多周期SiGe/Si 異質納米結構薄膜的制備研究*

周 筆

（閩江學院 物理與電子信息工程學院，福建 福州 350108）

1 概述

電化學腐蝕方法制備的多孔硅可見光發射[1]使得硅基發光成為一種可能，為全硅基光電集成開辟了一條新途徑，單層Si 基納米結構具有較好的光學性質，但作為發光有源層來說，由于其厚度薄，納米結構體密度小，尺寸分布不均勻，限制其發光方面的應用。為此，人們通過多種方法提高硅納米層的厚度，其中以多層方式提高納米結構的體密度最為常見，如通過Si/SiNx或a-Si/SiO2[2]等多層非晶薄膜后期退火再結晶形成多層Si 基納米結構，比較單層納米結構，這些材料發光效率得到較大提高，但由于多層結構中包含不導電的介質絕緣層，存在電注入難的缺點。

本文采用了兩步實現多層納米結構制備法，圖1 是該制備法示意圖。首先，在襯底上外延生長具有一維尺寸限制效應的SiGe/Si 量子阱，層厚可以精確控制，隨后采用電化學方法進行縱向腐蝕而獲得多層SiGe/Si 異質納米線。這種方法可獲得尺度可控，密度高的多層納米結構，并且無介質絕緣層所引起的不良影響。

圖1 多層納米結構制備方法示意圖

2 實驗方法

2.1 SiGe/Si 量子阱薄膜制備

多周期異質單晶薄膜材料均在雙生長室超高真空化學氣相沉積系統（UHVCVD）完成的?；谇捌趦灮牟牧贤庋由L參數，在n-Si（100）（電阻率為0.1-1.2Ω·cm）襯底上，根據表1 工藝參數，外延了15 周期SiGe/Si 多量子阱結構樣品。

表1 15 周期SiGe/Si 生長工藝參數

2.2 電化學陽極氧化腐蝕（ECA）

圖2 電化學陽極腐蝕裝置結構示意圖

多量子阱薄膜樣品隨后采用圖2 所示裝置進行電化學陽極腐蝕實驗，腐蝕溶液為HF 酸F（＞=40%）與乙醇按體積比1:2 的混合液，腐蝕電流密度為27mA/cm2，持續時間為900s。

多量子阱薄膜ECA 腐蝕后的結構特征與形貌通過采用英國Bede QC 200X 射線雙晶衍射儀、荷蘭菲利普公司生產的F30 TECNAI FETEM 型場發射透射電子顯微鏡和德國LEO 公司生產的LEO 1530 FESEM 型場發射分析型掃描電子顯微鏡等手段進行表征分析。

3 結果討論

3.1 SiGe/Si 多量子阱

圖3 15 周期SiGe/Si 多量子阱雙晶XRD 搖擺曲線

圖3 為多量子阱薄膜樣品的雙晶XRD 搖擺曲線及擬合曲線。圖中0 弧秒位置譜峰為Si 襯底（400）面衍射峰。從圖3 中清晰分辨出多量子阱衍射的-7 級譜峰信號；在襯底衍射峰右側，出現了多量子阱的+3 級衍射峰，而且+1 和+2 級衍射峰信號很強。由此結果表明，樣品中SiGe/Si 多量子阱的晶體結晶質量好，且外延層間異質界面陡峭。依據衍射理論對實驗數據進行擬合可得到量子阱中SiGe 層的Ge 組分和厚度，其值分別為0.18 和6.1nm，Si 層的厚度約為37nm。結合表1 生長工藝參數可確定此Ge 組分SiGe 和Si 的生長速率分別約為0.3nm/s和0.13nm/s。圖4 給出15 周期量子阱結構截面的TEM測試結果，從圖中可以看到量子阱SiGe/Si 異質層界面清晰，15 周期SiGe/Si 量子阱各周期每層厚均勻，結果與XRD 理論擬合結論相吻合。

3.2 多周期SiGe/Si 納米結構

圖 5（a）為樣品的 SEM 表面形貌圖。方便比較，圖（c，d，e） 給出了單層 Si、SiGe 納米結構的 SEM 表面形貌照片。從圖中可以看出，多周期SiGe/Si 納米結構樣品的腐蝕表面形成了分布均勻的、獨立的、島狀納米顆粒，其密度可達 ～2×1011cm-2。從圖5（b）尺寸分布柱狀圖中可以得到，納米結構的平均尺寸分別為15.6±4.4nm，尺寸分布均勻性好。此外，從圖5（a）中可以看出，樣品表面呈現出腐蝕溝道縱橫交錯所形成的網狀結構，溝道寬度分布比較均勻，出現一些較大孔洞，直徑約為30nm。這種新奇的表面形貌與單層納米結構表面形貌差別很大，單層納米結構表面均為互相連結的、絮狀的、海綿似的納米結構（見圖 5（c，d，e））[5-6]。

圖4 15 周期量子阱結構的截面TEM 圖（其中右圖為局部放大）

圖 5 多周期納米結構樣品的SEM 表面形貌和尺寸分布柱狀圖（a）和（b）樣品；（c）單層 Si 納米結構；（d）單層Si0.88Ge0.12 納米結構；（e）單層 Si0.82Ge0.18 納米結構

圖6 多周期MQW 薄膜的生長后（a）和陽極腐蝕后（b）的SEM 截面形貌圖

為了進一步了解量子阱薄膜材料陽極腐蝕前后的內部結構的改變，我們對量子阱薄膜樣品陽極腐蝕前后的SEM 側面形貌進行對比，如圖6 所示。從圖6（b）可以看出，腐蝕后的截面由高密度的腐蝕溝道構成，其方向平行于外延方向，溝道之間間隔均勻，而且多周期SiGe/Si 量子阱的整體結構并沒有因腐蝕所破壞，除了產生腐蝕溝道外，其它部分完整且均勻。

基于上述SEM 表征分析表明，通過對量子阱陽極腐蝕，成果獲得了高密度分布的、多周期的SiGe/Si 異質納米線或納米棒。另外值得注意的是，所獲得的納米結構具有規則的面分布特征與傳統陽極腐蝕的多孔硅表明形貌比較，差異很大，導致差異原因很可能源于SiGe/Si 量子阱中SiGe 層與襯底間的間隔失配應變[7-8]。

4 結論

利用UHV/CVD 外延與電化學陽極腐蝕相結合的技術，在優化的條件下制備出了多周期SiGe/Si 異質納米結構薄膜，納米結構薄膜每層厚度分布均勻可控，納米顆粒平均面密度達到～2×1011cm-2，平均尺寸為 15.6±4.4nm。