GeSiSn 나노섬 및 변형층을 포함하는 반도체 필름의 형태, 구조 및 광학적 특성

결과 및 토론

0 ~ 16% 범위의 Sn 함량에서 150°C의 온도에서 얇은 GeSiSn 필름 성장이 연구되었습니다. 변형 축적은 GeSiSn과 Si 격자 매개변수 간의 불일치로 인해 GeSiSn 층 증착 동안 발생합니다. 2D에서 3D로의 전환은 특정 두께에서 관찰됩니다. Ge_0.6의 예에서 2D-3D 전환을 결정하는 절차 Si_0.28 Sn_0.12 성장은 그림 1에 나와 있습니다. Ge_0.6 이전의 Si 표면에서 초기 RHEED 패턴이 있습니다. Si_0.28 Sn_0.12 막 증착(그림 1a), Ge_0.6에 의해 형성된 최종 RHEED 패턴(그림 1c) Si_0.28 Sn_0.12 아일랜드 어레이와 습윤층, 그림 1a에서 화살표로 표시된 수직 프로파일의 시공간 강도 분포 및 수평 프로파일 강도의 의존성(그림 1a의 시공 강도 분포에 표시된 수평 프로파일). 1b) Ge_0.6에서 Si_0.28 Sn_0.12 필름 두께(그림 1b). 2D-3D 전환 모멘트는 급격한 강도 증가 영역의 두께(그림 1b)에 강도 플롯에 대한 접선을 플로팅하여 결정되었습니다. 이러한 접근 방식은 일반적으로 허용됩니다[21].

GeSiSn 막 성장 중 2D-3D 전환 모멘트 측정:a Ge_0.6 이전의 Si(100)-(2 × 1) 표면의 RHEED 패턴 Si_0.28 Sn_0.12 성장이 표시됨, b 그레이 스케일의 수직 프로파일의 시공 강도 분포와 증착된 Ge_0.6에 대한 수평 프로파일의 강도 의존성 Si_0.28 Sn_0.12 필름 두께. 프로필은 (a ) 및 (b ) 및 c 1.91nm 두께 Ge_0.6 이후의 최종 RHEED 패턴 Si_0.28 Sn_0.12 증착

고정 Ge 함량과 0~16%의 Sn 함량을 갖는 GeSiSn 필름의 조성에 대한 임계 2D-3D 전환 두께의 의존성은 위에서 설명한 2D-3D 전환 기술을 사용하여 구축됩니다(그림 2). 이전에 GeSiSn과 Si 사이의 다른 격자 불일치에서 150–450°C의 온도 범위에서 GeSiSn 필름의 형태학적 상태에 대한 운동 다이어그램이 발표되었습니다[14]. 키네틱 다이어그램 분석을 기반으로 임계 2D-3D 전이 두께가 최대값에 도달하고 Sn 편석이 억제되는 150°C의 최적 온도가 결정되었습니다. 온도 및 조성에 대한 임계 2D-3D 천이 두께에 해당하는 곡선 아래의 GeSiSn 막 두께 값은 유사형 막의 존재 영역을 결정합니다. Sn 함량이 0에서 16%로 증가함에 따라 임계 2D-3D 전이 두께의 감소가 곡선에서 관찰됩니다(그림 2). 이러한 거동은 변형률 효과로 설명됩니다. Sn 함량이 0에서 16%로 증가(예:Ge_0.6) Si_0.28 Sn_0.12 성장, 결과 Ge_0.6 사이의 격자 매개변수 불일치 증가 Si_0.28 Sn_0.12 및 Si를 각각 2.5%에서 5.6%로 낮추고 시간을 줄이고 결과적으로 3차원 나노섬으로의 전이 두께를 줄입니다. Ge 함량이 30%인 곡선에서 나타나고 Sn 함량이 3~10%에서 끝까지 관찰되는 특성은 완전히 명확하지 않습니다. 임계 2D-3D 전이 두께의 크기를 알면 유사 형태 GeSiSn 필름을 얻고 GeSiSn/Si 이종 접합이 있는 다층 주기 구조에서 이를 사용할 수 있습니다. 우리의 실험에서 임계 2D-3D 전이 두께를 결정하는 정확도는 0.06nm이며 주로 소스 작동 불안정으로 인한 Si 유량 유지의 부정확성에 의해 결정됩니다.

