Ge(001)衬底上分子束外延生长高质量的Ge1-xSnx合金

苏少坚; 张东亮; 张广泽; 薛春来; 成步文; 王启明

doi:10.7498/aps.62.058101

摘要

Ge1-xSnx是一种新型IV族合金材料, 在光子学和微电子学器件研制中具有重要应用前景. 本文使用低温分子束外延(MBE)法, 在Ge(001)衬底上生长高质量的Ge1-xSnx合金, 组分x分别为1.5%, 2.4%, 2.8%, 5.3%和14%, 采用高分辨X射线衍射(HR-XRD)、卢瑟福背散射谱(RBS) 和透射电子显微镜(TEM)等方法表征Ge1-xSnx合金的材料质量. 对于低Sn组分(x 5.3%)的样品, Ge1-xSnx合金的晶体质量非常好, RBS的沟道/随机产额比(min)只有5.0%, HR-XRD曲线中Ge1-xSnx衍射峰的半高全宽(FWHM)仅100'' 左右. 对于x=14%的样品, Ge1-xSnx合金的晶体质量相对差一些, FWHM=264.6''.

关键词:

锗锡合金 /
锗 /
分子束外延

Abstract

As a new group-IV semiconductor alloy, Ge1-xSnx is a very promising material for applications in photonic and microelectronic devices. In this work, high-quality germanium-tin (Ge1-xSnx) alloys are grown on Ge(001) substrates by molecular beam epitaxy, with x=1.5%, 2.4%, 2.8%, 5.3%, and 14%. The Ge1-xSnx alloys are characterized by high resolution X-ray diffraction (HR-XRD), Rutherford backscattering spectra (RBS), and transmission electron micrograph (TEM). For the samples with Sn composition x 5.3%, the Ge1-xSnx alloys each exhibit a very high crystalline quality. The ratio of channel yield to random yield (min) in the RBS spectrum is only about 5%, and the full width at half maximum (FWHM) of the Ge1-xSnx peak in HR-XRD curve is 100''. For the sample with x=14%, the crystalline quality of the alloy is degraded and FWHM is 264.6''.

Keywords:

作者及机构信息

1.
华侨大学信息科学与工程学院, 厦门 361021;

2.
中国科学院半导体研究所, 集成光电子学国家重点实验室, 北京 100083

基金项目: 国家自然科学基金 (批准号: 61036003, 61176013, 60906035, 61177038)和华侨大学科研基金 (批准号: 12BS221)资助的课题.

Authors and contacts

1.
College of Information Science and Engineering, Huaqiao University, Xiamen 361021, China;

2.
State Key Laboratory on Integrated Optoelectronics, Institute of Semiconductors, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100083, China

Funds: Project supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 61036003, 61176013, 60906035, 61177038), and the Science Foundation of Huaqiao University (Grant No. 12BS221).

