Si基GeSn合金：從外延生長到光電器件制備的關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用突破一、引言1.1研究背景與意義在當(dāng)今信息化時代，半導(dǎo)體技術(shù)作為信息技術(shù)的核心支撐，始終處于快速發(fā)展的前沿。隨著集成電路的不斷演進(jìn)，對高性能、高集成度以及低功耗器件的需求日益迫切。Si基GeSn合金作為一種新興的半導(dǎo)體材料，因其獨特的物理性質(zhì)和與硅基互補金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）工藝的兼容性，在半導(dǎo)體領(lǐng)域展現(xiàn)出了巨大的潛力，成為了研究的熱點之一。硅（Si）作為目前半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的主流材料，擁有成熟的工藝技術(shù)和龐大的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)。然而，Si本身的間接帶隙特性限制了其在光電器件方面的應(yīng)用，如發(fā)光效率較低，難以滿足光通信、光互連等領(lǐng)域?qū)Ω咝Ч庠吹男枨?。鍺（Ge）是一種IV族半導(dǎo)體，具有較高的載流子遷移率和特殊的準(zhǔn)直接帶隙特性，通過能帶工程方法，如施加應(yīng)變或摻雜，可實現(xiàn)高效發(fā)光，為在Si基平臺上實現(xiàn)高性能光源提供了可能。在此基礎(chǔ)上，GeSn合金的出現(xiàn)進(jìn)一步拓展了Si基材料的應(yīng)用范圍。當(dāng)GeSn合金中的Sn組分高于一定比例時，其能轉(zhuǎn)變?yōu)橹苯訋栋雽?dǎo)體，這一特性使其在光發(fā)射器件領(lǐng)域極具優(yōu)勢，尤其是在短波長紅外光譜范圍內(nèi)，有望成為制作高效光發(fā)射器件的理想材料。Si基GeSn合金的發(fā)展對Si基光電子集成具有重要的推動作用。光電子集成旨在將光學(xué)器件和電子器件集成在同一芯片上，以實現(xiàn)高速、大容量的數(shù)據(jù)傳輸和處理。Si基GeSn合金與Si基CMOS工藝的兼容性，使得在現(xiàn)有的硅基集成電路制造工藝基礎(chǔ)上，能夠方便地集成各種光電器件，如激光器、發(fā)光二極管、光電探測器等。這不僅可以降低成本，還能提高器件的性能和集成度，為實現(xiàn)全硅光電子集成奠定基礎(chǔ)。全硅光電子集成有望解決傳統(tǒng)集成電路中電互連所面臨的傳輸延遲、帶寬限制和功耗高等問題，從而推動信息技術(shù)向更高速度、更大帶寬和更低功耗的方向發(fā)展。在高速通信領(lǐng)域，隨著數(shù)據(jù)流量的爆發(fā)式增長，對通信帶寬和傳輸速度的要求越來越高。Si基GeSn合金制成的光電器件可應(yīng)用于光通信系統(tǒng)中的光發(fā)射和接收模塊?；贕eSn合金直接帶隙特性的激光器和發(fā)光二極管，能夠產(chǎn)生高效的光信號，實現(xiàn)高速率的光傳輸；而GeSn光電探測器則可以快速、靈敏地將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，提高通信系統(tǒng)的響應(yīng)速度和靈敏度。這將有助于滿足5G乃至未來6G通信對高速、大容量數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨?，推動通信技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。在傳感器領(lǐng)域，Si基GeSn合金也展現(xiàn)出了獨特的應(yīng)用價值。由于其對紅外光具有良好的吸收和發(fā)射特性，可用于制備紅外傳感器，用于檢測紅外輻射、氣體分子等。例如，在環(huán)境監(jiān)測中，利用GeSn合金制成的紅外氣體傳感器能夠?qū)Υ髿庵械挠泻怏w進(jìn)行快速、準(zhǔn)確的檢測；在生物醫(yī)學(xué)檢測中，基于GeSn的紅外傳感器可以實現(xiàn)對生物分子的高靈敏度探測，為疾病診斷和生物醫(yī)學(xué)研究提供有力的工具。此外，GeSn合金還可用于制作壓力傳感器、溫度傳感器等，利用其電學(xué)性質(zhì)隨外界物理量變化的特性，實現(xiàn)對各種物理參數(shù)的精確測量。