14中[15]。對(duì)納米線的XRD分析揭示了Ge納米晶的存在。為方便起見，減去背景的碳(石墨)和GeO2(t-石英結(jié)構(gòu))的主要反射剖也表示在圖3-14中[15]。在圖3-14中27.08°、45.13°、53.49°和68.23°(2θ)對(duì)應(yīng)體Ge金剛石結(jié)構(gòu)的(111)、(220)、(311)和(400)晶面,這些晶面的面間距分別為3.2822、2.009、1.7113和1.4214?，表明已經(jīng)生成金剛石結(jié)構(gòu)的Ge納米晶。除金剛石結(jié)構(gòu)的Ge外，特別是在(111)主衍射峰的低角邊也分辨出弱衍射峰，分別對(duì)應(yīng)面間距為3.477?和3.386?的衍射峰位置。這些的衍射峰可以確定GeO2（t-石英結(jié)構(gòu)，d=3.430?）[35a]和石墨(d=3.376?)[35b]的存在。圖3-15表示Ti誘導(dǎo)Ge納米圓錐體的XRD圖案[22]。如圖3-15所示，在32.2°和39.0°處有兩個(gè)明顯的分別對(duì)應(yīng)金剛石結(jié)構(gòu)Ge(200)和Ti6Ge5(710)晶面的衍射峰,表明形成了納米Ge單晶。

圖3-16是用氧化鋁模板制備的Ge納米線的XRD譜[14]。曲線(a)是背面噴金的氧化鋁模板的XRD譜,出現(xiàn)的兩個(gè)峰是Au(111)和Au(200)的峰,20°～40°間的彌散峰是氧化鋁模板的衍射峰,這個(gè)饅頭峰說明氧化鋁模板本身是一種微晶結(jié)構(gòu)。曲線(b)是生長(zhǎng)了Ge納米線后的氧化鋁模板的XRD譜,它的彌散峰與曲線(a)中的類似,也是氧化鋁模板本身的峰。圖3-17是兩種不同尺寸Ge量子點(diǎn)的XRD譜[36]。上部是直徑為~200?的量子點(diǎn)的XRD譜，下部則是尺寸在55-80?范圍內(nèi)的量子點(diǎn)的XRD譜，下部XRD譜中的額外峰起因于GeO2的存在[37]。可以看到，下部衍射峰比上部衍射峰寬。由觀察到的XRD譜的衍射峰寬度可以確定量子點(diǎn)尺寸和晶化度。洛倫茲函數(shù)(Lorentzian)對(duì)直徑200?和100?量子點(diǎn)的擬合表明相干長(zhǎng)度分別為200?和120?。Ge納米結(jié)構(gòu)的光學(xué)特性

