硅基低位错密度厚锗外延层的UHV/CVD法生长

陈城钊; 郑元宇; 黄诗浩; 李成; 赖虹凯; 陈松岩

doi:10.7498/aps.61.078104

摘要

利用超高真空化学气相淀积系统, 基于低温缓冲层和插入应变超晶格的方法, 在Si(100)衬底上外延出厚度约为880 nm的纯Ge层. 采用X射线双晶衍射、高分辨透射电镜、原子力显微镜和光致发光谱分别表征了其结构及光学性质. 测试结果显示外延Ge的X射线双晶衍射曲线半高宽为273, 表面均方根粗糙度为0.24 nm, 位错密度约为1.5106 cm2. 在室温下观测到外延Ge的直接带跃迁光致发光, 发光峰值位于1540 nm. 表明生长的Si基Ge材料具有良好的结晶质量, 可望在Si基光电子器件中得到应用.

关键词:

Ge /
外延生长 /
UHV/CVD /
光致发光谱

Abstract

Thick Ge epitaxial layers are grown on Si(001) substrates in the ultra-high vacuum chemical vapor deposition system by using the method of low temperature buffer layer combining strained layer superlattices. The microstructure and the optical properties of the Ge layers are characterized by double crystal X-ray diffraction, HRTEM, AFM and photoluminescence spectroscopy. The root-mean-square surface roughness of the Ge epilayer with a thickness of 880nm is about 0.24 nm and the full-width-at-half maximum of the Ge peak of the XRD profile is about 273. The etch pit density related to threading dislocations is less than 1.5106 cm-2. The direct band transition photoluminescence is observed at room temperature and the photoluminescence peak is located at 1540 nm. It is indicated that the Ge epitaxial layer is of good quality and will be a promising material for Si-based optoelectronic devices

Keywords:

Ge /
epitaxial /
UHVCVD /
photoluminescence

作者及机构信息

1.
厦门大学物理系, 半导体光子学研究中心, 厦门 361005;

2.
韩山师范学院物理与电子工程系, 潮州 521041

基金项目: 国家重点基础研究发展计划(批准号: 2007CB613404), 国家自然科学基金(批准号: 61036003, 60837001)和中央高校基本业务费(批准号: 2010121056)资助的课题.

Authors and contacts

1.
Department of Physics, Semiconductor Photonics Research Center, Xiamen University, Xiamen 361005, China;

2.
Department of Physics and Electronic Engineering, Hanshan Normal University, Chaozhou 521041, China

Funds: Project supported by the National Basic Research Program of China (Grant No. 2007CB613404), the National Natural Science Foundation of China (Grant Nos: 61036003, 60837001), and the Fundamental Research Funds for the Central Universities (Grant No. 2010121056).

参考文献

[1]	Lee M L, Fitzgerald E A, Bulsara M T, Currie M T, Lochtefeld A 2005 J. Appl. Phys. 97 011101
[2]	Jang D, Lee J W, Tachi K, Montes L, Ernst T, Kim G T, Ghibaudo G 2010 Appl. Phys. Lett. 97 073505
[3]	Colace L, Masini G, Galluzzi F, Assanto G, Capellini G, Gaspare L D, Palange E, Evangelisti F 1998 Appl. Phys. Lett. 72 3175
[4]	Bandaru P R, Sahni S, Yablonovitch E, Liu J, Kim H J, Xie Y H 2004 Mater. Sci. Eng. B 113 79
[5]	Oh J, Banerjee S K, Campbell J C 2004 IEEE Photonic Tech. Lett. 16 581
[6]	Liu J F, Sun X C, Pan D, Wang X X, Kimerling L C, Koch T L, Michel J 2007 Opt. Express, 15 11272
[7]	Li C, Chen Y H, Zhou Z W, Lai H K, Chen S Y 2009 Appl. Phys. Lett. 95 251102
[8]	Hu W X, Cheng B W, Xue C L, Xue H Y, Su S J, Bai A Q, Luo L P, Yu Y D, Wang Q M 2009 Appl. Phys. Lett. 95 092102
[9]	Huang S H, Li C, Chen C Z, Zheng Y Y, Lai H K, Chen S Y 2012 Acta. Phys. Sin. 61 036202 (in Chinese) [黄诗浩, 李成, 陈城钊, 郑元宇, 陈松岩 2012 物理学报 bf 61 036202]
[10]	Luo G L, Hsieh Y C, Chang E Y, Pilkuhn M H, Chien C H, Yang T H, Cheng C C, Chang C Y 2007 J. Appl. Phys. 101 084501
[11]	Archer M J, Law D C, Mesropian S, Haddad M, Fetzer C M, Ackerman A C, Ladous C, King R R, Atwate H A 2008 Appl. Phys. Lett. 92 103503
[12]	Kasper E 2002 Properties of Strained and Relaxed Silicon Germanium (Peking: National Defense Industry Press) pp25—29 (in Chinese) [(德) Erich Kasper 主编余金中译 2002 硅锗的性质 (北京: 国防工业出版社) 第25—29页]
[13]	Tersoff J, LeGoues F K 1994 Phys. Rev. Lett. 72 3570
[14]	Currie M T, Samavedam S B, Langdo T A, Leitz C W, Fitzgerald E A 1998 Appl. Phys. Lett. 72 1718
[15]	Vanamua G, Datye A K, Zaidi S H 2006 Appl. Phys. Lett. 88 204104
[16]	Luan H C, Lim D R, Lee K K, Chen K M, Sandland J G, Wada K, Kimerling L C 1999 Appl. Phys. Lett. 75 2909
[17]	Zhang Z, Pan J S, Zhang J, Tok E S 2010 Phys. Chem. Chem. Phys. 12 7171
[18]	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 物理学报 60 028101]
[19]	LeGoues F K, Meyerson B S, Morar J F 1991 Phys. Rev. Lett. 66 2903
[20]	Ishikawa Y, Wada K, Liu J F, Cannon D D, Luan H C, Michel J, Kimerling C 2005 J. Appl. Phys. 98 013501