綜上所述，Si基GeSn合金在半導(dǎo)體領(lǐng)域的研究具有重要的理論意義和實際應(yīng)用價值。通過深入研究其外延生長技術(shù)和光電器件制備工藝，有望突破現(xiàn)有半導(dǎo)體材料和器件的性能瓶頸，推動Si基光電子集成技術(shù)的發(fā)展，為高速通信、傳感器等眾多領(lǐng)域帶來新的機(jī)遇和變革。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀近年來，Si基GeSn合金的外延生長及光電器件制備在國內(nèi)外都受到了廣泛關(guān)注，眾多科研團(tuán)隊和研究機(jī)構(gòu)投入大量資源進(jìn)行研究，取得了一系列重要進(jìn)展。在國外，美國、日本、韓國以及歐洲的一些國家在Si基GeSn合金領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位。美國的一些研究機(jī)構(gòu)如加州大學(xué)伯克利分校、斯坦福大學(xué)等，在Si基GeSn合金的外延生長機(jī)理和生長技術(shù)方面進(jìn)行了深入研究。他們利用分子束外延（MBE）和化學(xué)氣相沉積（CVD）等技術(shù)，成功生長出高質(zhì)量的Si基GeSn合金薄膜，并對其生長過程中的熱力學(xué)和動力學(xué)進(jìn)行了系統(tǒng)分析。例如，通過精確控制生長溫度、生長速率以及原子束流比例等參數(shù)，實現(xiàn)了對GeSn合金中Sn含量和晶體質(zhì)量的有效調(diào)控。在光電器件制備方面，國外研究團(tuán)隊也取得了顯著成果。如在Si基GeSn激光器的研究中，一些團(tuán)隊通過優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)和材料特性，實現(xiàn)了在低溫下的激光發(fā)射。通過引入應(yīng)變工程，調(diào)整GeSn合金的能帶結(jié)構(gòu)，提高了受激發(fā)射效率；同時，采用分布式反饋（DFB）結(jié)構(gòu)，增強了激光的模式選擇性和穩(wěn)定性。在GeSn光電探測器的研究上，國外也有諸多突破，研制出的GeSn光電探測器在短波紅外波段展現(xiàn)出高響應(yīng)度和快速響應(yīng)速度，能夠滿足高速光通信和紅外成像等應(yīng)用的需求。日本的科研團(tuán)隊在Si基GeSn合金的材料生長和器件集成工藝上具有獨特的技術(shù)優(yōu)勢。他們注重工藝的精細(xì)化和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用研究，致力于將Si基GeSn合金技術(shù)推向?qū)嶋H生產(chǎn)。通過改進(jìn)CVD工藝，實現(xiàn)了在大尺寸硅襯底上均勻生長高質(zhì)量GeSn合金薄膜，為大規(guī)模集成電路的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。在光電器件制備中，日本研究人員成功制備出高性能的Si基GeSn發(fā)光二極管（LED），通過優(yōu)化量子阱結(jié)構(gòu)和摻雜工藝，提高了LED的發(fā)光效率和穩(wěn)定性，使其在光互連和光顯示等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價值。韓國的科研人員則在Si基GeSn合金的新型器件結(jié)構(gòu)和應(yīng)用探索方面取得了一定進(jìn)展。他們提出了一些新穎的GeSn光電器件結(jié)構(gòu)，如基于GeSn量子點的光探測器和激光器，利用量子點的量子限制效應(yīng)，進(jìn)一步提高了器件的性能。在應(yīng)用方面，韓國團(tuán)隊將Si基GeSn合金器件應(yīng)用于生物傳感器和環(huán)境監(jiān)測傳感器等領(lǐng)域，拓展了其應(yīng)用范圍。在國內(nèi)，中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所、清華大學(xué)、北京大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)等科研院校在Si基GeSn合金領(lǐng)域也開展了大量的研究工作，并取得了一系列重要成果。