Raman譜是研究納米材料聲子限制效應(yīng)的有效工具[39]。在納米晶中已經(jīng)觀察到帶的峰位移動(dòng)、展寬和不對(duì)稱[40]。圖3-18給出了兩種不同標(biāo)稱直徑((b)36–83nm和(c)12–28nm)的Ge納米線和單晶Ge的室溫Raman譜[19]。由圖3-18可以看到，單晶Ge在298.5cm-1的一級(jí)Raman峰是對(duì)稱的，半高寬(FWHM)為7cm-1(圖3-18(a))。直徑為36–83nm(Ge晶核直徑~20–51nm)的Ge納米線的Raman譜表明，位于298.5cm-1的Raman峰輕微展寬(半高寬為10cm-1)，且不對(duì)稱(圖3-18(b))。圖3-18(c)是直徑為12–28nm(Ge晶核直徑~6–17nm)的Ge納米線的典型Raman譜。位于293cm-1的Raman峰不對(duì)稱，半高寬為21cm-1，在低頻端有一個(gè)尾部。因?yàn)闆]有探測(cè)到Ge晶核中應(yīng)力誘導(dǎo)的晶格參數(shù)變化，Raman峰的形狀主要?dú)w因于Ge納米線中光學(xué)聲子的量子限制。散射單晶納米線的低維度導(dǎo)致一級(jí)Raman線通過放寬q=0選擇定則下移和展寬。由于納米線是長(zhǎng)而薄的晶體，存在一個(gè)沿軸方向的動(dòng)量q=0。因此，區(qū)域中心的聲子為出現(xiàn)在298.5cm-1處的Raman散射創(chuàng)造了條件。然而，在垂直于納米線的軸方向上，晶體的尺寸小，相應(yīng)的動(dòng)量為。因此，包括Ge的縱光學(xué)聲子和橫光學(xué)聲子(LO和TO)在內(nèi)的非零q聲子的彌散能夠參與Raman散射，并導(dǎo)致Raman峰的展寬和向低頻邊延長(zhǎng)。Raman散射對(duì)微晶材料的晶格微結(jié)構(gòu)和晶體對(duì)稱性是很靈敏的。當(dāng)Ge納米線的晶核直徑小時(shí)，Raman峰的寬度增大，更不對(duì)稱，在低頻邊有一個(gè)延長(zhǎng)的尾巴。Zhu等人研究了在Si(113)晶面上生長(zhǎng)的Ge島的Raman譜[23]。圖3-20表示用激光斑點(diǎn)聚焦在4.6個(gè)Ge單層(ML)樣品的一個(gè)表面Ge島上(上面的曲線)和浸潤(rùn)層上(下面的曲線)的Raman譜。為精確地探測(cè)包含區(qū)域Ge的Raman散射，已經(jīng)將純Si的Raman譜減去。在Ge浸潤(rùn)層上沒有探測(cè)到與Ge有關(guān)的Raman信號(hào)。另一方面，Ge島在295cm-1附近出現(xiàn)一個(gè)強(qiáng)Ge-Ge模，在410cm-1處出現(xiàn)一個(gè)強(qiáng)Si-Ge模，約在485cm-1處出現(xiàn)一個(gè)強(qiáng)Si-Si模(圖3-20上面的曲線)。這充分證明，Ge島是由Si1-xGex合金而不是純Ge構(gòu)成的。由此可見，相當(dāng)可觀的Si材料在高溫下已經(jīng)擴(kuò)散進(jìn)入到Ge島內(nèi)部。一個(gè)自組裝Ge量子點(diǎn)超晶格樣品的典型Raman譜顯示在圖3-21,光學(xué)聲子和聲學(xué)聲子譜分別出現(xiàn)在高頻波數(shù)和低頻波數(shù)范圍[32]。在光學(xué)聲子范圍內(nèi),可以清楚地看到分別與Ge-Ge、Si-Ge、Si-SiLOC和Si-Si振動(dòng)模相關(guān)的位于299、417、436和520cm-1的峰。Si-Ge和Si-SiLOC峰的出現(xiàn)表明在Ge浸潤(rùn)層和Si間隔層處已形成了Si1-xGex合金。

