通过分子束外延技术在以Ge为缓冲层的Gd?O?/Si(111)表面上生长Ge???Sn?外延层

《Materials Science in Semiconductor Processing》：Epitaxial growth of Ge 1 ? x Sn x on Ge-buffered Gd 2 O 3 / Si ( 111 ) , by molecular beam epitaxy

　　Dhammapriy Gayakwad|Hannah Genath|Jan Krügener|Apurba Laha|Suddhasatta Mahapatra
印度孟买Powai，IIT Bombay纳米技术与科学研究中心，邮编400076

**摘要**
通过分子束外延技术，在以Ge为缓冲层的Gd2O3/Si(111)衬底上生长了Sn含量在约3%至约10%之间的Ge1?xSnx外延层。利用高分辨率X射线衍射和透射电子显微镜技术，系统研究了这些层的外延质量及缺陷结构。无论Sn含量如何，所有Ge1?xSnx薄膜都处于完全弛豫状态，其特征为从Ge/Ge1?xSnx界面延伸至合金层表面的基底堆垛错位。而通过成熟的两步生长法并经过循环退火处理形成的厚Ge缓冲层则具有极高的质量，没有来自Gd2O3/Ge界面的基底堆垛错位延伸至Ge1?xSnx层。不过，Ge1?xSnx层存在旋转孪生区域以及基底堆垛错位内的反射微孪生结构。Sn含量为10%的合金外延层的缺陷结构则更为复杂，包含次级微孪生结构。深入理解缺陷结构并找到在外延生长过程中减轻缺陷的方法，有助于实现备受瞩目的(111)取向Ge1?xSnx外延生长，这类材料可用于高速光电器件。

**引言**
锗锡（Ge1?xSnx）合金因其带隙可调、载流子迁移率高以及在红外区域的吸收系数大，被视为近红外和短波红外光子学领域的理想材料。此外，研究还表明，当Sn含量达到约6%及以上时，完全弛豫状态的Ge1?xSnx合金会发生间接带隙向直接带隙的转变[[1], [2], [3], [4], [5], [6]]。然而，由于Ge与Sn之间的晶格失配度高达14.7%，且Sn容易从晶体内部向表面聚集，再加上外延应变和热处理的影响，这种合金的外延生长十分困难[[7], [8], [9], [10], [11], [12], [13]]。尽管如此，通过分子束外延技术和多种化学气相沉积技术，人们已经在制备高Sn含量的Ge1?xSnx合金方面取得了显著进展[[14], [15]]。在光电探测器[[16], [17], [18], [19], [20], [21]]、发光二极管[[22], [23], [24], [25], [26]]以及激光器[[27], [28], [29], [30], [31], [32], [33]]的设计与制造方面也有了很大进步。虽然(001)取向的外延生长技术已经相当成熟，但关于(111)取向Ge1?xSnx外延生长的报道却很少[[34], [35], [36]]。由于(111)取向的外延合金层具有较高的载流子迁移率，因此能够提升微电子和光电器件的工作速度[[37]]。

在之前的研究中，我们已经在覆盖有薄层Gd2O3(111)外延层的Si(111)衬底上实现了高质量Ge(111)的外延生长[[38,39]]。在此基础上，本研究报道了在Gd2O3(111)/Si(111)衬底上通过分子束外延技术生长Sn含量在约3%至约10%之间的完全弛豫态Ge1?xSnx(111)/Ge(111)外延层。加入绝缘性的Gd2O3层有望带来额外的功能优势，比如抑制寄生导电和载流子泄漏，以及增强载流子限制效果。合金外延层的应变弛豫是通过在Ge/Ge1?xSnx界面形成基底堆垛错位来实现的，而在Ge/Gd2O3界面产生的少量基底堆垛错位则不会延伸到质量极高的Ge(111)缓冲层中。我们通过多种X射线衍射和透射电子显微镜技术分析了这些外延层的外延质量及缺陷结构，后者表现为Ge1?xSnx中的旋转孪生区域以及由基底堆垛错位界定的反射微孪生区域。

**实验部分**
所有的Ge和Ge1?xSnx外延层都是在IIT Bombay的RIBER MBE（Compact-12）实验室内生长的，该实验室的基压为4×10?7帕，配备了固体源克努森蒸发装置。本研究所使用的epi-Gd2O3/Si(111)衬底来自莱布尼茨汉诺威大学，那里也是通过分子束外延技术生长出30纳米厚的Gd2O3外延层的。关于Gd2O3在Si(111)上的外延生长细节可参考其他文献[[40]]。在生长Ge和Ge1?xSnx层之前，首先对衬底进行了预处理……

**结果与讨论**
图1展示了在不同外延生长阶段沿?11′0?方向记录的RHEED图像。图1(a)是在对epi-Gd2O3(111)/Si(111)衬底进行高温退火后记录的，其呈现的条纹状RHEED图案说明该表面非常干净平整，为后续IV族元素的生长提供了良好的基础。这种条纹状图案一直持续到Ge沉积结束（见图1(b)），而在经过循环退火后则变得更为清晰明亮（见图1(c)）。众所周知，循环退火能够……

**结论**
综上所述，我们研究了在以epi-Gd2O3(111)/Si(111)衬底为基底、经应变弛豫处理后的高质量Ge(111)层上生长Sn含量最高可达10%的Ge1?xSnx合金的外延过程。这些外延膜的特征在于通过Ge/Ge1?xSnx界面形成基底堆垛错位而实现了完全的应变弛豫。我们采用了高分辨率X射线衍射和透射电子显微镜技术，分析了该合金的化学计量比以及外延质量。

**CRediT作者贡献声明**
Dhammapriy Gayakwad：数据整理、正式分析、方法设计、初稿撰写。
Hannah Genath：方法设计。
Jan Krügener：概念构思、研究实施、方法设计。
Apurba Laha：数据整理、正式分析、资源协调。
Suddhasatta Mahapatra：概念构思、正式分析、资金申请、研究实施、方法设计、项目管理、资源协调、监督指导、验证工作以及审稿与编辑。

**利益冲突声明**
作者声明不存在任何可能影响本研究结果的已知财务利益或个人关系。

**致谢**
本研究得到了印度政府教育部的科学技术部资助。D G和S M感谢IIT Bombay纳米制造设施以及IIT Bombay工业研究与咨询中心的支持。