中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所的研究團(tuán)隊在Si基GeSn合金的外延生長技術(shù)和光電器件制備工藝方面進(jìn)行了深入研究。他們通過優(yōu)化MBE生長參數(shù)，生長出了高質(zhì)量、高Sn含量的GeSn合金薄膜，為高性能光電器件的制備提供了優(yōu)質(zhì)材料。在光電器件方面，該團(tuán)隊成功研制出Si基GeSn雪崩光電二極管，通過合理設(shè)計器件結(jié)構(gòu)和優(yōu)化材料性能，提高了器件的雪崩增益和響應(yīng)速度，在短波紅外探測領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價值。清華大學(xué)的研究人員在Si基GeSn合金的能帶工程和光電器件物理方面取得了創(chuàng)新性成果。他們通過理論計算和實驗研究，深入分析了GeSn合金的能帶結(jié)構(gòu)與Sn含量、應(yīng)變狀態(tài)之間的關(guān)系，為通過能帶工程優(yōu)化GeSn光電器件性能提供了理論依據(jù)。在光電器件制備中，清華大學(xué)團(tuán)隊制備出基于GeSn的光調(diào)制器，利用GeSn合金的電光效應(yīng)，實現(xiàn)了高速、低功耗的光信號調(diào)制，為光通信和光互連技術(shù)的發(fā)展提供了新的解決方案。北京大學(xué)的科研團(tuán)隊在Si基GeSn合金的界面工程和器件集成方面開展了系統(tǒng)研究。他們通過改進(jìn)界面處理工藝，降低了GeSn合金與硅襯底之間的界面態(tài)密度，提高了材料和器件的穩(wěn)定性。在器件集成方面，該團(tuán)隊成功將GeSn光電器件與硅基CMOS電路進(jìn)行集成，展示了Si基GeSn合金在光電子集成領(lǐng)域的巨大潛力。復(fù)旦大學(xué)的研究人員則專注于Si基GeSn合金的納米結(jié)構(gòu)制備和應(yīng)用研究。他們利用納米加工技術(shù)，制備出GeSn納米線和納米薄膜等納米結(jié)構(gòu)，并將其應(yīng)用于高性能光電器件的制備?；贕eSn納米線的光電探測器展現(xiàn)出優(yōu)異的性能，具有高靈敏度和快速響應(yīng)特性，在納米光電子學(xué)領(lǐng)域具有重要的研究意義。盡管國內(nèi)外在Si基GeSn合金的外延生長及光電器件制備方面取得了諸多進(jìn)展，但目前仍面臨一些熱點和難點問題。在Si基GeSn合金外延生長方面，如何進(jìn)一步提高GeSn合金的晶體質(zhì)量和Sn含量，同時降低位錯密度和缺陷濃度，仍然是研究的重點。由于Sn在Ge中的固溶度較低，高Sn含量的GeSn合金生長過程中容易出現(xiàn)Sn原子的表面分凝和偏析現(xiàn)象，影響材料的質(zhì)量和性能。此外，如何實現(xiàn)GeSn合金在大尺寸硅襯底上的均勻生長，以及精確控制GeSn合金的生長厚度和成分均勻性，也是需要解決的關(guān)鍵問題。在光電器件制備方面，雖然在Si基GeSn激光器、光電探測器、發(fā)光二極管等器件的研究上取得了一定成果，但距離實現(xiàn)高性能、高可靠性的實用化器件仍有差距。以Si基GeSn激光器為例，目前在室溫下實現(xiàn)連續(xù)激光發(fā)射仍然面臨挑戰(zhàn)，需要進(jìn)一步提高器件的增益和降低閾值電流。在GeSn光電探測器中，如何提高探測器的響應(yīng)度、降低暗電流和噪聲水平，以及拓展其工作波長范圍，也是亟待解決的問題。此外，Si基GeSn光電器件與硅基CMOS工藝的進(jìn)一步集成和兼容性優(yōu)化，以及如何實現(xiàn)大規(guī)模、低成本的器件制備，也是未來研究的重要方向。綜上所述，Si基GeSn合金的外延生長及光電器件制備是一個充滿挑戰(zhàn)和機(jī)遇的研究領(lǐng)域。國內(nèi)外的研究成果為該領(lǐng)域的發(fā)展奠定了堅實的基礎(chǔ)，但仍需要進(jìn)一步深入研究和技術(shù)創(chuàng)新，以解決當(dāng)前面臨的熱點和難點問題，推動Si基GeSn合金技術(shù)的實際應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。