原位快速监测锗多量子阱互扩散的实验室级方法及其对结构与光学性质的影响

《Advanced Physics Research》：Rapid Lab-Based In Situ Monitoring of Germanium Multiple Quantum Wells Interdiffusion

　　

摘要专业翻译 研究了采用工业标准化学气相沉积法在硅衬底上生长的Ge/Si0.18Ge0.82多量子阱（MQW）中硅-锗（Si-Ge）互扩散现象及其对结构与光学性质的影响。该结构包含186个周期，每周期厚27 nm，研究人员通过原位高分辨率X射线衍射（HR-XRD）在700°C至760°C温度范围内、短时退火（≤30 min）过程中对其进行了研究。超晶格峰强度的演化揭示了符合阿伦尼乌斯型扩散行为，其激活能约为3.4 eV。提取的互扩散系数与Dong模型（包含应变相关修正）吻合良好。微区光致发光（μ-PL）测量显示同时存在直接（Γ-HH）和间接（L-HH）光学跃迁。退火过程导致带隙展宽，并引起量子限制的逐步退化。在完全互混之前，观察到Γ跃迁约0.25 eV的蓝移。这些结果凸显了互扩散对结构和光学性质的强烈影响，强调了在CMOS兼容光电器件中精确热控制的重要性。

论文解读文章

一、研究背景与问题提出

硅基光电子集成是延续摩尔定律、拓展芯片功能的重要路径。锗（Ge）与硅锗（SiGe）异质结构量子阱（QW）的引入，为硅CMOS技术平台增添了多项新功能，例如中红外与远红外集成光子学中的有源层、二次谐波发生器、集成PIN调制器、光电探测器、量子级联激光器及量子阱红外探测器等。先进的外延工艺，如减压化学气相沉积（RP-CVD）或超高真空化学气相沉积（UHV-CVD），已能制备具有数百个量子阱模块、界面陡峭的高质量Ge/SiGe多量子阱（MQW）结构。

然而，实现这些厚结构的关键障碍之一，是沉积和制造工艺中相对较大的热预算。工艺伴随的热量会在异质界面处诱发Si-Ge互扩散，显著改变量子阱的组分分布，进而直接影响能带排列，并最终影响量子阱内的辐射复合过程。以往基于X射线衍射（XRD）的研究主要采用对称（004）和非对称（224）反射来评估薄Ge/SiGe异质结构中的应变与弛豫，且互扩散监测多为离位（ex situ）进行，退火时间较长（约2-11小时）。为更深入理解互扩散过程的动力学及其对MQW叠层中组分分布和应变的影响，亟需一种能够在热处理过程中实时监测结构变化的方法。

二、研究内容与主要结论

针对上述问题，研究人员开展了一项基于原位高分辨率X射线衍射（in situ HR-XRD）的研究，在样品经受热处理的同时采集测量数据。研究对象为包含186个MQW重复周期的样品，在700°C至760°C的温度范围内进行短时（最长30分钟）退火，并以约1分钟的时间间隔进行测量。通过分析XRD谱图的温度和时间演化，研究人员定量描述了互扩散现象，并将结果与既有文献及Dong等人的理论模型进行了对比验证。同时，利用每一步温度处理后的光致发光（PL）测量，研究了局部互扩散对结构光学性质的影响。

研究得出以下主要结论：互扩散过程遵循阿伦尼乌斯型行为，激活能约为3.4 eV；实验提取的互扩散系数与Dong模型（含应变修正）预测值高度吻合；退火诱导的互扩散导致量子阱带隙展宽和量子限制逐步退化，在完全互混前观察到Γ跃迁约0.25 eV的蓝移；当缓冲层Ge含量增至约94%时，激活能升高至3.4 eV，表明高Ge浓度下互扩散更加困难。这些发现为锗富集异质结构中的扩散控制提供了重要见解，有助于设计热稳定性更高、性能更优的IV族光电器件。

三、主要关键技术方法

研究人员采用以下关键技术方法开展研究：利用工业标准RP-CVD系统在200 mm Si(001)衬底上外延生长MQW结构，先沉积约1-1.5 μm厚的Si_0.06Ge_0.94虚拟衬底（VS）以降低穿透位错密度（TDD）并设定面内晶格常数，随后在500°C下生长186个周期的Ge/Si_0.18Ge_0.82 MQW模块，总厚度约5.5 μm；采用扫描透射电子显微镜（STEM）和能量色散X射线光谱（EDX）评估结晶度、层厚及界面质量；利用Rigaku SmartLab SE衍射仪（9 kW旋转铜阳极，Ge(400)×2通道切单色器，HyPix-3000 2D探测器）进行原位HR-XRD测量，选择(113)反射面使探测器平面几乎平行于Q_z散射轴，实现实时监测；采用微区光致发光（μ-PL）光谱（1064 nm红外泵浦激光，HORIBA iHR-320光谱仪，InGaAs探测器，80 K低温恒温器）表征光学性质变化。

