在Si(111)衬底上采用溅射方法实现异质外延生长

《Materials Science in Semiconductor Processing》：Ge heteroepitaxy on Si(111) substrate featuring sputtering method

本研究采用溅射沉积结合两步生长法与后沉积退火（PDA），成功制备出高结晶质量的Ge/Si(111)异质外延层。通过调控低温生长层（LT-Ge）厚度（<10 nm）及700°C PDA，有效降低表面粗糙度（RMS <2 nm）、ω摇摆曲线半高宽（～0.07°）及载流子密度，同时减少初始生长阶段的位错缺陷。实验表明，较薄的LT-Ge层（<10 nm）在PDA后通过位错湮灭显著提升结晶质量，而较厚的LT-Ge层（>40 nm）易引入堆垛层错缺陷，经PDA无法完全消除。

　　

奥田泰一（Taichi Okuda）| 大田昭夫（Akio Ohta）| 横川亮（Ryo Yokogawa）| 坂下光男（Mitsuo Sakashita）| 黑泽雅志（Masashi Kurosawa）| 中塚修（Osamu Nakatsuka）| 柴山茂久（Shigehisa Shibayama）

日本名古屋市千种区古市町，名古屋大学工学研究生院，邮编464-8603

摘要

在Si(111)衬底上生长的Ge(111)外延层作为制备功能性材料（如基于Ge的二维材料以及Ge_1?xSn_x(111)）的缓冲衬底，已经引起了极大的兴趣。为了制备Ge/Si(111)缓冲衬底，我们选择了溅射工艺，因为该工艺具有较高的沉积速率、与CMOS工艺的兼容性以及成本效益。由于关于Ge(111)溅射异质外延的研究较少，我们进行了一项全面的研究，重点探讨了两步生长方法和沉积后的退火（PDA）过程。在研究中，我们研究了低温生长的Ge（LT-Ge）层厚度以及PDA对Ge(111)层表面形态和晶体性质的影响。结果表明，当LT-Ge层厚度小于10纳米时，经过PDA处理的Ge(111)层表现出更平坦的表面（均方根粗糙度<2纳米）、更窄的ω摇摆曲线（半高宽约为0.07°），以及更低的Ge/n-Si(111)结构中的载流子密度。此外，我们观察到在初始Ge生长阶段引入的缺陷类型取决于LT-Ge层的厚度：LT-Ge层厚度小于10纳米时会产生穿透位错，而厚度大于40纳米时会产生堆垛缺陷。由于穿透位错在PDA过程中可以移动，因此很可能被消除；而堆垛缺陷即使在PDA后仍然存在。这种行为使得引入超薄LT-Ge层后能够获得更高结晶质量的Ge(111)异质外延层。

引言

在Si(111)衬底上生长的Ge(111)异质外延层作为开发功能性材料的有前景的底层材料，受到了广泛关注。例如，锗烯（Geene）和锗纳米片（Ge nanosheets）属于IV族二维材料，可以通过分离外延法制备[[1], [2], [3]]。这些材料因其高载流子迁移率、电学可调的带隙[[4], [5], [6], [7]]以及在量子信息技术中的应用（由于它们是二维拓扑绝缘体）而备受关注[[7,8]]。另一个例子是直接过渡结构Ge_1?xSn_x(111)，这是一种在自旋电子器件（如自旋金属氧化物半导体晶体管）中具有应用潜力的材料[[9], [10], [11], [12], [13]]。

为了制备高质量的功能性材料，需要在Si(111)衬底上生长高质量的Ge(111)异质外延层。然而，Ge和Si之间的晶格失配较大（4.2%），导致其临界厚度极薄，仅有几纳米[[14,15]]。为了解决这个问题，先前的研究提出了两步生长方法[[16], [17], [18], [19], [20], [21]]。在两步生长方法中，首先在较低温度下在Si衬底上沉积一层薄Ge外延层，以抑制岛屿结构的形成，促进二维层的生长。这层被称为低温生长的Ge（LT-Ge）层，其中包含大量缺陷。由于残余晶格失配较小，随后可以在较高温度下继续沉积较厚的Ge外延层（HT-Ge层），该层仅包含少量晶体缺陷，从而能够在Si上制备出高质量的Ge异质外延层。

此前，已有研究使用分子束外延（MBE）[[20], [21], [22]]和化学气相沉积（CVD）[[16], [17], [18], [19]]方法，在Si(001)和Si(111)上制备了高质量的Ge异质外延层。相比之下，对于在Si(001)上采用溅射法生长Ge的研究中，报道了一种一步沉积后进行700–800°C退火（PDA）的方法，可以制备出高质量的Ge层[[23]]。鉴于关于Si(111)上Ge异质外延的研究较少，而溅射工艺具有高沉积速率、成本效益和与CMOS工艺的兼容性等优势，因此开展了这项关于在Si(111)衬底上生长Ge(111)的研究。

在本研究中，我们探讨了两步生长方法和PDA对Ge(111)外延层表面形态和结构性质的影响，旨在获得低缺陷密度的高结晶质量层。研究结果表明，使用较薄的LT-Ge层并进行PDA处理是提高Ge(111)结晶质量的关键策略。文中进一步讨论了这一现象背后的原因，重点分析了初始生长阶段形成的缺陷类型。

实验步骤

实验程序

在本研究中，我们使用了电阻率为约30 Ω·cm的n型Si(111)晶圆。该晶圆用稀氢氟酸清洗5分钟，然后用去离子水冲洗，立即放入负载锁定室，并转移至溅射系统（AVC Co., Ltd., ADS-S32-SP1）的沉积室中，基础压力约为10^?6 Pa。随后，在约10^?6 Pa的压力下进行350°C的热处理30分钟，以进行表面重构。

结果与讨论

首先，我们讨论了Ge(111)层的表面形态。图1(a)展示了经过PDA处理前后的LT-Ge层厚度分别为10纳米和70纳米的样品的AFM图像及其对应的线形剖面（所有结果详见补充文件S1）。两种样品中均观察到了三角形和/或六边形岛屿结构。这种独特的几何形态是使用MBE方法在Si(111)上外延生长Ge时所特有的[[24]]。

结论

在本研究中，我们采用两步生长方法和PDA技术，全面研究了在Si(111)衬底上Ge(111)的溅射异质外延过程。特别探讨了LT-Ge层厚度和PDA对Ge(111)层结构性质的影响。AFM、XRD和霍尔效应分析一致表明，较薄的LT-Ge层能够形成表面更平坦、结晶质量更高的Ge(111)外延层，而在700°C下进行PDA处理进一步提高了结晶质量。

作者贡献声明

奥田泰一（Taichi Okuda）：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、方法验证、实验设计、数据分析、结果整理。大田昭夫（Akio Ohta）：撰写 – 审稿与编辑、结果验证、资金筹集。横川亮（Ryo Yokogawa）：撰写 – 审稿与编辑、结果验证、资金筹集。坂下光男（Mitsuo Sakashita）：撰写 – 审稿与编辑、结果验证。黑泽雅志（Masashi Kurosawa）：撰写 – 审稿与编辑、结果验证。中塚修（Osamu Nakatsuka）：撰写 – 审稿与编辑、结果验证、资金筹集。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。

致谢

本研究部分得到了Canon基金会、JSPS-KAKENHI（项目编号：23K17745）、JST-PRESTO（项目编号：JPMJPR21B6）、JST-CREST（项目编号：JPMJCR21C2）和JST-ASPIRE（项目编号：JPMJAP2413）的支持。