선택적 에피택시 성장과 선택적 습식 에칭 방법을 통합하여 고품질 및 변형 완화 GeSn 마이크로디스크 제조
초록
GeSn은 온칩 광자 및 나노전자 장치의 제조를 위한 유망한 재료입니다. 따라서 에피택시, 어닐링, 이온 주입 및 에칭을 포함한 GeSn 전용 처리 기술이 개발되었습니다. 이 연구에서는 GeSn 합금에 에칭을 하지 않고 새로운 접근 방식을 통해 부유, 변형 완화 및 고품질 GeSn 마이크로디스크를 구현했습니다. GeSn 합금은 저온에서 분자 빔 에피택시에 의해 사전 패턴화된 Ge(001) 기판에서 성장되었습니다. 투과전자현미경과 주사전자현미경을 통해 GeSn 시료의 미세구조를 확인하였다. Ge 받침대의 직경이 다른 마이크로 디스크는 선택적 습식 에칭 시간을 제어하여 제작되었으며, 마이크로 라만 결과는 나머지 Ge 받침대의 치수가 다른 마이크로 디스크가 변형 완화 정도가 다름을 보여줍니다. 마이크로디스크의 압축 변형은 적절한 조건에서 거의 완전히 이완됩니다. 이 연구에서 제시한 반도체 처리 기술은 다양한 Si 호환 포토닉스, 3D-MOSFET 및 마이크로 전자 기계 장치 애플리케이션을 위한 혁신적인 GeSn 및 기타 재료 기반 마이크로/나노 구조를 제조하는 대안 방법이 될 수 있습니다.
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소개
CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)와 호환되는 IV족 재료인 GeSn(게르마늄-주석)은 최근 몇 년 동안 전자공학 및 광전자공학 분야의 응용 분야에서 상당한 주목을 받았습니다. 더 많은 Sn을 Ge로 합금하면 캐리어 이동도를 개선할 수 있을 뿐만 아니라 밴드갭을 간접 전이에서 직접 전이로 변경할 수 있습니다[1, 2]. 이론적 작업[3,4,5]과 광발광 기반 실험 연구[6,7,8]에 따르면 이완된 GeSn 합금에 대한 간접-직접 전이는 6.5% 이상의 Sn 함량에서 발생합니다. 그러나 Ge[9, 10]에서 Sn의 낮은(1%) 평형 용해도와 Ge와 α-Sn 사이의 큰 격자 불일치(~ 15%)는 치환 Sn의 몇 원자 %. 저온 분자빔 에피택시(MBE)[11,12,13,14,15], 화학 기상 증착(CVD)[16,17,18,19,20]과 같은 비평형 성장 기술의 사용 및 고체상 에피택시[21, 22]가 절실히 필요합니다.
변형이 완화된 Ge 가상 기판 또는 Ge 기판에서 성장한 GeSn 합금의 경우 가장 높은 품질의 GeSn은 부정합 및 나사 전위의 형성을 피할 수 있는 유사형 또는 완전 변형 상태에서 달성될 것으로 예상됩니다. 그럼에도 불구하고, 이러한 GeSn 합금은 압축 변형되고(1% Sn당 ~ 0.15%), 이러한 에피택시 유도 변형은 밴드갭 변환을 위해 Sn과 Ge를 합금하는 효과를 무효화합니다. 결과적으로 직접적인 밴드갭을 달성하려면 Ge(001)[23]의 유사형 GeSn 에피층에 대해 17%의 훨씬 더 높은 Sn 함량이 필요하며, 이는 에피택시 및 낮은 재료 품질에 대한 매우 높은 문제로 이어집니다. 따라서 GeSn 에피층의 결정 품질을 희생하지 않고 변형률을 조작하는 것이 매우 중요한 문제가 됩니다. 응력을 유발하는 Ge 가상 기판 또는 GeSn 에피층 아래의 Ge 기판을 선택적으로 제거하여 부분적으로 현탁된 미세 구조를 형성하는 것은 GeSn 필름의 압축 변형을 극복하기 위한 유망한 기술입니다. 예를 들어, 중앙에 지지 기둥이 있는 매달린 GeSn 마이크로디스크가 제작되었습니다[24,25,26,27,28]. 구조는 자유 표면에서 탄성 변형을 통해 GeSn 층의 압축 변형을 완화할 수 있을 뿐만 아니라 GeSn과 주변 매질(공기) 사이의 강한 굴절률 대비로 인해 마이크로디스크 가장자리 근처에 광학 모델을 제한할 수 있습니다. -갤러리 모드 [16, 25]. 