p-Ge1?xSnx/n-Ge光电二极管中Sn成分及Si层钝化效应对其红外探测性能的影响

《Materials Science in Semiconductor Processing》：Sn composition and Si-cap passivation effects on infrared detection performance of p-Ge1?xSnx/n-Ge photodiode

【字体：大中小】 时间：2026年07月19日 来源：Materials Science in Semiconductor Processing 5.2

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　　摘要Ge1?xSnx作为一种带隙可通过Sn含量调节的IV族合金半导体，受到了广泛关注。纯Ge属于间接带隙半导体，而引入足够高的Sn含量可使其转变为直接带隙，从而提升量子效率。Ge的截止波长位于短红外区域，加入Sn后可使Ge1?xSnx的截止波长向中红外区域延伸。在本研究中，采用分

摘要

Ge_1?xSn_x作为一种带隙可通过Sn含量调节的IV族合金半导体，受到了广泛关注。纯Ge属于间接带隙半导体，而引入足够高的Sn含量可使其转变为直接带隙，从而提升量子效率。Ge的截止波长位于短红外区域，加入Sn后可使Ge_1?xSn_x的截止波长向中红外区域延伸。

在本研究中，采用分子束外延法在n型Ge(001)衬底上生长了Sn含量分别为5.3%、9.3%和12.6%的Ge_1?xSn_x外延层。针对每种Sn含量，分别制备了无超薄非晶硅覆盖层和带有该覆盖层的p-Ge_1?xSn_x/n-Ge光电二极管，用以对p-Ge_1?xSn_x层进行表面钝化处理。

通过傅里叶变换红外光谱检测光谱响应度，发现Ge_1?xSn_x的吸收边波长比纯Ge更长，这与Sn含量变化导致的带隙缩小一致。在300?K下测试带有Si覆盖层的器件时，Sn含量为5.3%、9.3%和12.6%的器件对应的截止波长分别为2.24、2.33和2.68?μm。此外还在240和280?K下进行了测试，由于电流噪声降低，较低温度下探测灵敏度更高。同时，带有Si覆盖层的器件电流噪声水平显著降低，进一步提升了探测灵敏度，证明了Si覆盖层钝化措施的有效性。

引言

低成本短波红外及中红外光电探测器在众多国防和民用领域有着重要应用价值，比如夜视成像、汽车传感器以及紧凑型红外相机[[1], [2], [3]]。目前市场上的这类探测器大多依赖III-V族和II-VI族化合物半导体，如InGaAs、PbS胶体量子点以及II型超晶格，而这些材料往往含有有毒或稀缺元素，且不具备与硅基CMOS电路的兼容性[[4], [5], [6], [7], [8], [9], [10]]。这些限制给实现可持续且成本高效的制造带来了挑战。属于IV族合金半导体的Ge_1?xSn_x合金近年来因具有巨大潜力而受到广泛关注[11]。通过调整Sn含量，可以调控Ge_1?xSn_x合金的带隙，从纯Ge的0.66?eV逐步过渡到接近α-Sn时的零带隙状态[12,13]。这种可调性意味着只需控制Sn含量，就能使该合金覆盖较宽的红外波长范围。此外，虽然纯Ge是间接带隙半导体，但加入足够高的Sn含量后可使其变为直接带隙，进而提升量子效率[14,15]。正是基于这些优势，人们一直在努力开发基于Ge_1?xSn_x的光电探测器[[16], [17], [18], [19], [20], [21], [22]]。

我们团队此前已经研究过基于分子束外延生长的Ge_1?xSn_x薄膜的光电二极管，并报道了单一Sn含量条件下器件的红外探测性能[23]。不过，目前尚未对不同Sn含量下器件性能的变化进行系统比较。尤其是应变松弛、高Sn含量带来的缺陷形成以及表面和/或界面态对器件性能的影响，目前仍不够明确。本研究则制备了含有不同Sn含量的Ge_1?xSn_x层的光电二极管，全面分析了这些因素对器件性能的影响。

在本研究中，采用分子束外延法在n型Ge衬底上生长了Sn含量为5.3%、9.3%和12.6%的高质量Ge_1?xSn_x薄膜。随后针对每种Sn含量制备了p-Ge_1?xSn_x/n-Ge光电二极管，并对其性能进行了测试，以研究器件性能与Sn含量的关系。其中，光响应测量是通过基于傅里叶变换红外的特性分析系统完成的[23]，从而能够详细分析器件的光谱响应度和截止波长。

章节节选

实验流程

首先将电阻率为1.11-2.41?Ω?cm的掺Sb的n型Ge(001)晶圆放入NH₄OH:H₂O（比例1:4）混合液中浸泡1分钟进行化学清洗，之后用去离子水冲洗。清洗后的晶圆立即被放入真空装载室，再转移到基础压力约为10^?7?Pa的分子束外延系统主腔中。在430?°C下热闪光处理30分钟后，该晶圆就被用作生长厚度为100纳米的Ge_1?xSn_x层的衬底

材料生长与表征

图2展示了生长在n-Ge(001)衬底上的Sn含量为5.3%、9.3%和12.6%的Ge_1?xSn_x层靠近Ge的

\overline{2} \overline{2} 4

的Ge_1?xSn_x层的倒易点阵位置。根据测得的晶格常数和泊松比，结合维加德定律，可以估算出相应的Sn含量。5.3%和9.3%样品的Ge_1?xSn_x

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