在Si(001)衬底上，采用溅射异质外延技术制备Ge1?xSnx层，其中Sn的成分范围为10–25%

《Materials Science in Semiconductor Processing》：Sputtering heteroepitaxy of Ge1?xSnx layer with Sn composition ranging 10–25% on Si(001) substrate

　　

后藤康作（Kousaku Goto）|柴山茂久（Shigehisa Shibayama）|金泰汉（Taehan Kim）|坂下光夫（Mitsuo Sakashita）|黑泽雅志（Masashi Kurosawa）|中塚修（Osamu Nakatsuka）

日本名古屋市千种区古市町，名古屋大学工学研究科，邮编464-8603

摘要

由于Ge_1?xSn_x的带隙可调节（取决于Sn的组成）且与Si集成电路平台兼容，因此它在中红外（MIR）光电探测器领域受到了关注。为了提高基于Ge_1?xSn_x的MIR光电探测器的灵敏度，需要使用Sn含量为10–25%的厚Ge_1?xSn_x外延层。在本研究中，我们采用溅射技术在Si(001)衬底上制备了不同Sn含量的300纳米厚的Ge_1?xSn_x外延层，该技术的优点是沉积速率不受Sn含量的影响。首先，我们通过溅射并在800°C下进行退火处理制备了Ge缓冲层，通过热膨胀效应在衬底上产生了面内拉伸应变。然后，我们验证了这种Ge缓冲层在生长Ge_0.85Sn_0.15异质外延层方面的有效性，发现其晶体质量优于在Ge (001)和Si(001)衬底上生长的情况。进一步地，我们研究了Sn含量分别为10%、15%和25%的300纳米厚Ge_1?xSn_x外延层的异质外延生长，并利用X射线衍射和透射电子显微镜结合快速傅里叶变换进行了结构分析。Ge_0.90Sn_0.10和Ge_0.85Sn_0.15层在整个300纳米厚度范围内实现了外延生长，尽管大部分区域呈现柱状结构且生长过程中发生了应变松弛；而Ge_0.75Sn_0.25层仅在前约100纳米范围内实现了外延生长，之后转变为多晶结构。尽管还需进一步明确生长条件，但本研究表明溅射法可以有效制备出用于MIR光电探测器的不同Sn含量的厚Ge_1?xSn_x外延层。

引言

对于中红外（MIR）光电探测器的应用而言，Ge_1?xSn_x是一种有吸引力的IV族合金半导体，因为其带隙可通过Sn的组成进行调节，并且在Sn含量超过8%时可实现间接-直接能带转换[1]。Sn含量在10%到25%范围内的Ge_1?xSn_x能够有效覆盖整个MIR光谱区域[[2], [3], [4], [5]]。此外，Ge_1?xSn_x与Si CMOS工艺完全兼容。这比传统的III-V族和II-VI族化合物半导体具有显著优势，有助于实现低成本且无毒的MIR光电探测器，从而推动了MIR区域的光检测技术发展[6]。

为了实现高灵敏度的集成MIR光电探测器，需要在Si衬底上制备Sn含量超过10%的厚Ge_1?xSn_x层[7]。此前，已有多种方法用于制备Ge_1?xSn_x外延层，包括化学气相沉积（CVD）[[8], [9], [10], [11], [12]]、分子束外延（MBE）[[13], [14], [15], [16], [17], [18], [19]]和溅射[[20], [21], [22], [23], [24], [25], [26], [27], [28], [29], [30], [31]]。CVD在Sn含量较低的区域具有较高的沉积速率。然而，当Sn含量达到10%或更高时，需要降低生长温度以抑制Sn沉淀，这会导致沉积速率显著下降，因此Sn的最大含量目前约为33%[10]。虽然MBE可以实现更高的Sn含量（目前可达约50%[19]），但其生长速率通常较低。

相比之下，溅射法可以在不受Sn含量影响的情况下实现高速沉积[[20], [21], [22], [23], [24], [25], [26], [27], [28], [29], [30], [31]]，这有利于未来的工业化和大规模生产。此外，高沉积速率可以有效抑制Sn沉淀，从而提高晶体质量[27]。通过溅射技术已成功制备出Sn含量低于10%的约200纳米厚的Ge_1?xSn_x层[[27], [28], [29], [30], [31]]。目前报道的最大Sn含量为28%，但其厚度限制在50纳米以下[21]。

为了应用于MIR光电探测器，我们旨在通过溅射技术在Si衬底上制备Sn含量超过10%的厚Ge_1?xSn_x外延层。然而，Si和Ge_1?xSn_x之间存在较大的晶格失配。引入Ge缓冲层是一种可能的解决方案，可以缓解这种晶格失配[32,33]。因此，我们制备了高质量的Ge缓冲层，并评估了其在改善含有15% Sn的300纳米厚Ge_1?xSn_x外延层方面的效果。我们还研究了Sn含量在10%到25%范围内的300纳米厚GexSn_x外延层的生长情况。

章节摘录

在Si(001)上制备Ge缓冲层

将3英寸n型Si(001)衬底先浸入1%的稀释氢氟酸中清洗5分钟，然后用去离子水（DIW）清洗2分钟。随后，通过负载锁室将清洗后的Si衬底立即放入溅射系统（ADS-S32-SP1沉积系统，AVC Corp.，日本）的溅射腔中，腔内基础压力约为10^?6 Pa。然后在高真空条件下将Si衬底在360°C下退火10分钟，以进行表面热清洗。

基底的影响

首先，我们讨论了基底对使用溅射方法制备的300纳米厚Ge_0.85Sn_0.15层异质外延生长的影响。图2(a–c)显示了在Si(001)衬底、Ge (001)衬底和应变Ge缓冲层上制备的300纳米厚Ge_0.85Sn_0.15层的RHEED图案。Si衬底样品呈现出晕圈状和环状图案，表明其主要为非晶结构，伴有部分多晶化。相比之下，

结论

在本研究中，我们使用溅射技术在Si(001)衬底上制备了Sn含量在10%到25%范围内的厚Ge_1?xSn_x外延层。首先，我们制备了具有约0.2%面内拉伸应变的Ge缓冲层，讨论了使用该应变缓冲层作为300纳米厚Ge_0.85Sn_0.15层外延生长的基底的优势，并比较了Si(001)和Ge (001)衬底的情况。我们证明了

CRediT作者贡献声明

后藤康作：数据整理、正式分析、研究、方法论、验证、可视化、初稿撰写。柴山茂久：概念构思、数据整理、正式分析、研究、项目管理、监督、验证、可视化、初稿撰写及审稿编辑。金泰汉：正式分析、研究、方法论、验证。坂下光夫：验证、审稿编辑。黑泽雅志：审稿编辑。

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了JST-CREST（项目编号：JPMJCR21C2）、JST-ASPIRE（项目编号：JPMJAP2413）以及日本学术振兴会（JSPS KAKENHI）科学研究资助（B类，项目编号：21H01809）的支持。