施引文献

[1]	Lee M L, Fitzgerald E A, Bulsara M T, Currie M T, Lochtefeld A 2005 J. Appl. Phys. 97 011101
[2]	Jang D, Lee J W, Tachi K, Montes L, Ernst T, Kim G T, Ghibaudo G 2010 Appl. Phys. Lett. 97 073505
[3]	Colace L, Masini G, Galluzzi F, Assanto G, Capellini G, Gaspare L D, Palange E, Evangelisti F 1998 Appl. Phys. Lett. 72 3175
[4]	Bandaru P R, Sahni S, Yablonovitch E, Liu J, Kim H J, Xie Y H 2004 Mater. Sci. Eng. B 113 79
[5]	Oh J, Banerjee S K, Campbell J C 2004 IEEE Photonic Tech. Lett. 16 581
[6]	Liu J F, Sun X C, Pan D, Wang X X, Kimerling L C, Koch T L, Michel J 2007 Opt. Express, 15 11272
[7]	Li C, Chen Y H, Zhou Z W, Lai H K, Chen S Y 2009 Appl. Phys. Lett. 95 251102
[8]	Hu W X, Cheng B W, Xue C L, Xue H Y, Su S J, Bai A Q, Luo L P, Yu Y D, Wang Q M 2009 Appl. Phys. Lett. 95 092102
[9]	Huang S H, Li C, Chen C Z, Zheng Y Y, Lai H K, Chen S Y 2012 Acta. Phys. Sin. 61 036202 (in Chinese) [黄诗浩, 李成, 陈城钊, 郑元宇, 陈松岩 2012 物理学报 bf 61 036202]
[10]	Luo G L, Hsieh Y C, Chang E Y, Pilkuhn M H, Chien C H, Yang T H, Cheng C C, Chang C Y 2007 J. Appl. Phys. 101 084501
[11]	Archer M J, Law D C, Mesropian S, Haddad M, Fetzer C M, Ackerman A C, Ladous C, King R R, Atwate H A 2008 Appl. Phys. Lett. 92 103503
[12]	Kasper E 2002 Properties of Strained and Relaxed Silicon Germanium (Peking: National Defense Industry Press) pp25—29 (in Chinese) [(德) Erich Kasper 主编余金中译 2002 硅锗的性质 (北京: 国防工业出版社) 第25—29页]
[13]	Tersoff J, LeGoues F K 1994 Phys. Rev. Lett. 72 3570
[14]	Currie M T, Samavedam S B, Langdo T A, Leitz C W, Fitzgerald E A 1998 Appl. Phys. Lett. 72 1718
[15]	Vanamua G, Datye A K, Zaidi S H 2006 Appl. Phys. Lett. 88 204104
[16]	Luan H C, Lim D R, Lee K K, Chen K M, Sandland J G, Wada K, Kimerling L C 1999 Appl. Phys. Lett. 75 2909
[17]	Zhang Z, Pan J S, Zhang J, Tok E S 2010 Phys. Chem. Chem. Phys. 12 7171
[18]	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 物理学报 60 028101]
[19]	LeGoues F K, Meyerson B S, Morar J F 1991 Phys. Rev. Lett. 66 2903
[20]	Ishikawa Y, Wada K, Liu J F, Cannon D D, Luan H C, Michel J, Kimerling C 2005 J. Appl. Phys. 98 013501