중요한 2D-3D 전이 두께는 Ge 함량의 여러 고정 값, 0 ~ 16%의 Sn 함량 및 150°C의 성장 온도에서 GeSiSn 필름 조성에 의존합니다.

앞서 얻은 운동 다이어그램의 기반에서 유사형 층 두께의 선택[16]과 조성에 대한 임계 2D-3D 전이 두께의 의존성(그림 2)은 단일 GeSiSn 층뿐만 아니라 이러한 층을 사용하여 성장시킬 수 있습니다. 다층 주기적 구조에서. GeSiSn 층이 Si 층으로 덮인 주기적인 GeSiSn/Si 구조에서 문제는 Si 표면으로의 Sn 편석으로 인해 발생합니다. Sn 편석은 Sn 표면 농도에 따라 표면 재구성과 전체 시리즈의 상부 구조의 출현으로 이어진다. RHEED 사진에서 관찰된 상부 구조에 해당하는 Sn 코팅을 이해하기 위해 Si(100) 및 Ge(100)에서 Sn 성장 동안 표면 재구성에 대한 조사가 필요했습니다. 상부구조의 변화에 ​​대한 위상도는 100–750 °C의 온도 범위에서 작성되었습니다. Si(100)의 Sn 성장에 대한 유사한 다이어그램이 [17]에 처음 제시되었습니다. Ueda et al. 실온에서 Sn을 증착한 후 어닐링합니다. 그들은 필름을 어닐링한 후에야 상부 구조를 관찰했습니다. 우리의 실험에서 Sn은 100°C의 온도에서 증착되었으며 재구성된 Si(100–(2 × 1) 표면에 얻어졌습니다. 750°C까지의 온도 증가는 상부 구조 시리즈의 형성을 초래했습니다. 표면(그림 3). Sn-Si 결합 에너지에 대한 Si(100) 표면에 흡착된 Sn 원자의 위치 효과는 [18]의 광전자 분광법에 의해 연구되었다. Sn-Si 결합 에너지 감소는 Sn 커버 증가 따라서 Si(100)에서 Sn 성장 동안 발생하는 모든 재구성은 표면 시스템 에너지의 감소로 설명될 수 있습니다. 3차원 성장으로의 전환은 Sn과 Si 사이의 격자 매개변수 불일치 19%까지 3.2 ML(단층) Sn 두께막에서 다결정막 외관이 [17]에서 관찰되었으며 다결정막 형성은 Sn막의 낮은 증착 온도에 기인한다. 같은 논리가 Sn과 관련이 있습니다. Ge(100) 표면의 성장. 현재 Ge(100)의 Sn 상부구조에 대한 기여는 문헌에 보고되지 않았습니다.

성장 중 상부 구조 변화의 위상 다이어그램:a Sn on Si(100) 및 b Sn on Ge(100)

다이어그램에 표시된 상부 구조는 온도 증가 및 감소에 따라 나타납니다. 이러한 위상 다이어그램은 GeSiSn 층 위의 Si 성장에서 표면의 Sn 농도를 결정하는 데 도움이 됩니다. 주기적 구조 성장 동안 Si 표면에 나타나는 상부 구조는 위상 다이어그램에 표시된 온도와 다른 온도에서 관찰할 수 있습니다. Si 층은 400–500°С 온도에서 GeSiSn 표면에 증착됩니다. 그러나 그림 3에 제시된 전체 온도 범위에 대해 특징적인 상부 구조가 나타날 수 있습니다. GeSiSn/Si 이종접합이 있는 구조의 생성은 Sn 편석과 관련된 2-도메인(5 × 1) 상부 구조의 형성을 방지해야 하며, 유사형 층을 사용한 다층 주기적 구조 형성의 방해물입니다(그림 4a). ). GeSiSn 층 위의 Si 성장에서 Sn 편석을 억제하는 가장 간단한 방법은 두 단계의 Si 성장입니다. 첫 번째 단계는 실온에서 1-2nm 두께의 Si 층 증착을 포함합니다. 추가 Si 성장은 400–500°С의 온도에서 계속됩니다. 이 온도는 GeSiSn 층의 Sn 함량에 의해 결정됩니다. 다층 주기 구조에서 GeSiSn 층의 Si 성장 동안 발생하는 주요 상부 구조 계열은 (2 × 1) + (2 × N), c(8 × 4), (4 × 1), (6 × 1) , 그리고 (5 × 1). 또한, Si 표면에서 2-도메인(10 × 1) 상부구조가 관찰된다(그림 4b). 이 상부구조는 Si와 Ge에 대한 Sn성장 실험에서는 나타나지 않았지만 400~500°C의 온도에서 단시간 어닐링하는 동안 사라지기 때문에 최소 Sn 코팅에 해당한다고 할 수 있다. × 1) 상부구조가 나타나며, 이는 Si 표면의 특징이다.