参考文献

[1]	Soref R A, Friedman L 1993 Superlattice Microst 14 189
[2]	Kouvetakis J, Menendez J, Chizmeshya A V G 2006 Annu. Rev. Mater. Res. 36 497
[3]	Chen R, Lin H, Huo Y, Hitzman C, Kamins T I, Harris J S 2011 Appl. Phys. Lett. 99 181125
[4]	Sun G, Soref R A, Cheng H H 2010 Opt. Express 18 19957
[5]	Roucka R, Mathews J, Beeler R T, Toll J, Kouvetakis J, Menendez J 2011 Appl. Phys. Lett. 98 061109
[6]	Mathews J, Beeler R T, Toll J, Xu C, Roucka R, Kouvetakis J, Menendez J 2011 Appl. Phys. Lett. 97 221912
[7]	Su S, Cheng B, Xue C, Wang W, Cao Q, Xue H, Hu W, Zhang G, Zuo Y, Wang Q 2011 Opt. Express 19 6400
[8]	Sun G, Soref R A, Cheng H H 2010 J. Appl. Phys. 108 033107
[9]	Sau J D, Cohen M L 2007 Phys. Rev. B 75 045208
[10]	Nakatsuka O, Tsutsui N, Shimura Y, Takeuchi S, Sakai A, Zaima S 2010 Jpn. J. Appl. Phys. 49 04DA10
[11]	Han G, Su S, Zhan C L, Zhou Q, Yang Y, Wang L, Guo P, Wang W, Wong C P, Shen Z X, Cheng B, Yeo Y -C 2011 IEEE International Electron Devices Meeting Washington, DC, USA, December 5-7, 2011 p402
[12]	Han G, Su S, Wang L, Wang W, Gong X, Yang Y, Ivana, Guo P, Guo C, Zhang G, Pan J, Zhang Z, Xue C, Cheng B, Yeo Y -C 2012 Symposia on VLSI Technology, Hilton Havaiian Village, Honolulu, Hawaii, June 12-14, 2012 p97
[13]	Su S, Wang W, Cheng B, Zhang G, Hu W, Xue C, Zuo Y, Wang Q 2011 J. Cryst. Growth 317 43
[14]	Su S J, Wang W, Zhang G Z, Hu W X, Bai A Q, Xue C L, Zuo Y H, Cheng B W, Wang Q M 2011 Acta Phys. Sin. 60 028101 (in Chinese) [苏少坚, 汪巍, 张广泽, 胡炜玄, 白安琪, 薛春来, 左玉华, 成步文, 王启明 2011 60 028101]
[15]	Bratland K A, Foo Y L, Spila T, Seo H S, Haasch R T, Desjardins P, Greene J E 2005 J. Appl. Phys. 97 044904
[16]	Kasper E, Werner J, Oehme M, Escoubas S, Burle N, Schulze J 2012 Thin Solid Films 520 3195
[17]	Lin H, Chen R, Huo Y, Kamins T I, Harris J S 2012 Thin Solid Films 520 3927
[18]	Gurdal O, Desjardins P, Carlsson J R A, Taylor N, Radamson H H, Sundgren J E, Greene J E 1998 J. Appl. Phys. 83 162
[19]	Bauer M, Taraci J, Tolle J, Chizmeshya A V G, Zollner S, Smith D J, Menendez J, Hu C W, Kouvetakis J 2002 Appl. Phys. Lett. 81 2992
[20]	Vincent B, Gencarelli F, Bender H, Merckling C, Douhard B, Petersen D H, Hansen O, Henrichsen H H, Meersschaut J, Vandervorst W, Heyns M, Loo R, Caymax M 2011 Appl. Phys. Lett. 99 152103
[21]	Su S J, Cheng B W, Xue C L, Zhang D L, Zhang G Z, Wang Q M 2012 Acta Phys. Sin. 61 176104 (in Chinese) [苏少坚, 成步文, 薛春来, 张东亮, 张广泽, 王启明 2012 61 176104]
[22]	Su S, Wang W, Cheng B, Hu W, Zhang G, Xue C, Zuo Y, Wang Q 2011 Solid State Commun. 151 647