對(duì)與Ge量子點(diǎn)參數(shù)相關(guān)的Ge-Ge峰進(jìn)一步研究結(jié)果表明，隨著Ge量子點(diǎn)的增大,Ge-Ge峰的漂移量隨之增大。理論上該峰位置的漂移變化量主要取決于兩個(gè)因素:一是由于Ge/Si間晶格失配所引起的壓應(yīng)變效應(yīng),導(dǎo)致Ge-Ge峰藍(lán)移;二是低維系統(tǒng)的聲子限制效應(yīng),導(dǎo)致光學(xué)聲子峰紅移。從圖3-22可以看到,低頻Raman峰的強(qiáng)度隨著Ge量子點(diǎn)的周期數(shù)增加而增強(qiáng)。根據(jù)樣品的生長(zhǎng)模式,Ge量子點(diǎn)是垂直“自對(duì)準(zhǔn)”有序分布,相互間存在著耦合。對(duì)于僅有2個(gè)周期的樣品E,其Raman峰很弱，在5個(gè)周期的樣品F上僅觀測(cè)到一個(gè)Raman峰。對(duì)于更多周期的樣品G、H和I,可清楚地觀測(cè)到3個(gè)Raman峰。Ge納米結(jié)構(gòu)的FTIR譜采用量子尺寸的多孔硅作為襯底,利用區(qū)域優(yōu)先成核在多孔硅表面上成功地生長(zhǎng)了Ge量子點(diǎn)，圖3-23是該樣品的室溫傅里葉轉(zhuǎn)換紅外(FTIR)譜。在1733cm-1(215meV)處有一明顯的共振峰,可認(rèn)為該吸收峰源于Ge量子點(diǎn)中前兩個(gè)重空穴能級(jí)之間的躍遷?？捎孟旅娴墓接?jì)算量子點(diǎn)中的允許能級(jí)其中是電子(空穴)的有效質(zhì)量(Ge的兩個(gè)重空穴分別為0.32m0和0.077m0);h為普朗克常數(shù);LX、LY為基區(qū)尺寸;LZ為高度。該樣品的基區(qū)寬度遠(yuǎn)大于高度,因此前兩項(xiàng)可省略.由計(jì)算到得前兩個(gè)重空穴能級(jí)分別為67meV和277meV。由此得到兩個(gè)重空穴之間的躍遷能量為210meV,與實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果非常接近(215meV)。Ge納米結(jié)構(gòu)的PL特性

圖3-24表示在Si(113)上覆蓋2.1到9.9個(gè)Ge單層(ML)的不同樣品在8K下的PL譜[23]。除起源于Si襯底在1097meV附近的發(fā)光峰外，每一層都顯示被58meV隔開的兩個(gè)發(fā)光峰。這兩個(gè)發(fā)光峰歸因于Si中Ge浸潤(rùn)層的激子直接發(fā)光(NP發(fā)光)和橫光學(xué)聲子輔助發(fā)光(TO發(fā)光)。在低于TO峰約62meV處也觀測(cè)到一個(gè)弱發(fā)光峰，它歸因于Ge浸潤(rùn)層的所謂發(fā)光峰。圖3-24中的插圖表示NP能量隨Ge覆蓋ML數(shù)的變化，與Si(001)上的Ge浸潤(rùn)層的NP能量隨覆蓋ML數(shù)的變化規(guī)律十分相似。與較低Ge覆蓋層情況下近似的線性關(guān)系相比(在插圖中的點(diǎn)線)，對(duì)于4.6ML的樣品觀測(cè)到NP能量有一個(gè)顯著的藍(lán)移，與Ge島開始形成相對(duì)應(yīng)。對(duì)于較厚的Ge層，PL峰能量稍有增大，近似保持不變。這表明在Ge島上過剩Ge材料都已凝聚，Ge浸潤(rùn)層保持一固定厚度。這證明在Si(113)上存在Ge的強(qiáng)表面擴(kuò)散，導(dǎo)致大的Ge島分離。AFM測(cè)量表明，Ge島和Ge團(tuán)簇在其邊緣有空洞結(jié)構(gòu)，這種空洞結(jié)構(gòu)能夠產(chǎn)生阻止Ge浸潤(rùn)層中產(chǎn)生的激子在輻射復(fù)合前擴(kuò)散進(jìn)入Ge島內(nèi)的局部勢(shì)壘。因此，可以預(yù)見來自大面積無缺陷均勻Ge浸潤(rùn)層的強(qiáng)的PL信號(hào)。另一方面，幾乎沒有觀測(cè)到與Ge島有關(guān)的PL信號(hào)，這可能部分起因于Ge島密度低，也可能意味著在大Ge島中已經(jīng)形成了相當(dāng)多的非輻射復(fù)合中心。已經(jīng)用514nm的氬離子激光器作激發(fā)源在4K下測(cè)量了在Si(113)上自組裝生長(zhǎng)的Ge納米線的PL譜，圖3-25給出生長(zhǎng)在Si(113)上的逐漸增加Ge覆蓋單層的系列樣品的低溫PL譜。這些樣品顯示強(qiáng)的近帶邊發(fā)光，特別是3和4ML的樣品顯示NP發(fā)光和TO發(fā)光，看上去與在較高溫度下在Si(100)和Si(113)上生長(zhǎng)的Ge浸潤(rùn)層的PL譜類似，但有一個(gè)近60meV的紅移，Halsall等人將其歸因于在低溫下生長(zhǎng)的諸單層中存在較高的Ge含量。當(dāng)Ge覆蓋達(dá)到5ML時(shí)，PL譜發(fā)生變化，出現(xiàn)一個(gè)中心位于0.81eV的寬發(fā)光帶?？梢钥吹?，在0.9eV出現(xiàn)一個(gè)肩峰，其強(qiáng)度對(duì)樣品溫度和激光激發(fā)功率的依賴關(guān)系與2ML的較低Ge覆蓋樣品的NP發(fā)光相同，因此可將其解釋為一個(gè)Ge浸潤(rùn)層的NP發(fā)光帶(TO發(fā)光帶被0.81eV處的發(fā)光帶掩蓋)。頂部的PL譜是僅由一個(gè)Ge層組成的參考樣品的PL譜。除通常起源于Si襯底和外延層的Si的TO發(fā)光和Si的TA發(fā)光外，并探測(cè)到來自Ge浸潤(rùn)層的分別位于1.039和0.983eV的NP發(fā)光和TO發(fā)光。最初Ge浸潤(rùn)層的NP發(fā)光峰用表示。在0.82eV附近的一個(gè)寬峰來源于Ge島,它由標(biāo)為和的兩個(gè)寬峰組成，可將兩個(gè)峰歸因于Ge島內(nèi)或邊沿上載流子復(fù)合的NP發(fā)光和TO發(fā)光。在疊層情況下，ts=15nm的系列樣品的PL譜逐漸發(fā)生變化。對(duì)Ge/Si雙層的堆疊可以精確地再現(xiàn)來自單Ge層與浸潤(rùn)層的有關(guān)PL峰，證明了較低能量的發(fā)光。峰來自初始浸潤(rùn)層，移向高能量的發(fā)光峰來自第二浸潤(rùn)層。Ge納米線的電子結(jié)構(gòu)