방위각 [110] 방향의 다층 주기 구조에서 GeSiSn 층의 Si 성장에서 관찰된 상부 구조:a (5 × 1) 및 b (10 × 1)

유사형 층 또는 GeSiSn 나노섬 어레이를 포함하는 주기적 구조가 얻어졌다. GeSiSn 막 형태 상태의 운동 다이어그램을 사용하여 다층 주기 구조의 GeSiSn 섬 어레이를 조사했습니다. Ge_0.75의 STM 사진 Si_0.2 Sn_0.05 첫 번째 기간(그림 5a)과 다섯 번째 기간(그림 5b)에 400nm × 400nm의 스캔 크기로 나노섬 어레이가 있는 표면이 표시됩니다. 아일랜드 어레이는 250°C의 성장 온도에서 얻어졌습니다. 섬 개수 분포의 히스토그램도 그림 5에 나와 있습니다. 밀도가 5.18 × 10 ¹¹ 인 섬 cm ⁻² 평균 크기 8.95nm는 그림 5c에 나와 있습니다. 입금된 Ge_0.75 Si_0.2 Sn_0.05 막 두께는 1.78nm였습니다. 다섯 번째 기간의 평균 섬 크기는 약 4nm이고 섬 밀도는 1.8 × 10 ¹² 에 이릅니다. sm ⁻² Ge_0.75의 유효 두께에서 Si_0.2 Sn_0.05 필름 1.89nm이며 그림 5d의 히스토그램에서 따릅니다. 밀도가 3.5배 증가하고 섬 크기가 2배 감소하는 것은 주기 수가 증가함에 따라 Si 표면의 Sn 분율이 증가하는 것과 관련이 있을 수 있습니다. 이 진술은 (2 × 1) 및 (2 × N)에서 c(8 × 4) 표면 구조로 GeSiSn 층 위의 Si 막 성장 동안 RHEED 패턴에 의해 관찰된 상부 구조의 변화에 ​​의해 확인됩니다. c(8 × 4) 상부 구조의 형성은 성장 온도 400°С에서 0.4 단층(ML)의 피복 두께에서 시작하여 Si에서 Sn 성장 과정 동안 발생합니다. 성장 온도를 100°С로 낮추면 섬 밀도를 높일 수 있지만 표면 품질은 더 나빠집니다. 성장 온도가 250°C 이상으로 증가하면 Sn 분리가 향상됩니다. 따라서 아일랜드 어레이가 있는 GeSiSn 층의 최적 성장 온도 범위는 150–250°C이며, 2D 성장 메커니즘에 해당하는 GeSiSn 습윤 층 성장에서 정반사 진동이 관찰됩니다.

Ge_0.75의 STM 이미지 Si_0.2 Sn_0.05 스캔 크기가 400nm × 400nm인 표면:a Ge_0.75 Si_0.2 Sn_0.05 첫 번째 기간에 표면, b Ge_0.75 Si_0.2 Sn_0.05 다섯 번째 기간의 표면; Ge_0.75에 대한 베이스의 크기에 대한 섬의 수에 대한 분포 히스토그램 Si_0.2 Sn_0.05 영화:c 첫 번째 기간(Ge_0.75 Si_0.2 Sn_0.05 필름 두께는 1.78nm임) 및 d 다섯 번째 기간(Ge_0.75 Si_0.2 Sn_0.05 필름 두께는 1.89nm임)

다층 구조의 결정질 완전성은 투과 전자 현미경(TEM)에 의해 연구되었습니다. Ge_0.5의 다층 구조에 대한 TEM 이미지 Si_0.45 Sn_0.05 /Si 이종접합과 25nm 주기가 그림 6에 나와 있습니다. TEM 데이터에서 우리 샘플은 스레딩 전위를 포함하지 않고 날카로운 경계면으로 완벽한 결정체라는 결론을 내릴 수 있습니다. 다층 주기 구조의 유사 GeSiSn 막 상태, 결정 격자 및 변형은 TEM의 도움으로 얻은 데이터 분석을 기반으로 [14]에서 논의됩니다. GeSiSn 막 조성은 Si, Ge 및 Sn 흐름을 설정하여 결정되었습니다. Si, Ge 및 Sn의 성장 속도는 석영 두께 측정기로 측정되었습니다. GeSiSn 막 조성은 X선 회절법으로 확인하였다. 분석 결과 세트 구성과 측정 구성이 모두 일치하는 것으로 나타났습니다.