施引文献

[1]	Soref R A, Friedman L 1993 Superlattice Microst 14 189
[2]	Kouvetakis J, Menendez J, Chizmeshya A V G 2006 Annu. Rev. Mater. Res. 36 497
[3]	Chen R, Lin H, Huo Y, Hitzman C, Kamins T I, Harris J S 2011 Appl. Phys. Lett. 99 181125
[4]	Sun G, Soref R A, Cheng H H 2010 Opt. Express 18 19957
[5]	Roucka R, Mathews J, Beeler R T, Toll J, Kouvetakis J, Menendez J 2011 Appl. Phys. Lett. 98 061109
[6]	Mathews J, Beeler R T, Toll J, Xu C, Roucka R, Kouvetakis J, Menendez J 2011 Appl. Phys. Lett. 97 221912
[7]	Su S, Cheng B, Xue C, Wang W, Cao Q, Xue H, Hu W, Zhang G, Zuo Y, Wang Q 2011 Opt. Express 19 6400
[8]	Sun G, Soref R A, Cheng H H 2010 J. Appl. Phys. 108 033107
[9]	Sau J D, Cohen M L 2007 Phys. Rev. B 75 045208
[10]	Nakatsuka O, Tsutsui N, Shimura Y, Takeuchi S, Sakai A, Zaima S 2010 Jpn. J. Appl. Phys. 49 04DA10
[11]	Han G, Su S, Zhan C L, Zhou Q, Yang Y, Wang L, Guo P, Wang W, Wong C P, Shen Z X, Cheng B, Yeo Y -C 2011 IEEE International Electron Devices Meeting Washington, DC, USA, December 5-7, 2011 p402
[12]	Han G, Su S, Wang L, Wang W, Gong X, Yang Y, Ivana, Guo P, Guo C, Zhang G, Pan J, Zhang Z, Xue C, Cheng B, Yeo Y -C 2012 Symposia on VLSI Technology, Hilton Havaiian Village, Honolulu, Hawaii, June 12-14, 2012 p97
[13]	Su S, Wang W, Cheng B, Zhang G, Hu W, Xue C, Zuo Y, Wang Q 2011 J. Cryst. Growth 317 43
[14]	Su S J, Wang W, Zhang G Z, Hu W X, Bai A Q, Xue C L, Zuo Y H, Cheng B W, Wang Q M 2011 Acta Phys. Sin. 60 028101 (in Chinese) [苏少坚, 汪巍, 张广泽, 胡炜玄, 白安琪, 薛春来, 左玉华, 成步文, 王启明 2011 60 028101]
[15]	Bratland K A, Foo Y L, Spila T, Seo H S, Haasch R T, Desjardins P, Greene J E 2005 J. Appl. Phys. 97 044904
[16]	Kasper E, Werner J, Oehme M, Escoubas S, Burle N, Schulze J 2012 Thin Solid Films 520 3195
[17]	Lin H, Chen R, Huo Y, Kamins T I, Harris J S 2012 Thin Solid Films 520 3927
[18]	Gurdal O, Desjardins P, Carlsson J R A, Taylor N, Radamson H H, Sundgren J E, Greene J E 1998 J. Appl. Phys. 83 162
[19]	Bauer M, Taraci J, Tolle J, Chizmeshya A V G, Zollner S, Smith D J, Menendez J, Hu C W, Kouvetakis J 2002 Appl. Phys. Lett. 81 2992
[20]	Vincent B, Gencarelli F, Bender H, Merckling C, Douhard B, Petersen D H, Hansen O, Henrichsen H H, Meersschaut J, Vandervorst W, Heyns M, Loo R, Caymax M 2011 Appl. Phys. Lett. 99 152103
[21]	Su S J, Cheng B W, Xue C L, Zhang D L, Zhang G Z, Wang Q M 2012 Acta Phys. Sin. 61 176104 (in Chinese) [苏少坚, 成步文, 薛春来, 张东亮, 张广泽, 王启明 2012 61 176104]
[22]	Su S, Wang W, Cheng B, Hu W, Zhang G, Xue C, Zuo Y, Wang Q 2011 Solid State Commun. 151 647

