扩散主导的CMOS兼容Si(001)纳米尖阵列上外延GaAs岛的生长机制

《Advanced Physics Research》：Diffusion-Governed Growth Mechanisms of Epitaxial GaAs Islands on CMOS-Compatible Si(001) Nanotip Arrays

　　

在这项工作中，研究人员采用气体源分子束外延（gas-source molecular beam epitaxy, GS-MBE）结合纳米异质外延（nanoheteroepitaxy, NHE）技术，研究了CMOS兼容Si(001)纳米尖晶圆上砷化镓（gallium arsenide, GaAs）岛的扩散控制生长机制和动力学。嵌入二氧化硅（silicon dioxide, SiO₂）基体中的Si纳米尖作为预定义成核位点。分析了间距（纳米尖中心到中心的距离）对岛生长的影响。能量色散X射线光谱（energy-dispersive X-ray spectroscopy, EDX）和扫描电子显微镜（scanning electron microscopy, SEM）证实了GaAs仅在纳米尖上选择性生长，而在周围的SiO₂上没有寄生成核。顶视SEM图像的统计分析显示，在0.5至2 μm间距阵列之间，投影岛面积减少约29%。间距依赖性揭示了三种表面扩散控制区域：（i）间距小于Ga吸附原子扩散长度时的集体扩散介导生长；（ii）间距与扩散长度相当时的交叉区域；（iii）较大间距下的扩散受限孤立生长。这些区域表明，SiO₂掩模上的横向Ga吸附原子输运决定了材料的再分布和并入。根据间距相关的尺寸转变，在580°C富砷条件下提取到Ga表面扩散长度为0.8–0.9 μm。因此，阵列几何结构直接控制质量输运、并入效率和岛尺寸。GaAs NHE因此能够通过间距依赖的表面扩散实现动力学控制。

III–V族半导体纳米结构，特别是砷化镓（GaAs），因其近红外直接带隙和优异的光电性能而备受关注，有望用于激光器和发光二极管。然而，将GaAs集成到硅（Si）光子平台面临根本性材料不相容问题：晶格失配约4%，热膨胀系数失配超过50%，以及GaAs/Si界面的极性/非极性性质。这些因素导致高密度结构缺陷，如失配位错、穿透位错和反相畴。为克服这些挑战，已有多种自下而上生长策略，包括SiGe缓冲层、选择性区域生长（selective area growth, SAG）、外延横向过生长（epitaxial lateral overgrowth, ELO）和深宽比捕获（aspect ratio trapping, ART）。纳米异质外延（nanoheteroepitaxy, NHE）作为一种有前景的集成路线，采用嵌入二氧化硅（SiO₂）基体中的预图案化Si纳米尖（nanotips, NTs）作为局域形核位点。NHE的关键优势是顺应效应，可通过在生长层和Si纳米尖之间重新分配应变能来促进应变释放，从而降低塑性弛豫驱动力，减少缺陷和热裂纹。此外，纳米尺度形核的界面面积减小降低了扩展缺陷传播和互扩散缺陷的概率，而Si纳米尖的有限横向延伸有助于在Si种子区形成单台阶平台，降低反相畴密度。NHE还可以通过改变纳米尖图案和间距（尖端到尖端距离）精确控制形核位置，为系统研究III–V族在Si上的选择性生长机制提供了平台。研究人员此前已报道了在CMOS兼容Si(001)纳米尖晶圆上利用气体源分子束外延（gas-source molecular beam epitaxy, GS-MBE）进行GaAs纳米岛的NHE生长。为了控制岛尺寸，需要更深入地理解NHE中的生长动力学和有效生长速率。因此，本研究采用不同几何形状的Si纳米尖阵列，研究间距大小对GaAs岛生长及其控制机制的影响。