Kholod等人[60]用第一原理計(jì)算法計(jì)算了Ge納米線的電子結(jié)構(gòu)，分析了空間方位對(duì)Ge納米線電子能帶結(jié)構(gòu)的影響。圖3-28表示(100)、(110)、(111)取向和有效寬度不同的Ge納米線的電子能帶結(jié)構(gòu)。由圖3-28可以看到，對(duì)于(110)取向的Ge納米線出現(xiàn)量子限制效應(yīng)誘導(dǎo)的直接帶隙，而(100)和(111)取向的Ge納米線則為間接帶隙。基本帶隙對(duì)Ge納米線的有效尺寸的依賴關(guān)系表明，帶隙隨著Ge納米線寬度的增加單調(diào)地降低，反映出量子限制效應(yīng)。對(duì)于窄的Ge納米線，二維量子尺寸效應(yīng)可以導(dǎo)致遠(yuǎn)高于體Ge帶隙的光發(fā)射。在所研究的納米線寬度范圍內(nèi)，對(duì)于給定的納米線寬度不同納米線取向的帶隙總是具有如下次序：Eg(110)<Eg(111)<Eg(100)?；編斗较虻母飨虍愋噪S著Ge納米線寬度的增加而降低。對(duì)于大的Ge納米線，基本帶隙方向的各向異性消失，帶隙接近體Ge材料的帶隙。Harris等人用sp3d5s*緊束縛模型(TightBindingModel)計(jì)算了Ge納米線(100)、(110)和(111)取向的能帶結(jié)構(gòu)。圖3-29表示沿Ge納米線三個(gè)方向在布里淵區(qū)中心的帶隙隨線寬度的變化?？梢钥吹剑瑤峨S線寬度的減小而增大。在Ge布里淵區(qū)中心的帶隙大小的次序?yàn)镋g(110)<Eg(111)<Eg(100)。當(dāng)Ge納米線的寬度增加(至少達(dá)到6nm)時(shí)，Ge(100)和Ge(110)之間的帶隙差幾乎保持不變。隨著線寬度的增加，取向不同的Ge納米線會(huì)聚到不同的帶隙：(110)取向的Ge納米線會(huì)聚到帶隙，而(100)和(111)取向的Ge納米線會(huì)聚到帶隙。圖3-30表示沿(100)、(110)和(111)取向的寬度D~2nm的Ge納米線的能帶結(jié)構(gòu)?？梢钥吹?，只有(110)取向的Ge納米線為直接帶隙。Ge納米結(jié)構(gòu)的電學(xué)特性與器件

