采用磁控溅射方法制备的高Ge含量GeSi薄膜的研究

《Thin Solid Films》：Study of GeSi thin films with high Ge content fabricated by magnetron sputtering method

　　

陶琳|施家豪|陈兰梦|李欣宇|谢建安|曹新瑞|张天杰|刘彦涛|谢宏伟|段玉鹏

西安工业大学自动化与信息工程学院，中国西安710048

摘要

在本研究中，采用磁控溅射技术，以Ge_0.95Si_0.05合金靶材在单晶Ge基底上沉积了高Ge含量的Ge_xSi_1-x薄膜，并系统研究了溅射压力、溅射功率和Si靶功率对Ge_xSi_1-x薄膜的表面形貌、元素组成、晶体结构及光学性能的影响。随着溅射压力的增加，薄膜的均匀性和密度得到改善，晶体质量也逐渐提高；然而，当压力升至4.0 Pa时，表面形貌和晶体质量反而恶化。在研究范围内，较高的溅射功率有助于提升表面形貌和晶体质量。当同时使用纯Si靶材和Ge_0.95Si_0.05合金靶材进行共溅射时，增加Si靶功率会降低表面均匀性和致密度，提高表面粗糙度，并恶化晶体质量，但同时会增加薄膜的光学透射率并拓宽光学带隙。

引言

基于硅基异质结构的锗硅（Ge_xSi_1-x）合金是微电子、光电子和光伏器件中的关键材料，因为它们具有可调的带隙和高载流子迁移率[1,2]。最近，利用GaInP量子阱在Ge/SiGe基底上制备了黄色和红色半导体激光器，但Ge/SiGe复合基底上的缺陷严重影响了器件的光电子特性[3]。

高质量Ge_xSi_1-x薄膜的制备传统上依赖于分子束外延（MBE）和化学气相沉积（CVD）等技术[4,5]。磁控溅射技术具有低温沉积、操作简便以及适用于低成本制造的优点[6,7]；然而，相关研究主要集中在Si基底上的低Ge含量Ge_xSi_1-x薄膜上，而对高Ge含量Ge_xSi_1-x薄膜的系统性研究相对较少，尤其是在关键工艺参数的作用机制方面。

本研究通过磁控溅射技术在Ge基底上沉积了高Ge含量的Ge_xSi_1-x薄膜，并系统研究了制备参数对材料特性的影响。这些研究结果对于高Ge含量Ge_xSi_1-x/Ge异质结构在集成光电子器件中的制备和应用具有参考价值。选择单晶Ge作为基底得到了先前关于基于Ge的异质结构理论和模拟研究的支持。这些研究表明，Ge基底由于晶格失配较小且界面应变较低，特别适合用于红色和近红外光电子应用[8]，因此有助于可靠地评估富含Ge的GeSi系统中的工艺-结构-性能关系。

章节摘录

实验

采用Ge_0.95Si_0.05合金靶材（纯度99.99%，直径2英寸）通过射频磁控溅射技术在单晶Ge基底（001, 1 × 1 cm2）上沉积了Ge_xSi_1-x薄膜。共溅射实验中也使用了纯度99.99%、直径2英寸的Si靶材。沉积前，所有基底均经过超声清洗和干燥处理。沉积过程中通过调节溅射压力和射频功率，并保持基底持续旋转90分钟来完成。

溅射压力对Ge_xSi_1-x薄膜性能的影响

溅射压力通过改变氩气和靶材颗粒之间的碰撞概率以及颗粒动能来影响颗粒在基底上的扩散[9]，进而影响辉光放电的稳定性；在低压力下氩气浓度不足会阻碍放电的起始，因此需要研究其对薄膜性能的影响。在本研究中，所有Ge_xSi_1-x薄膜均在100 W的溅射功率和90分钟的沉积时间内制备。

结论

通过磁控溅射技术制备了高Ge含量的Ge_xSi_1-x薄膜，并研究了溅射压力、溅射功率和Si靶功率对薄膜结构和光学性能的影响。利用XRD、SEM、AFM、XPS和UV–Vis–NIR分析了薄膜的晶体质量、表面形貌、成分和光学响应。

溅射压力和溅射功率主要通过控制原子能量来决定薄膜的致密度、表面形貌和晶体质量。

CRediT作者贡献声明

陶琳：撰写 – 审稿与编辑、监督、方法论设计、概念构思。施家豪：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、验证、方法论设计。陈兰梦：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、实验研究。李欣宇：撰写 – 初稿撰写、实验研究。谢建安：数据分析、数据整理。曹新瑞：实验研究、数据整理。张天杰：数据可视化、实验研究。刘彦涛：资源协调、项目管理。谢宏伟：

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：62374133）、陕西省创新能力支持计划项目（项目编号：2023ZSJD-03）、陕西省教育厅资助的科学研究计划（项目编号：22JP051）的支持。