Vervaardiging van hoogwaardige en spanningsontspannende GeSn-microschijven door integratie van selectieve epitaxiale groei en selectieve natte etsmethoden

Resultaten en discussie

Figuur 3a toont de transversale TEM-microfoto van de GeSn-cirkelvormige mesa met een diameter van 5 m zonder de bovenste polysiliciumlaag. Figuur 3b, c zijn de TEM (HRTEM)-microfoto's met hoge resolutie voor de regio's A en B, die respectievelijk overeenkomen met de GeSn/Ge-interface en het middelste gebied van de GeSn-laag. De filmdikte van de GeSn-laag is ongeveer 250 nm (Fig. 3a) onder de dikte van het schaduwmasker. Zoals te zien is in Fig. 3b, zijn defecten voornamelijk gelokaliseerd op het GeSn / Ge-interface met een dikte van 30 nm, wat resulteert in de volgende eenkristal GeSn-groei. Het HRTEM-beeld van regio B toont duidelijke roosterranden van de GeSn-laag, wat aangeeft dat de legering zeer kristallijn is en dat het snelle Fourier-transformatie (FFT) -patroon van regio B goed overeenkomt met het diffractiepatroon van GeSn zoals weergegeven in figuur 3c. Om de Sn-concentratie van de GeSn-legering te bevestigen, werd bovendien de SIMS-meting voltooid zoals weergegeven in de inzet van figuur 3a. De Sn-concentratie is 9,8 ± 0,5%, in overeenstemming met de nominale waarde van ongeveer 10%. Afgezien daarvan is de verdeling van Sn-atomen zeer uniform in het diepteprofiel van de als gegroeide GeSn-film.

een Dwarsdoorsnede TEM-beeld van de GeSn cirkelvormige mesa met een diameter van 5 m zonder bovenste polysiliciumlaag. Inzet:SIMS-diepteprofiel van de GeSn-laag. b TEM-beeld met hoge resolutie van de GeSn/Ge-interface (regio A). c TEM-afbeelding met hoge resolutie voor het middelste gebied van de GeSn-laag (regio B). Inzet:FFT-patroon van regio B

De oppervlaktestructuur van de monsters werd bestudeerd door SEM. Figuur 4a toont het bovenaanzicht SEM-beeld van de 5 μm diameter Ge_0.96 Sn_0,04 cirkelvormige mesa's na 510 s selectief nat etsen door APM-oplossing bij kamertemperatuur. Opgemerkt moet worden dat de etsmiddelen vlak voor de experimenten worden bereid om de effecten van veroudering van de chemicaliën te voorkomen. Het SEM-beeld geeft aan dat niet alleen het Ge-substraat, maar ook een deel van de GeSn-mesa is weggeëtst. Het niet vormen van een schijfstructuur voor Ge_0.96 Sn_0,04 legering is te wijten aan de lage concentratie van Sn, wat resulteert in de lage etsselectiviteit van Ge ten opzichte van GeSn. In tegenstelling tot de Ge_0.96 Sn_0,04 monsters, werd het GeSn circulaire mesa-monster met een diameter van 5 m met een hogere Sn-concentratie van 9,8% ook geëtst door APM bij kamertemperatuur. Zoals getoond in Fig. 4b, c. c, er zijn met succes microschijfstructuren gevormd voor Ge_0.902 Sn_0.098 legering na 510 s nat etsen. Eerder hebben Han et al. [30] meldden dat ze gedeeltelijk gesuspendeerde Ge_0.928 . maakten Sn_0.072 microschijven (5 m in afmeting) met ongeveer 1,2 μm ondersnijding met behulp van de H₂ O₂ gebaseerd nat etsen met een selectiviteit van 7:1. Na het selectieve natte etsen worden de randen van hun schijf echter gebogen en gebroken vanwege de sterke aantrekkende capillaire krachten die zich ontwikkelen tussen de zwevende structuur en het substraat wanneer de etsvloeistof wordt verwijderd, waardoor de vrijgekomen microschijfstructuur in contact komt met het substraat [ 24]. Maar dit fenomeen doet zich niet voor in onze experimenten, zelfs niet als we het selectieve etsen verlengen om het onderliggende Ge-voetstuk bijna volledig te verwijderen. Het zou kunnen worden verklaard door de hogere etsselectiviteit en de dikkere GeSn-laag van ongeveer 250 nm. Interessant is dat de sokkels onverwachte facetten met verschillende oriëntaties vertonen die kunnen worden veroorzaakt door de oriëntatieafhankelijke laterale etssnelheid tijdens het selectieve natte etsproces.

SEM-beelden na selectief nat etsen. een 5 m diameter Ge_0,96 Sn_0,04 cirkelvormige mesa's na 510 s etsen. b , c 5 m diameter Ge_0.902 Sn_0.098 cirkelvormige mesa's na 510 s etsen

Bovendien werden de microschijven met Ge-voetstukken van verschillende diameters vervaardigd door de selectieve etstijd te regelen. Figuur 5a toont de diameter van het resterende Ge-voetstuk als functie van de etstijd in APM. De foutbalken vertegenwoordigen de standaarddeviatie van de gegevens van vijf verschillende microschijven in hetzelfde monster. De vergelijkbare lijntendens geeft aan dat de etssnelheid van Ge ongeveer gelijk is voor Ge_0,902 Sn_0.098 schijven met verschillende diameters van 3 m en 5 μm, en komt overeen met de waarde van de etssnelheid uit Ref. [30]. Bovendien is de minimale diameter van Ge-voetstuk voor staande GeSn-microdisk ongeveer 300 nm. De hangende GeSn-microschijven zullen naar beneden worden getrokken door de sterke aantrekkende capillaire krachten als de Ge-voetstukken kleiner worden.