直徑為120nm的Ge納米線與溫度有關(guān)的I-V特性表示在圖3-31(a)中,兩端Ge納米線器件的AFM圖象表示在圖-31(b)中。在溫度高于100K的情況下，發(fā)現(xiàn)電流與電壓的線性關(guān)系，表明Ge納米線和Au電極為歐姆接觸。Ge納米線被1-2nm厚的GeO2覆蓋著。包括接觸電阻在內(nèi)的室溫電阻率在1.410-2到30cm范圍內(nèi)，相應(yīng)的雜質(zhì)濃度至少為1016cm-3。沒有發(fā)現(xiàn)整流特性，表明Ge納米線是重?fù)诫s的。中科院半導(dǎo)體研究所半導(dǎo)體超晶格國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

半導(dǎo)體超晶格國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(TheStateKeyLaboratoryforSuperlatticesandMicrostructures)于1988年3月由國(guó)家計(jì)委組織專家論證并批準(zhǔn)后開始籌建，1990年開始對(duì)外開放，1991年11月通過了由國(guó)家計(jì)委組織的驗(yàn)收委員會(huì)驗(yàn)收?，F(xiàn)任實(shí)驗(yàn)室主任為李樹深研究員。實(shí)驗(yàn)室學(xué)術(shù)委員會(huì)主任為鄭厚植院士。

實(shí)驗(yàn)室目前共有26名成員，其中包括兩位中國(guó)科學(xué)院院士—鄭厚植和夏建白，15位研究員、3位副研究員，以及6位助理研究員、技術(shù)支撐和行政管理人員。先后有7人獲得國(guó)家杰出青年基金、10人獲得中國(guó)科學(xué)院百人計(jì)劃支持。實(shí)驗(yàn)室以半導(dǎo)體低維量子功能結(jié)構(gòu)的物理研究為基礎(chǔ)，以發(fā)現(xiàn)、研究低維量子體系中的新現(xiàn)象和新效應(yīng)為主要目標(biāo)，探索半導(dǎo)體低維量子功能結(jié)構(gòu)在固態(tài)電子、光電子、光子器件和量子信息技術(shù)中的潛在應(yīng)用，力圖從最基礎(chǔ)的層面上提升我國(guó)電子、光電子、光子信息技術(shù)的創(chuàng)新能力，為我國(guó)半導(dǎo)體科學(xué)技術(shù)的跨躍式發(fā)展做出重要貢獻(xiàn)。

在過去的二十多年間，實(shí)驗(yàn)室承擔(dān)了30多個(gè)科技部、基金委和科學(xué)院的重大和重點(diǎn)項(xiàng)目，取得了可喜的科研成果。黃昆先生獲得2001年度國(guó)家最高科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)。2000年至今獲得國(guó)家自然科學(xué)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)二項(xiàng)。2004年半導(dǎo)體超晶格國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室被授予國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室計(jì)劃先進(jìn)集體稱號(hào)。實(shí)驗(yàn)室具有良好的科研氛圍、科研設(shè)備和環(huán)境條件，擁有雄厚的科研積累和奮發(fā)向上的科研團(tuán)隊(duì)，并于2006年獲得國(guó)家自然基金委員會(huì)的創(chuàng)新研究群體科學(xué)基金。目前承擔(dān)了包括科技部重大基礎(chǔ)研究計(jì)劃、863項(xiàng)目等在內(nèi)的多項(xiàng)國(guó)家和科學(xué)院的重要科研項(xiàng)目。