아 Ge_0.5를 포함한 다층 구조의 TEM 이미지 Si_0.45 Sn_0.05 25nm 주기의 이종 전이. ㄴ 동일한 구조의 고해상도 TEM 이미지

GeSiSn 층이 있는 다층 주기 구조의 광학 특성은 Sn 함량이 다른 구조에 대한 광발광에 의해 조사되었습니다. 이 구조는 0.6~0.8eV 범위에서 광발광을 나타내었으며 이는 1.45~2μm의 파장 범위에 해당합니다(그림 7). 0.78, 0.69, 0.65eV에서 최대 강도를 갖는 광발광 스펙트럼을 얻었습니다. 1.59, 1.8, 1.9μm 파장에 해당하며 각각 3.5, 4.5, 6% Sn에서 관찰됩니다. GeSiSn 층의 Sn 함량 증가는 광학 전이의 에너지 감소와 광발광 강도 증가로 이어집니다. 강도 증가는 GeSiSn 고용층에서 Sn 함량이 높을수록 양자우물의 깊이가 증가하기 때문일 수 있다. 2μm 이상의 파장 범위에서 진행하려면 GeSiSn 층의 Sn 함량을 증가시켜야 합니다. 발광 스펙트럼에서 관찰된 광학적 전이를 결정하려면 GeSiSn/Si 이종 구조의 밴드 다이어그램을 계산해야 했습니다.

유사 형태 GeSiSn 층에서 3.5, 4.5 및 6% Sn 함량을 갖는 다층 주기 구조의 광발광 스펙트럼

GeSiSn/Si 이종 구조 밴드 다이어그램은 모델 고체 이론의 접근 방식을 사용하여 계산되었습니다[20]. 이 모델 내에서 이종접합을 형성하는 두 반도체는 이종접합의 밴드 위치를 결정하기 위해 단일 "에너지" 척도에 넣어야 합니다. 이종접합에서 Ge/Si 이종구조에 대한 원자가 밴드갭 값은 잘 알려져 있으며[22] 0.54eV와 같습니다. 또한 Ge 원자가 밴드는 Si 원자가 밴드보다 에너지에서 더 높습니다. Ge와 Sn 사이의 밴드갭은 [23]에 제시된 모델에서 알려져 있으며 0.69eV[24]입니다. 따라서 Si/Si1-x-y에 대한 이종 인터페이스의 밴드갭 값 Ge _x Sn _y 이종 구조는 다음과 같이 작성할 수 있습니다.

반도체 가전자대가 무겁고 가벼운 정공의 부분대역과 스핀-궤도 상호작용에 의해 분리된 부분대역에 의해 형성되기 때문에; 그런 다음 가전자대의 위치(E _v,av ) 3개의 서브밴드에서 평균화된 값은 밴드갭 및 헤테로구조 밴드 다이어그램의 구성을 결정하는 데 사용됩니다. 스핀-궤도 상호작용에 의해 분할된 서브밴드 뿐만 아니라 헤비 홀 서브밴드 위치를 결정하기 위해 다음 표현식이 사용됩니다.

여기서 HH, LH 및 SO 인덱스는 중공 및 경공 서브밴드와 스핀 분할 서브밴드를 나타냅니다. Δ₀ 값은 반도체의 스핀 궤도 분할 에너지를 나타냅니다. 이종 접합에서 가전자대 부대역 위치를 결정한 후 해당 전도대 골의 위치는 다음 식을 사용하여 결정됩니다.

여기서 인덱스 n =Γ , L , 및 X 해당 계곡 \( {b}_{\mathrm{SiGe}}^n \), \( {b}_{\mathrm{SnGe}}^n \) 및 \( {b}_{\mathrm {SiSn}}^n \)––밴드갭 폭에 대한 선형 법칙의 편차를 고려한 "보잉" 매개변수 \( {E}_{\mathrm{Ge}}^n \),\( { E}_{\mathrm{Si}}^n \) 및 \( {E}_{\mathrm{Sn}}^n \)––해당 밸리의 Ge, Si 및 Sn 밴드 갭. 거의 모든 매개변수는 [24]에서 가져옵니다. 계곡 L에 대한 굽힘 매개변수 그리고 Г [25]에서 가져왔습니다.

