[发明专利]一种GeSn纳米晶材料及其制备方法与应用

说明书

一种GeSn纳米晶材料及其制备方法与应用，所述GeSn纳米晶材料为GeSn纳米晶嵌于非晶GeSn中，Sn组分的摩尔含量为7.5％～41.6％；所述GeSn纳米晶材料的制备方法，包括以下步骤：1)对衬底进行清洗；2)在清洗后的衬底上，用物理沉积的方法生长局部存在较高Sn组分的非晶GeSn薄膜，以在GeSn薄膜中引入Sn和Ge的浓度梯度；3)对步骤2)的样品进行退火得到非晶GeSn中的高Sn组分GeSn纳米晶。本发明与传统CMOS工艺相兼容，制备得到的GeSn纳米晶的Sn组分高于Sn在Ge中的平衡固溶度并且可通过退火温度调控。

技术领域

本发明涉及纳米材料领域，尤其涉及一种GeSn纳米晶材料及其制备方法与应用。

背景技术

纳米材料是指在空间维度上具有纳米尺度的材料，如纳米薄膜、纳米线，纳米带、纳米管及纳米颗粒等。在纳米材料中，由于表面及量子限制等效应的增强，使其具有相比块体材料更加丰富的物理特性。因此，纳米材料不仅是进行基础物理研究的一个优异的平台，还可能用于提高器件的性能或用于新型器件的开发。

GeSn纳米晶作为一类重要的纳米材料，在纳米器件方面具有广阔的应用前景。当GeSn合金中的Sn组分高于6％～10％时，GeSn合金为直接带隙，可用于Si基光电集成芯片的光源。而GeSn纳米晶由于具有量子限制效应，理论上不仅可以通过尺寸调节其发光波长，还能减少材料的自由载流子吸收等光损耗，有望进一步提高GeSn合金的发光性能。截至目前，大部分的GeSn纳米晶是由胶体法制备得到的。然而，胶体法工艺与CMOS工艺不兼容，并且难以将胶体中的量子点均匀的转移到衬底上加以应用。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中的上述问题，提供一种与CMOS工艺兼容、Sn组分可控的高Sn组分GeSn纳米晶的制备方法，并且制备得到的GeSn纳米晶嵌于非晶GeSn中。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种GeSn纳米晶材料，GeSn纳米晶嵌于非晶GeSn中，Sn组分的摩尔含量为7.5％～41.6％。

本发明所述一种GeSn纳米晶材料的制备方法，包括以下步骤：

1)对衬底进行清洗；

2)在清洗后的衬底上，用物理沉积的方法生长局部存在较高Sn组分的非晶GeSn薄膜，以在GeSn薄膜中引入Sn和Ge的浓度梯度；

3)对步骤2)的样品进行退火得到非晶GeSn中的高Sn组分GeSn纳米晶。

步骤1)中，所述的衬底包括Si、SOI、SiO₂、Ge、GOI衬底。

步骤2)中，所述的非晶GeSn薄膜包括低Sn组分和高Sn组分的GeSn叠层薄膜，GeSn和Sn叠层薄膜，或者Ge和GeSn叠层薄膜。

步骤2)中，所述物理沉积的方法包括溅射、蒸发或分子束外延。

步骤3)中，退火的温度为250～450℃，退火的时间为0.5～40h。

本发明所述GeSn纳米晶材料的应用，用于制备Si基光电子器件。

相对于现有技术，本发明技术方案取得的有益效果是：

本发明与传统CMOS工艺相兼容，制备得到的GeSn纳米晶的Sn组分高于Sn在Ge中的平衡固溶度并且可通过退火温度调控。而且，GeSn纳米晶嵌于非晶中自发形成的结构特点有利于将载流子更好地限制在GeSn纳米晶中，可以用于制作Si基光电子器件。

本发明采用氧化硅作为衬底，利用物理沉积方法进行材料的生长，材料制备成本低，技术成熟。另一方面，通过常规退火方式即能快速简单地获得高Sn组分的GeSn纳米晶并且分散地嵌于非晶中。本发明是一种简易、低成本、与传统CMOS工艺相兼容的制备Sn组分可控的GeSn纳米晶的新方法。