生長(zhǎng)稀磁半導(dǎo)體分子束外延系統(tǒng)分子束外延光譜測(cè)試系統(tǒng)拉曼光譜系統(tǒng)鄭厚植

院士（1995）研究員博士生導(dǎo)師,自1979年以來長(zhǎng)期從事半導(dǎo)體低維量子結(jié)構(gòu)物理及新器件探索，目前主要研究方向包括：

○低維量子結(jié)構(gòu)物理和納米量子器件

○半導(dǎo)體自旋電子學(xué)和自旋量子器件

○半導(dǎo)體中的量子相干過程、波函數(shù)工程和量子相干器件

所在的半導(dǎo)體超晶格國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室具備先進(jìn)而齊全的超薄半導(dǎo)體材料生長(zhǎng)，光學(xué)／電學(xué)測(cè)試手段。包括：4臺(tái)分子束外延系統(tǒng)（MBE）（1新、3舊）；各種穩(wěn)態(tài)、時(shí)間分辨和非線性光譜系統(tǒng)（飛秒瞬態(tài)激光光譜，拉曼光譜，付里葉光譜，PL、PLE光譜，磁光和時(shí)間分辨法拉第旋轉(zhuǎn)光譜）；低溫強(qiáng)磁場(chǎng)系統(tǒng)和各種電學(xué)測(cè)試手段。研究所新建的“半導(dǎo)體集成技術(shù)中心”可以提供先進(jìn)而配套的納米加工手段。

他在半導(dǎo)體低維量子結(jié)構(gòu)領(lǐng)域內(nèi)作出了系統(tǒng)而重要的成果。他最早報(bào)道了量子霍耳效應(yīng)的尺寸效應(yīng)；他與英國(guó)學(xué)者同時(shí)獨(dú)立地在國(guó)際上最早提出了分裂柵控技術(shù)，并用它實(shí)現(xiàn)了具有高遷移率的一維異質(zhì)結(jié)量子線；首次報(bào)道了局域化由二維至一維的維度變換行為；首次從實(shí)驗(yàn)上證實(shí)了相位損失時(shí)間與電導(dǎo)的重要理論關(guān)系；提出了空穴反常磁阻效應(yīng)新理論；報(bào)道了二維至二維共振隧穿模式的特異性；發(fā)展了測(cè)量量子霍耳區(qū)電子擴(kuò)散系數(shù)、量子阱中電子隧穿逃逸時(shí)間和利用雙勢(shì)壘結(jié)構(gòu)磁電容譜測(cè)量朗道態(tài)密度的新原理、新方法；研制了可調(diào)諧量子點(diǎn)微腔探測(cè)器、光存儲(chǔ)探測(cè)器等新器件。曾獲1994、1995年度中國(guó)科學(xué)院自然科學(xué)一等獎(jiǎng)、二等獎(jiǎng)。完成／在研主要項(xiàng)目：國(guó)家攀登計(jì)劃重大項(xiàng)目“半導(dǎo)體超晶格物理及材料、器件探索”（1991－1995）首席專家。國(guó)家攀登計(jì)劃重大項(xiàng)目“半導(dǎo)體超晶格、低維量子結(jié)構(gòu)物理、材料和器件探索”（1996－2000）首席專家。國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目“半導(dǎo)體／非半導(dǎo)體低維結(jié)構(gòu)物理及其應(yīng)用”（1998－2001）首席專家。中科院重要方向項(xiàng)目“量子結(jié)構(gòu)、量子器件的基礎(chǔ)研究”（2001.10－2006.10）首席專家?！?73”項(xiàng)目“IT前沿中的固態(tài)量子結(jié)構(gòu)、量子器件及其集成技術(shù)”（2002－2006）首席專家。代表性論著H.Z.Zheng,K.K.ChoiandD.C.Tsui,“ObservationofsizeeffectinthequantumHallregime”,Phys.Rev.Lett.55,1144,(1985)H.Z.Zheng,H.P.WeiandD.C.Tsui,“Gate-controlledtransportinnarrowGaAs/AlxGa1-xAsheterostructures”,Phys.Rev.B34,5635(1986)H.Z.Zheng,H.P.Zhou,“Influencesofparticle-holeHartreeinteractiononmagnetoresistancesindisorderedtwo-dimensionalholesystems”,Phys.Rev.B39,3817(1989)H.Z.Zheng,F.H.YangandZ.G.Chen,“Nonresonantmagneto-tunnelinginasymmetricGaAs/AlAsdoublebarrierstructures”,Phys.Rev.B42,5270(1990)H.Z.Zheng,A.M.Song,F.H.YangandY.X.Li,“DensityofstatesofTwo-DimensionalElectronGasStudiedbyMagnetocapacitanceofBiasedDoubleBarrierStructures”,Phys.Rev.B49,1802(1994)Nature