이종 접합에서 관심 있는 모든 밴드의 위치를 ​​결정한 후 변형의 영향으로 해당 밴드의 변위를 고려했습니다. 밴드 갭에 대한 변형의 영향은 변형 전위 상수를 사용하여 고려되었습니다[26]. 2차원 레이어가 유사 형태였기 때문에 우리의 경우 표준 접근 방식을 사용하여 변형을 결정했습니다. 이는 예를 들어 [26]에 설명되어 있습니다. 양자 우물 평면의 변형은 ε _xx(yy) =ε _ǀǀ =(아 _GeSiSn − 아 _시 )/아 _시 , 여기서 a --해당 재료의 격자 상수. 양자 우물의 평면에 수직인 방향으로 변형률 값 ε _zz =−2(С ₁₂ /С ₁₁ )ε _xx C를 통해 결정할 수 있습니다. ₁₂ 및 C ₁₁ 결정질 화합물의 탄성 모듈. 고용체 격자 상수는 2차 관계에서 결정되었습니다.

$$ {a}_{\mathrm{Ge}\mathrm{SiSn}}={a}_{\mathrm{Ge}}\left(1-xy\right)+{a}_{\mathrm{Si} }x+{a}_{\mathrm{Sn}}y+{b}_{\mathrm{Si}\mathrm{Ge}}^{\hbox{'}}x\left(1-x\right)+{ b}_{\mathrm{Sn}\mathrm{Ge}}^{\hbox{'}}y\left(1-y\right), $$

여기서 a _게 , 아 _시 , 아 _Sn ––Ge, Si 및 Sn 격자 매개변수 [24], \( {b}_{\mathrm{SiGe}}^{\hbox{'}} \)=− 0.026 Å, \( {b}_{\ mathrm{SnGe}}^{\hbox{'}} \) =0.166 Å––«bowing» 매개변수, Vegard 법칙과의 편차 고려

밴드 다이어그램 계산에 따라 PL 피크는 Si의 X-valley 또는 Δ₄ 사이의 밴드 간 전환에 해당합니다. - GeSiSn 계곡과 GeSiSn 층의 중공 밴드(그림 8).

<사진>

Si/Ge_0.315 Si_0.65 Sn_0.035 /Si 이종 구성 밴드 다이어그램

결론

150°C의 성장 온도에서 0~16%로 변하는 고정된 Ge 함량 및 Sn 함량을 갖는 GeSiSn 층의 조성에 대한 임계 2D-3D 전이 두께 의존성이 결정되었습니다. Si(100) 및 Ge(100) 상의 Sn의 에피택셜 성장에 대한 상부 구조 상 다이어그램이 작성되었습니다. 유사형 층과 최대 1.8 × 10 ¹² 밀도의 GeSiSn 섬 배열을 포함하는 다층 주기 구조 sm ⁻² 얻었다. 처음으로 GeSiSn 층에서 Si가 성장하는 동안 다층 주기 구조에서 약간의 풀림에서 (2 × 1) 상부 구조로 변형되는 (10 × 1) 2-도메인 상부 구조가 관찰되었다. GeSiSn/Si 주기 구조는 1.45~2μm의 파장 범위에 해당하는 0.6~0.8eV 범위에서 광발광을 나타냈습니다. 유사 Ge_0.315 구조의 밴드 다이어그램 계산을 기반으로 합니다. Si_0.65 Sn_0.035 레이어에서 PL 피크는 Si의 X-valley 또는 Δ₄ 사이의 대역 간 전이에 해당합니다. - GeSiSn의 계곡과 GeSiSn 층의 헤비홀 밴드. 장파 영역에서 더 많은 진전을 이루려면 Sn 함량이 큰 구조의 광학적 특성에 대한 조사가 필요합니다.

약어

CVD:

화학 기상 증착

MBE:

분자빔 에피택시

ML:

단층

PL:

광발광

RHEED:

반사 고에너지 전자 회절

STM:

주사 터널링 현미경

TEM:

투과전자현미경

반도체 나노결정으로 인코딩된 고분자 전해질 마이크로캡슐을 기반으로 하는 차세대 치료 물질:개발 및 기능 특성화 모의 태양 조사에서 로다민 B의 분해를 위한 아타풀자이트-TiO2-Ag3PO4 삼원 나노복합체의 광촉매 활성