铝共注入对p型锗中镓分布的调控机制及其在CMOS技术中的应用

本文针对锗基CMOS器件发展中p型掺杂激活受限的关键问题，研究了铝(Al)共注入对镓(Ga)在锗(Ge)中分布的影响机制。通过离子注入结合快速热退火(RTA)工艺，采用二次离子质谱(SIMS)、原子探针断层扫描(APT)和透射电镜(TEM)等多尺度表征技术，发现Al能抑制位错环形成，促进Ga完全激活，为突破Ge器件1 at%掺杂极限提供了新策略。该成果对开发高性能Ge基微电子和光电子器件具有重要意义。

　　

在半导体技术持续微型化的进程中，锗(Ge)因其高载流子迁移率和窄带隙特性，成为继硅(Si)之后最具潜力的CMOS器件材料。然而，Ge基器件的发展长期受困于两个关键瓶颈：一是难以实现高浓度p型掺杂，二是掺杂原子激活率远低于理论溶解度。这些问题直接限制了Ge在光电探测器和超导器件等创新应用中的性能表现。传统p型掺杂剂镓(Ga)虽在Ge中具有高达3.4×10²⁰ cm^-3的溶解度，但实际激活浓度往往不足理论值的50%，其根本原因在于离子注入引发的晶格损伤会形成位错环，导致Ga原子在这些缺陷处发生偏聚。

为攻克这一难题，研究人员创新性地引入铝(Al)作为共掺杂元素。通过系统设计实验方案，采用80 keV Ga⁺和35 keV Al⁺离子注入n型Ge(100)衬底，注入剂量分别为3.0×10¹⁵ cm^-2和3.5×10¹⁵ cm^-2。样品随后经历600-750°C的快速热退火处理，并利用先进表征手段解析原子级分布特征。

研究团队通过三项关键技术揭示了Al的调控机制：首先采用高分辨透射电镜(HR-TEM)观察到单一Ga注入会引发Ge非晶化并形成3 nm位错环，密度达1.7×10¹⁷ cm^-3；继而通过激光辅助原子探针技术(APT)定量分析发现位错环上Ga偏聚浓度达4.25 at%，而Al注入样品则保持完整晶体结构；最后结合二次离子质谱动态监测发现Al共注入可使Ga扩散深度增加40 nm，同时完全抑制位错环形成。

3.1 Ga和Al原子分布特征
Ga单注入导致Ge表面形成蜂窝状多孔结构，退火后位错环成为Ga原子的"陷阱"。而Al注入样品展现出截然不同的行为：所有Al原子均以固溶体形式存在，最大浓度超过5×10²⁰ cm^-3，远超文献报道的溶解度极限。共注入实验中，Al通过"踢出机制"(kick-out)捕获Ge自间隙原子，阻断位错环形成路径。

3.2 扩散动力学差异
Ga遵循空位介导扩散机制，650°C时扩散系数为1.28×10^-16 cm²/s。而Al扩散呈现反常的三段式浓度剖面，在共注入条件下低浓度Al(<10¹⁸ cm^-3)表现出超快扩散特性，穿透深度超过1 μm，证实其扩散受自间隙原子调控。

3.3 掺杂激活性能
霍尔效应测量显示，Ga单注入可获得1.4×10²⁰ cm^-3的空穴浓度，接近Ga在Ge中的固溶度极限。而Al尽管完全溶解，激活率仅约6%，表明大部分Al占据间隙位点。共注入样品中Ga激活浓度达4.6×10¹⁹ cm^-3，且无位错环形成，证明Al能有效抑制缺陷产生。

这项研究从原子尺度揭示了III族元素在Ge中的差异化扩散机制，建立了"缺陷工程-掺杂分布-电学性能"的构效关系。特别值得注意的是，Al作为"缺陷修复剂"的发现为突破Ge掺杂瓶颈提供了新思路：通过精确调控Al注入参数与退火工艺的匹配，有望实现接近1 at%的理论极限掺杂浓度。该成果不仅为Ge基CMOS光电器件开发奠定基础，其揭示的共掺杂策略也可拓展应用于其他半导体材料的性能优化。论文提出的"低温预退火+短时激活退火"的工艺路线，完全兼容现行半导体制造流程，具有显著的产业化应用前景。