433,725-728(17February2005)|

doi:10.1038/nature03346;Received29December2004;Accepted10January2005Acontinuous-waveRamansiliconlaserHaishengRong1,RichardJones1,AnshengLiu1,OdedCohen2,DaniHak2,AlexanderFang1

&MarioPaniccia1IntelCorporation,2200MissionCollegeBlvd,CHP3-109,SantaClara,California95054,USAIntelCorporation,SBIParkHarHotzvim,Jerusalem,91031,IsraelCorrespondenceto:HaishengRong1

CorrespondenceandrequestsformaterialsshouldbeaddressedtoH.R.(Email:

haisheng.rong@).Acontinuous-waveRamansiliconlaserAchievingopticalgainand/orlasinginsiliconhasbeenoneofthemostchallenginggoalsinsilicon-basedphotonics1,

2,

3

becausebulksiliconisanindirectbandgapsemiconductorandthereforehasaverylowlightemissionefficiency.Recently,stimulatedRamanscatteringhasbeenusedtodemonstratelightamplificationandlasinginsilicon4,

5,6,

7,

8,

9.However,becauseofthenonlinearopticallossassociatedwithtwo-photonabsorption(TPA)-inducedfreecarrierabsorption(FCA)10,11,

12,untilnowlasinghasbeenlimitedtopulsedoperation8,

9.Herewedemonstrateacontinuous-wavesiliconRamanlaser.Specifically,weshowthatTPA-inducedFCAinsiliconcanbesignificantlyreducedbyintroducingareverse-biasedp-i-ndiodeembeddedinasiliconwaveguide.Thelasercavityisformedbycoatingthefacetsofthesiliconwaveguidewithmultilayerdielectricfilms.Wehavedemonstratedstablesinglemodelaseroutputwithside-modesuppressionofover55

dBandlinewidthoflessthan80

MHz.Thelasingthresholddependsonthep-i-nreversebiasvoltageandthelaserwavelengthcanbetunedbyadjustingthewavelengthofthepumplaser.Thedemonstrationofacontinuous-wavesiliconlaserrepresentsasignificantmilestoneforsilicon-basedoptoelectronicdevices.