[1]	玛丽娅, 李豫东, 郭旗, 艾尔肯, 王海娇, 曾骏哲. In0.53Ga0.47As/InP量子阱与体材料的1 MeV电子束辐照光致发光谱研究. 物理学报, 2015, 64(15): 154217. doi: 10.7498/aps.64.154217
[2]	何超, 张旭, 刘智, 成步文. Si基IV族异质结构发光器件的研究进展. 物理学报, 2015, 64(20): 206102. doi: 10.7498/aps.64.206102
[3]	邓泉, 马勇, 杨晓红, 叶利娟, 张学忠, 张起, 付宏伟. ZnO:Sb薄膜的光致发光及拉曼特性研究. 物理学报, 2012, 61(24): 247701. doi: 10.7498/aps.61.247701
[4]	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. 物理学报, 2011, 60(2): 028101. doi: 10.7498/aps.60.028101
[5]	周凯, 李辉, 王柱. 正电子湮没谱和光致发光谱研究掺锌GaSb质子辐照缺陷. 物理学报, 2010, 59(7): 5116-5121. doi: 10.7498/aps.59.5116
[6]	何萌, 刘国珍, 仇杰, 邢杰, 吕惠宾. 用激光分子束外延在Si衬底上外延生长高质量的TiN薄膜. 物理学报, 2008, 57(2): 1236-1240. doi: 10.7498/aps.57.1236
[7]	李美亚, 汪晶, 刘军, 于本方, 郭冬云, 赵兴中. YBa2Cu3O7-x涂层导体的外延生长和性能对CeO2缓冲层的依赖性. 物理学报, 2008, 57(5): 3132-3137. doi: 10.7498/aps.57.3132
[8]	喻利花, 董松涛, 董师润, 许俊华. AlN/Si3N4纳米多层膜的外延生长与力学性能. 物理学报, 2008, 57(8): 5151-5158. doi: 10.7498/aps.57.5151
[9]	周丽宏, 张崇宏, 李炳生, 杨义涛, 宋银. 注入Ar+的蓝宝石晶体退火前后光致发光谱的分析. 物理学报, 2008, 57(4): 2562-2566. doi: 10.7498/aps.57.2562
[10]	曹萌, 吴惠桢, 刘成, 劳燕锋, 黄占超, 谢正生, 张军, 江山. 干法刻蚀影响应变量子阱发光的机理研究. 物理学报, 2007, 56(2): 1027-1031. doi: 10.7498/aps.56.1027
[11]	孔明, 魏仑, 董云杉, 李戈扬. TiN/Al2O3纳米多层膜的共格外延生长及超硬效应. 物理学报, 2006, 55(2): 770-775. doi: 10.7498/aps.55.770
[12]	周耐根, 周浪, 杜丹旭. 面心立方晶体外延膜沉积生长中失配位错的结构与形成过程. 物理学报, 2006, 55(1): 372-377. doi: 10.7498/aps.55.372
[13]	张小东, 林德旭, 李公平, 尤伟, 张利民, 张宇, 刘正民. 离子注入n型GaN光致发光谱中宽黄光发射带研究. 物理学报, 2006, 55(10): 5487-5493. doi: 10.7498/aps.55.5487
[14]	胡昉, 张寒洁, 吕斌, 陶永升, 李海洋, 鲍世宁, 何丕模, 王学森. Ge在Ru(0001)表面上生长及其性质研究. 物理学报, 2005, 54(3): 1330-1333. doi: 10.7498/aps.54.1330
[15]	王引书, 高兴国, 赵亮, 汪艳贞, 王若桢. 玻璃中CdSSe纳米晶体的光谱性能. 物理学报, 2004, 53(8): 2775-2779. doi: 10.7498/aps.53.2775
[16]	朋兴平, 兰伟, 谭永胜, 佟立国, 王印月. Cu掺杂氧化锌薄膜的发光特性研究. 物理学报, 2004, 53(8): 2705-2709. doi: 10.7498/aps.53.2705
[17]	冯　倩, 郝　跃, 张晓菊, 刘玉龙. SiC衬底上外延GaN:Mg材料特性研究. 物理学报, 2004, 53(2): 626-630. doi: 10.7498/aps.53.626
[18]	王剑屏, 郝跃, 彭军, 朱作云, 张永华. 蓝宝石衬底上异质外延生长碳化硅薄膜的研究. 物理学报, 2002, 51(8): 1793-1797. doi: 10.7498/aps.51.1793
[19]	叶健松, 胡晓君. 超薄膜外延生长的Monte Carlo模拟. 物理学报, 2002, 51(5): 1108-1112. doi: 10.7498/aps.51.1108
[20]	涂修文, 盖峥. Ge(112)-(4×1)-In表面重构的原子结构. 物理学报, 2001, 50(12): 2439-2445. doi: 10.7498/aps.50.2439

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