[1]	尤明慧, 李雪, 李士军, 刘国军. 晶格匹配InAs/AlSb超晶格材料的分子束外延生长研究. , 2023, 72(1): 014203. doi: 10.7498/aps.72.20221383
[2]	杜安天, 刘若涛, 曹春芳, 韩实现, 王海龙, 龚谦. 利用InAs/GaAs数字合金超晶格改进InAs量子点有源区的结构设计. , 2023, 72(12): 128101. doi: 10.7498/aps.72.20230270
[3]	李培根, 张济海, 陶野, 钟定永. 二维磁性过渡金属卤化物的分子束外延制备及物性调控. , 2022, 71(12): 127505. doi: 10.7498/aps.71.20220727
[4]	郑晓虎, 张建峰, 杜瑞瑞. InSb(111)衬底上外延生长二维拓扑绝缘体锡烯/铋烯的差异性研究. , 2022, 71(18): 186401. doi: 10.7498/aps.71.20221024
[5]	孙玉鑫, 吴德凡, 赵统, 兰武, 杨德仁, 马向阳. 直拉硅单晶的机械强度: 锗和氮共掺杂的效应. , 2021, 70(9): 098101. doi: 10.7498/aps.70.20201803
[6]	张结印, 高飞, 张建军. 硅和锗量子计算材料研究进展. , 2021, 70(21): 217802. doi: 10.7498/aps.70.20211492
[7]	刘伟, 平云霞, 杨俊, 薛忠营, 魏星, 武爱民, 俞文杰, 张波. 微波退火和快速热退火下钛调制镍与锗锡反应. , 2021, 70(11): 116801. doi: 10.7498/aps.70.20202118
[8]	高飞, 冯琦, 王霆, 张建军. 硅(001)图形衬底上锗硅纳米线的定位生长. , 2020, 69(2): 028102. doi: 10.7498/aps.69.20191407
[9]	黄蕾, 刘文亮, 邓超生. 磷、铋掺杂半导体锗光学性质的第一性原理研究. , 2018, 67(13): 136101. doi: 10.7498/aps.67.20172680
[10]	肖嘉星, 鲁军, 朱礼军, 赵建华. 垂直磁各向异性L10-Mn1.67Ga超薄膜分子束外延生长与磁性研究. , 2016, 65(11): 118105. doi: 10.7498/aps.65.118105
[11]	张马淋, 葛剑峰, 段明超, 姚钢, 刘志龙, 管丹丹, 李耀义, 钱冬, 刘灿华, 贾金锋. SrTiO3(001)衬底上多层FeSe薄膜的分子束外延生长. , 2016, 65(12): 127401. doi: 10.7498/aps.65.127401
[12]	史文俊, 易迎彦, 黎敏. 锗在吸收边附近的压力-折射率系数. , 2016, 65(16): 167801. doi: 10.7498/aps.65.167801
[13]	杨文献, 季莲, 代盼, 谭明, 吴渊渊, 卢建娅, 李宝吉, 顾俊, 陆书龙, 马忠权. 基于分子束外延生长的1.05 eV InGaAsP的超快光学特性研究. , 2015, 64(17): 177802. doi: 10.7498/aps.64.177802
[14]	祝梦遥, 鲁军, 马佳淋, 李利霞, 王海龙, 潘东, 赵建华. 高质量稀磁半导体(Ga, Mn)Sb单晶薄膜分子束外延生长. , 2015, 64(7): 077501. doi: 10.7498/aps.64.077501
[15]	汪建元, 王尘, 李成, 陈松岩. 硅基锗薄膜选区外延生长研究. , 2015, 64(12): 128102. doi: 10.7498/aps.64.128102
[16]	王萌, 欧云波, 李坊森, 张文号, 汤辰佳, 王立莉, 薛其坤, 马旭村. SrTiO3(001)衬底上单层FeSe超导薄膜的分子束外延生长. , 2014, 63(2): 027401. doi: 10.7498/aps.63.027401
[17]	苏少坚, 汪巍, 张广泽, 胡炜玄, 白安琪, 薛春来, 左玉华, 成步文, 王启明. Si(001)衬底上分子束外延生长Ge0.975Sn0.025合金薄膜. , 2011, 60(2): 028101. doi: 10.7498/aps.60.028101
[18]	赵明海, 孙静静, 王丹, 邹志强, 梁齐. C60分子在Si（111）-7×7表面分子束外延生长的STM研究. , 2010, 59(1): 636-642. doi: 10.7498/aps.59.636
[19]	张燕辉, 陈平平, 李天信, 殷豪. GaAs(001)衬底上分子束外延生长InNSb单晶薄膜. , 2010, 59(11): 8026-8030. doi: 10.7498/aps.59.8026
[20]	敬超, 金晓峰, 董国胜, 龚小燕, 郁黎明, 郑卫民. 分子束外延生长Fe/Fe50Mn50双层膜的交换偏置. , 2000, 49(10): 2022-2026. doi: 10.7498/aps.49.2022

计量

文章访问数: 7403
PDF下载量: 777
被引次数: 0

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

搜索

留言板