Si缓冲层对Ge/Si/SiGe异质结构中SiGe薄膜晶体质量的分子动力学研究

针对SiGe薄膜因晶格失配导致的缺陷问题，研究人员通过分子动力学模拟探究了Si缓冲层在Ge/Si/SiGe异质结构中的作用。研究发现，620°C下沉积9.7 nm Si缓冲层可有效释放应力，使立方金刚石结构原子占比达95.2%，位错密度降至7.61×1012 /cm2 ，为高性能半导体器件开发提供理论指导。

　　

在半导体技术领域，SiGe材料因其可调带隙结构、高载流子迁移率以及与硅工艺的兼容性，成为高速电子器件和光电器件的热门选择。然而，高Ge组分SiGe薄膜在Si或Ge衬底上外延生长时，晶格失配导致的应力和缺陷问题始终是技术瓶颈。传统解决方案如正向梯度缓冲层需要15 μm厚度且表面粗糙度高，而反向梯度（RG）方法虽能降低位错密度，但对高Ge组分薄膜的优化机制尚不明确。为此，陕西某高校团队通过分子动力学（MD）模拟，创新性地在Ge衬底上引入Si缓冲层，系统研究了其对SiGe薄膜质量的调控作用。

研究采用经典分子动力学方法，利用Atomsk工具构建Ge(100)衬底模型（68 ?×68 ?×56 ?，含11,520个Ge原子），通过LAMMPS软件模拟Si缓冲层和SiGe薄膜的沉积过程。关键参数包括温度梯度（300-700°C）和厚度梯度（1.6-9.7 nm），采用Tersoff势函数描述原子相互作用，通过位错分析（DXA）和晶体结构识别（IDS）量化薄膜质量。

沉积模型构建
研究建立Ge/Si/SiGe三维异质结构模型，Z轴垂直于(100)沉积面。通过控制Si缓冲层沉积参数，发现4.1%的晶格失配导致Si薄膜承受拉伸应变，而缓冲层的引入能有效调节后续SiGe薄膜的应力分布。

Si缓冲层沉积温度的影响
模拟显示620°C为最优沉积温度，此时立方金刚石结构占比达95.2%，位错密度显著降低（7.61×10¹²
/cm²
）。高温（700°C）会导致Si原子过度扩散形成堆垛层错，而低温（300°C）则抑制应变释放。

Si缓冲层厚度的作用
9.7 nm厚度下，缓冲层能充分容纳失配位错网络，使SiGe薄膜的均方根粗糙度（RMS）降至原子级。厚度不足（<5 nm）时，位错会穿透至SiGe层；过厚（>15 nm）则增加界面能。

Ge组分调控效应
在最优缓冲层参数下，Si_0.7
Ge_0.3
薄膜的位错密度比直接沉积降低两个数量级。Ge组分增加至50%时，缓冲层仍能维持80%以上的立方相占比，验证了RG方法的普适性。

该研究首次从原子尺度揭示了Si缓冲层通过位错攀移促进应变释放的机制，为Ge/Si/SiGe异质结构设计提供了新思路。相比传统RG方法，优化后的缓冲层将所需厚度缩减至1/3，且无需化学机械抛光（CMP）。这一发现对开发低缺陷SiGe基MOSFET和短波长激光器（如文中提到的GaInP量子阱设计）具有重要指导意义，相关成果发表于《Surface Science》。