四、研究结果

4.1 退火温度对Ge MQWs XRD性质的影响

室温XRD显示MQWs具有约-0.1%的平均残余压应变。研究人员依据Capellini等人的方法，推算在700°C-760°C范围内高温下面内应变约为-0.30%至-0.32%。退火过程中，高阶超晶格（SL）峰强度随退火温度升高而更快衰减，这源于类德拜-沃勒项对高阶信号的阻尼效应。在750°C退火后，量子阱结构因互扩散完全退化，仅剩组分为x≈0.94的单一SiGe合金层。通过分析一阶SL峰强度的对数衰减，研究人员确定了互扩散系数D，并利用阿伦尼乌斯方程拟合得到激活能E_a = 3.39 ± 0.57 eV（95%置信区间[2.82, 3.97] eV）和前置因子D₀ = 2.25 × 10¹ cm²/s。该激活能值高于文献中较低Ge含量缓冲层的结果，表明Ge含量升高使互扩散更难发生。

4.2 SiGe互扩散系数

研究人员将实验提取的互扩散系数与Dong模型预测值进行了对比。Dong模型将互扩散系数表示为Si和Ge自扩散系数的组分依赖之和，并包含热力学因子修正。模拟结果显示，700°C下互扩散慢于760°C，温度从700°C升至760°C使互扩散增大约一个数量级。在Ge缓冲层组分x_Ge = 0.94处，实验提取的互扩散系数与弛豫Dong模型曲线拟合极佳，但略低于Meduňa等人的文献值，主要归因于更高的Ge含量抑制了互扩散。考虑应变修正后，计算得到的互扩散系数略微升高，但仍处于文献数据范围内。在本研究温度范围内，应变敏感参数为正值（700°C时为31.17 eV/应变，760°C时为26.31 eV/应变），应变引起的增强因子约为3倍，表明扩散主要由组分和温度控制。

4.3 退火温度对Ge MQWs PL性质的影响

μ-PL光谱揭示了两种发射带，分别对应导带Γ谷（Γ₀）和L谷（L₀）第一受限态与重空穴价带（HH₀）之间的辐射复合。间接L₀-HH₀跃迁在0.718和0.774 eV处观察到声子伴峰，与纵向声学（LA）声子能量E_LA = 28 meV一致。Γ₀-HH₀跃迁能量随温度升高而红移，符合Varshni关系，外推得到E(0) = 0.92 eV。功率依赖测量显示PL强度随激发功率增加，指数m接近参考值2，表明Shockley-Read-Hall（SRH）复合是主要非辐射机制。退火样品系列中，在700°C-730°C范围内观察到直接和间接带隙相关PL能量明显蓝移，归因于Si-Ge互扩散导致的量子阱组分变化和界面组分梯度改变。Γ相关发射在720°C以下仍清晰可见，超过此温度后变得不明显，表明互扩散显著削弱了量子阱势垒并改变了能带排列。在750°C时，量子阱完全消失，PL谱呈现单一宽峰（0.85 eV），对应完全互混的Ge_0.94Si_0.06合金的间接L谷复合。

五、总结与讨论

本研究为锗富集异质结构中的扩散控制提供了重要见解，有助于设计热稳定性更高的高性能IV族光电器件，如高Ge浓度的量子级联激光器。高分辨率TEM分析证实了Si_0.18Ge_0.82/Ge异质结构的高结晶质量和清晰界面。μ-PL测量显示光谱蓝移可持续至约720°C-730°C，展示了可控光学工程的可能性；超过此温度后量子阱退化并最终消失。原位XRD测量表明，将缓冲层Ge含量提高至约94%可使激活能升至3.4 eV，意味着高Ge浓度下互扩散更加困难。Dong模型作为弛豫SiGe合金的参考，成功评估了组分和应变对MQW结构中互扩散的作用：在x_Ge = 0.94处，实验互扩散系数与弛豫模型预测完美契合；施加Dong应变修正后结果略微升高，与文献值匹配更佳。研究采用的时间分辨MQW峰记录方法实现了更快的数据采集，为后续大规模样品研究以阐明SiGe及GeSn合金中互扩散的组分和应变依赖激活能奠定了基础。