지금까지 성장 후 광학 리소그래피와 2차원 GeSn 필름의 하향식 식각을 통해 GeSn 마이크로디스크를 제조하는 방법은 한 가지만 보고되었습니다[16, 24, 29, 30]. 그러나 공정은 성장 후 에칭 공정 동안 열적 불일치 효과를 겪을 수 있으며, 이는 GeSn 마이크로디스크의 재료 품질 저하로 이어질 것입니다. 최근 P.Ponath et al. 고결정성 c의 선택적 영역 성장을 보고했습니다. -axis oriented BTO[31]는 GeSn 미세구조 제작에 영감을 주었습니다. 사전 패턴화된 SiO2에 마지막 단계에서 GeSn 마이크로디스크를 직접 증착함으로써 /Ge 기판 다음 희생 SiO2 다음에 Ge 기판을 선택적으로 에칭 제거 층 제거, 부유 GeSn 마이크로디스크는 기존의 복잡한 성장 후 에칭 공정 없이 제조될 수 있습니다. 이러한 방법은 실행 가능하다면 앞서 언급한 문제를 피할 수 있어 고품질의 변형 완화 GeSn 미세 구조를 얻을 수 있습니다. 또한, 특히 레이어의 정확한 두께 제어가 필요한 복잡한 장치 구조의 3차원 통합에 대해 높은 정확도와 좋은 종횡비로 임의의 패턴을 달성할 수 있는 매우 유망한 방법이기도 합니다.
이 논문에서 GeSn 마이크로디스크 구조는 새로운 방법으로 성공적으로 제작되었다. 선택적 에피택시 성장과 선택적 습식 에칭의 간단한 단계를 결합하여 GeSn 마이크로 디스크를 준비한 것은 이번이 처음입니다. GeSn 에피층의 두께, Sn 농도 및 결정 품질은 고해상도 투과 전자 현미경(HRTEM) 및 이차 이온 질량 분석(SIMS)으로 특성화되었습니다. 주사 전자 현미경(SEM)과 마이크로 라만 분광법(μ-Raman)을 사용하여 제작된 GeSn 마이크로 디스크의 미세 구조에 대한 통찰력을 얻었습니다. 실온(RT) μ-Raman 결과는 나머지 Ge 받침대의 치수가 다른 마이크로디스크가 변형 완화의 정도가 다름을 보여줍니다. 마이크로디스크의 압축 변형은 적절한 조건에서 거의 완전히 이완됩니다. GeSn 자체를 에칭할 필요 없이 마이크로디스크를 제조하는 이 방법은 이완된 고품질 GeSn 및 기타 재료 나노구조를 얻는 데 유리합니다.
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방법
자료
Ge 웨이퍼는 AXT 사에서 구입했습니다. 아세톤, 이소프로필 알코올, 불화수소산, 에틸 알코올, 과산화수소, 암모니아 수용액 및 수산화칼륨은 Sinopharm Chemical Reagent(중국)에서 공급했습니다. 탈이온화 H2 O(18.2 MΩ·cm)는 한외여과 시스템(Milli-Q, Millipore, Marlborough, MA)에서 얻었습니다.
패턴화된 Ge 기질의 준비
Ge(001) 웨이퍼(n형, 0.025–0.031 Ωcm)를 먼저 아세톤과 이소프로필 알코올에 3분 동안 담근 다음 희석된 불화수소산 용액(HF:H2 O =1:20) RT에서 20초 동안. 그 다음 탈이온화된 H2를 실행하여 헹구었습니다. O (DI–H2 영형). 세척 절차가 중요합니다. 특히 HF 처리를 통해 기본 산화물 층을 벗겨내고 Ge 표면이 깨끗하고 다음 SiO2와 밀접하게 접촉하도록 합니다. 층. 이 경우 리프트 오프 프로파일은 Si/SiO2의 증착에 의해 달성됩니다. 복합층. 그런 다음 건조 N2을 불어서 웨이퍼를 건조했습니다. 플라즈마 강화 화학 기상 증착(PECVD)의 초고진공(UHV) 챔버에 빠르게 로드하고 300°C에서 20분 동안 어닐링하여 완전히 가스를 제거합니다. 그런 다음 300 nm SiO2 도 1a에 도시된 바와 같이 PECVD에 의해 동일한 온도에서 증착된 후 RT에서 마그네트론 스퍼터링에 의해 50nm 도핑되지 않은 다결정 Si가 증착되었다. Si/SiO2의 원형 개구부 복합 층은 표준 포토리소그래피 기술(그림 1b)과 2단계 에칭 공정(그림 1c, d)을 사용하여 패턴화됩니다.