Thecontinuous-wave(c.w.)siliconRamanlaserisconstructedfromalow-losssilicon-on-insulator(SOI)ribwaveguidewhosefacetsarecoatedwithmultilayerdielectricfilms.Thefrontfacetcoatingisdichroic,havingareflectivity(R

f)of

71%fortheRaman/Stokeswavelengthof1,686

nmand

24%forthepumpwavelengthof1,550

nm.Thebackfacethasabroadbandhigh-reflectivitycoating(R

b)of

90%forbothpumpandRamanwavelengths(Fig.1a).ThesewaveguidefacetreflectivitiesweredeterminedusingaFabry–Pérotresonancetechnique2.Thesiliconribwaveguideisfabricatedonthe(100)surfaceofanundopedSOIsubstrateusingstandardphotolithographicpatterningandreactiveionetchingtechniques.Wedesignedthewaveguidedimensionswiththegoalofobtainingasmallcross-sectionforminimizingtherequiredopticalpowertoachievethelasingthreshold,butnotsosmallastocausehightransmissionloss.Across-sectionscanningelectronmicroscopeimageofatypicalp-i-nwaveguideisshownin

Fig.1b.Theribwaveguidedimensionsare:ribwidth(W)

1.5

m;height(H)

1.55

m;andetchdepth(h)

0.7

m.Theeffectivecorearea13ofthewaveguideiscalculatedtobe

1.6

m2.ThewaveguidewasformedinanS-shapedcurvewithatotallengthof4.8

cmandabendradiusof400

m(Fig.1a).Thestraightsectionsofthewaveguideareorientedalongthe[011]crystallographicdirection.Ap-i-ndiodestructurewasdesignedtoreducethenonlinearopticallossduetotheTPA-inducedFCA.Thep-i-nstructurewasformedbyimplantingboronandphosphorusintheslaboneithersideoftheribwaveguide(Fig.1a,

b)withadopingconcentrationof

1

1020

cm-3.Theseparationbetweenthep-andn-dopedregionswasdesignedtobe

6

m.Ohmiccontactswereformedbydepositingaluminiumfilmsonthesurfaceofthep-andn-dopedregions.ThiswasfollowedbyaSiO2

passivationlayerdeposition.Thedopedregionsandthemetalcontactsatthedesignedseparationhadnegligibleeffectonthepropagationlossofthewaveguidebecausetheopticalmodeistightlyconfinedinthewaveguide.Thiswasverifiedexperimentally.ThelinearopticaltransmissionlossoftheS-bendwaveguidewasmeasuredtobe0.35

dB

cm-1usingtheFabry–Pérotresonancetechnique2.Whenareversebiasvoltageisappliedtothep-i-ndiode,theTPA-generatedelectron–holepairscanbesweptoutofthesiliconwaveguidebytheelectricfieldbetweenthep-andn-dopedregions.Thustheeffectivecarrierlifetime,representingthelifetimeofthefreecarrier'sinteractionwiththeopticalmodeinthewaveguideregion,reduceswithincreasedbiasvoltage.Thishasbeenexperimentallyverifiedbycomparingthemeasurednonlineartransmissionofasiliconwaveguidewithmodelling9,

14.Themeasuredphotocurrentinthereverse-biasedp-i-ndiodescaleswiththesquareofthelightpowerinsidethewaveguide,indicatingthatthechargecarriersaregeneratedbytheTPAprocess10.Atareverse-biasvoltageof25

V,theeffectivecarrierlifetimeisreducedto

1

nscomparedtothefreecarrierlifetimeofseveraltensofnanosecondsinordinarysiliconribwaveguides10,

11.Beforeperformingthelasingexperiment,thesingle-passc.w.Ramangainofap-i-nsiliconwaveguidewasmeasuredinapump–probeexperiment14,showingasingle-passnetgainof>3

dBatareverse-biasvoltageof25

Vandapumppowerof

700

mWcoupledintothewaveguide.

Figure2

isaschematicoftheRamanlaserexperiment.Ac.w.externalcavitydiodelaser(ECDL)at1,550

nmisamplifiedbyanerbium-dopedfibreamplifiersystemtoproduceapumpbeamofupto3

W.Thepumpbeampassesthroughapolarizationcontrollerfollowedbyathin-film-basedwavelengthde-multiplexerandiscoupledintothewaveguidecavitybyalensedfi