een De diameter van het Ge-voetstuk als functie van de selectieve natte etstijd voor 3 m (groene stippellijn) en 5 μm (blauwe stippellijn) diameters Ge_0,902 Sn_0.098 schijven. b Raman-verschuivingslijnscanmetingen uitgevoerd langs de diameter van 5 μm Ge_0,902 Sn_0.098 mesa (groene stip) en microschijven met een Ge-voetstuk met een diameter van 2 μm (paarse stip) en een Ge-voetstuk met een diameter van 300 nm (blauwe stip)

Om de elastische spanningsverdeling van de GeSn-microschijven te onderzoeken, werd μ-Raman uitgevoerd bij kamertemperatuur op schijven met een diameter van 5 m, met behulp van een 633 nm-laser voor excitatie met een vlekgrootte van ongeveer 600 nm. Het laservermogen is slechts 1% van het maximale vermogen (15 mw) om de thermische effecten te minimaliseren [34], en de penetratiediepte van de excitatielaser in de GeSn-films is ongeveer 50 nm [26]. De Raman-verschuiving werd gemeten door de spectra uit te rusten met Lorentz-functies.

Figuur 5b toont de eendimensionale Raman-lijnscans voor Ge_0.902 Sn_0.098 microstructuren. Het is duidelijk opgemerkt (1) voor de mesa met een diameter van 5 m zonder ondersnijding, de Raman-piek geassocieerd met de Ge-Ge LO-fononmodus verschuift onopvallend naar lagere golfgetallen van het midden naar de rand van de mesa, en de grote Raman-verschuiving geeft aan dat er is een grote drukspanning in de GeSn-mesa; (2) voor de microschijf met een diameter van 5 m en een Ge-voetstuk met een diameter van 2 μm, verschuift de Raman-piek geassocieerd met de Ge-Ge LO-fononmodus duidelijk naar lagere golfgetallen van het midden naar de rand van de schijf, waardoor een spanningsgradiënt wordt onthuld als gevolg van verankering naar het relatief grote Ge-voetstuk. En de 5 m GeSn-microschijf met een voetstuk met een diameter van 2 μm handhaaft nog steeds aan de periferie een zekere mate van drukbelasting; (3) de Ge-Ge-piekposities gemeten langs de diameter van de 5 μm Ge_0.902 Sn_0.098 microdisk met een Ge-voetstuk met een diameter van 300 nm blijft consistent en heeft een duidelijk verminderde Raman-verschuiving. Daarom wordt verwacht dat de schijven met smalle Ge-voetstukken (ongeveer 300 nm diameter) volledig ontspannen zijn.

In Fig. 6 presenteren we het typische Raman-verstrooiingsspectrum van 5 m diameter Ge_0.902 Sn_0.098 microschijf met 300 nm diameter Ge voetstuk. Voor de schijven vertonen de Raman-spectra een asymmetrische piek met een frequentie van 292,4 cm ⁻¹ overeenkomend met de Ge-Ge LO-modus. De Raman-spectra zoals opgenomen voor de mesa met een diameter van 5 m en het referentiebulk Ge (001) -substraat zijn ook uitgezet ter vergelijking. Merk op dat na onderbieden de Raman-verschuiving (− 6,3 cm ⁻¹ ) van de Ge-Ge-piek kan worden waargenomen voor 9,8% Sn-microschijven, aangezien de Raman-frequentieverschuiving in halfgeleiderlegeringen voornamelijk wordt beïnvloed door spanning en samenstelling. Eerdere Raman-onderzoeken [33, 35,36,37] hebben aangetoond dat de Raman-verschuiving van de Ge-Ge LO-fononmodus in GeSn kan worden uitgedrukt als een functie van de Sn-concentratie x _Sn en de biaxiale rek in het vlak ε _∥ volgende vgl. (1):

Vergelijking van de Raman-spectra van de 5 μm Ge_0.902 Sn_0.098 microschijf met 300 nm diameter Ge-voetstuk, 5 μm Ge_0.902 Sn_0.098 diameter mesa en een bulk Ge-substraat als referentie. Inzet:vergrote weergave van de Raman-spectra. De Ge-Sn-pieken kunnen ook worden waargenomen rond 260 cm ⁻¹ , en terugschakelen met het verkleinen van de diameter van Ge-voetstukken

waar ω _GeSn en ω _Ge zijn de piekpositie van de Ge-Ge LO fonon-modus in respectievelijk GeSn en in bulk Ge, terwijl A en B coëfficiënten zijn.

De Ge-Ge LO Raman-pieken voor de mesa en schijven tonen de verschuiving van − 1,4 cm ⁻¹ en − 7,7 cm ⁻¹ vergeleken met de bulk Ge-piek (300,1 cm ⁻¹ ). Door de coëfficiënten van eerdere experimentele resultaten [37] te nemen, werd de waarde van de biaxiale kleuring in het vlak ε _∥ wordt berekend op -1,18% voor de als gegroeide GeSn-mesa. Voor de gefabriceerde microschijven, de biaxiale vlek in het vlak ε _∥ is ongeveer gelijk aan 0, wat de bijna volledige spanningsrelaxatie van de microschijven bevestigt. Volgens de recente theoretische berekening van Ge_1-x Sn_x elektronische bandstructuur [38], de as-grown Ge_0.902 Sn_0.098 laag is een indirect bandgap-materiaal met een bandgap-energie van ongeveer 0,56 eV, terwijl de volledig ontspannen Ge_0,902 Sn_0.098 microdisk is een direct bandgap-materiaal met een bandgap-energie van 0,50 eV.