实验部分，Si纳米尖是在基于SiGe BiCMOS技术的0.13 μm试产线上，于200 mm Si(001)晶圆上制造的。纳米尖排列成方形阵列，间距分别为0.5、0.8、1和2 μm，并嵌入SiO₂基体中。晶圆被切割成2×2 cm²的样品，每个样品包含所有四种间距，以便在同一轮生长中在相同条件下直接比较。样品经Piranha溶液清洗去除有机污染物，再用氢氟酸（HF）浸泡20秒去除纳米尖表面的自然氧化物。随后，样品被装入Riber 32-P GS-MBE系统的预生长室，在200°C加热1小时脱附残留水分，然后转移到生长室在720°C退火5分钟。GaAs生长在580°C下进行，该温度处于GaAs选择性生长的优化范围内。生长过程中，热裂解砷化氢（AsH₃）流量为3 sccm，Ga通量对应平面GaAs标称生长速率为180 nm h^?1。生长后，使用扫描电子显微镜（SEM）、能量色散X射线光谱（EDX）和高分辨X射线衍射（HRXRD）进行表征。

研究结果方面，EDX元素图谱显示，Ga和As信号仅出现在纳米尖区域，周围的SiO₂掩模上没有检测到寄生形核，证实了GaAs的选择性生长。HRXRD测量表明，所有样品中的GaAs岛均为完全弛豫状态，晶格常数a_GaAs=5.6532 ?，与GaAs体材料一致，确认了闪锌矿晶体结构。顶视SEM图像的统计分析显示，生长3小时的GaAs岛，其平均投影面积从0.5 μm间距的0.053 μm²减小至2 μm间距的0.038 μm²，减少约29%；其中0.5至0.8 μm减小约19%，0.5至1–2 μm减小约26%–29%，而1 μm和2 μm之间的差异小于3%。这表明存在间距依赖的尺寸转变。研究人员根据这一行为将生长分为三种表面扩散控制区域：(i) 集体扩散介导生长（P < L_D），此时尖端间距小于Ga吸附原子扩散长度，相邻纳米尖的扩散场重叠，几乎所有落在SiO₂掩模上的Ga吸附原子都能到达纳米尖，导致并入效率提高和岛体积增大；(ii) 交叉区域（P ≈ L_D），出现在约0.8 μm间距，扩散场部分重叠，捕获效率开始饱和；(iii) 扩散受限孤立生长（P > L_D），此时每个尖端的几何面积超过有效扩散捕获面积，远离纳米尖的Ga吸附原子无法有效贡献于岛生长，岛尺寸趋于与间距无关，由有限扩散长度决定。由转变区域估算，Ga吸附原子在SiO₂上的扩散长度L_D约为0.8–0.9 μm。假设吸附原子并入特征时间为10^?3 s，得到表面扩散系数D_s≈7×10^?6 cm²s^?1，与文献报道一致。倾斜45°的SEM图像显示，岛的高度同样受间距影响：生长3小时，0.5 μm间距时高度约340 nm，1 μm间距时约285 nm，减小约16%。这些结果证实间距不仅影响投影面积，还影响总岛体积。岛屿呈现出多种晶体学小面，包括{111}、(001)和{110}，这些形貌源于形核位点几何、恒定体积下表面能最小化以及外延过程中的动力学效应之间的复杂相互作用。

讨论部分指出，间距依赖的岛尺寸表明SiO₂掩模上的横向质量输运主导了NHE生长过程。掩模充当扩散表面，向纳米尖供应Ga吸附原子，而阵列几何直接控制有效捕获效率。所提取的扩散长度和扩散系数代表选择性生长系统中Ga吸附原子的有效扩散参数，而非平面SiO₂表面的内在值。在富砷生长条件下，表面输运主要由Ga吸附原子扩散主导，过量As主要稳定表面重构，对长程质量输运影响较小。因此，观察到的间距依赖性主要归因于Ga吸附原子有效收集面积的变化。

结论部分，研究人员总结了扩散控制的生长机制和动力学。通过NHE方法在图案化Si(001)纳米尖阵列上生长的弛豫GaAs纳米岛，岛尺寸分析揭示了三种表面扩散控制区域：集体扩散介导生长（P < 0.8 μm）、交叉区域（P ≈ 0.8 μm）和扩散受限孤立生长（P > 0.8 μm）。这些区域的识别表明，SiO₂掩模上的横向Ga吸附原子扩散控制了纳米尖的材料供应。从间距依赖的岛尺寸转变中