1.3研究內(nèi)容與創(chuàng)新點本文圍繞Si基GeSn合金的外延生長及光電器件制備展開深入研究，旨在解決當(dāng)前該領(lǐng)域面臨的關(guān)鍵問題，推動Si基GeSn合金技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用。具體研究內(nèi)容如下：Si基GeSn合金外延生長的優(yōu)化：深入研究分子束外延（MBE）和化學(xué)氣相沉積（CVD）等生長技術(shù)，精確調(diào)控生長過程中的各項參數(shù)，如生長溫度、生長速率、原子束流比例（MBE）或氣體流量（CVD）等，以提高GeSn合金的晶體質(zhì)量。通過優(yōu)化生長參數(shù)，探索抑制Sn原子表面分凝和偏析的方法，從而實現(xiàn)高Sn含量、低缺陷濃度的GeSn合金生長。研究不同襯底預(yù)處理方法對GeSn合金外延生長的影響，優(yōu)化襯底表面狀態(tài)，降低GeSn合金與硅襯底之間的晶格失配和界面態(tài)密度，提高材料的穩(wěn)定性和生長質(zhì)量。采用原位監(jiān)測技術(shù)，如反射高能電子衍射（RHEED）、光致發(fā)光譜（PL）等，實時監(jiān)測生長過程，為生長參數(shù)的優(yōu)化提供依據(jù)。光電器件制備工藝的改進(jìn)：基于優(yōu)化生長的Si基GeSn合金，改進(jìn)Si基GeSn激光器的制備工藝。通過設(shè)計新型的器件結(jié)構(gòu)，如采用量子阱結(jié)構(gòu)或分布式反饋（DFB）結(jié)構(gòu)，提高激光器的增益和模式選擇性。優(yōu)化材料的摻雜工藝，精確控制摻雜濃度和分布，降低激光器的閾值電流，提高其工作效率和穩(wěn)定性，探索實現(xiàn)室溫下連續(xù)激光發(fā)射的技術(shù)途徑。在Si基GeSn光電探測器的制備中，優(yōu)化器件的結(jié)構(gòu)設(shè)計，如采用PIN結(jié)構(gòu)或雪崩光電二極管（APD）結(jié)構(gòu)，以提高探測器的響應(yīng)度和響應(yīng)速度。通過優(yōu)化材料的能帶結(jié)構(gòu)和界面特性，降低暗電流和噪聲水平，拓展探測器的工作波長范圍，使其能夠滿足更廣泛的應(yīng)用需求。對于Si基GeSn發(fā)光二極管（LED），改進(jìn)其量子阱結(jié)構(gòu)和摻雜工藝，提高LED的發(fā)光效率和出光效率。通過表面處理和封裝技術(shù)的優(yōu)化，增強LED的穩(wěn)定性和可靠性，使其在光互連和光顯示等領(lǐng)域具有更好的應(yīng)用前景。Si基GeSn光電器件與硅基CMOS工藝的集成研究：研究Si基GeSn光電器件與硅基CMOS電路的集成工藝，解決兩者之間的兼容性問題。包括材料兼容性、工藝兼容性和電學(xué)兼容性等方面，實現(xiàn)Si基GeSn光電器件與硅基CMOS電路的高效集成。開發(fā)適用于Si基GeSn光電器件與硅基CMOS集成的新型工藝技術(shù)，如低溫鍵合技術(shù)、多層布線技術(shù)等，以降低集成過程中的熱應(yīng)力和電學(xué)損耗，提高集成器件的性能和可靠性。對集成后的Si基GeSn光電器件與硅基CMOS電路進(jìn)行性能測試和優(yōu)化，評估其在實際應(yīng)用中的可行性和優(yōu)勢，為全硅光電子集成提供技術(shù)支持。本研究的創(chuàng)新點主要體現(xiàn)在以下幾個方面：采用新的生長技術(shù)和工藝：在Si基GeSn合金外延生長中，引入新的生長技術(shù)或?qū)ΜF(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)新性改進(jìn)，如采用等離子體輔助分子束外延（PA-MBE）技術(shù)，利用等離子體增強原子的活性，促進(jìn)Sn原子在Ge晶格中的摻入，有望提高GeSn合金的Sn含量和晶體質(zhì)量。在生長過程中，采用脈沖式生長工藝，通過周期性地改變生長參數(shù)，抑制Sn原子的表面分凝和偏析，從而實現(xiàn)高質(zhì)量GeSn合金的生長。設(shè)計新型的光電器件結(jié)構(gòu)：提出新穎的Si基GeSn光電器件結(jié)構(gòu)，以突破現(xiàn)有器件性能的限制。例如，設(shè)計基于GeSn納米線陣列的光電器件，利用納米線的高比表面積和量子限制效應(yīng)，提高光與物質(zhì)的相互作用效率，增強器件的性能。在Si基GeSn激光器中，采用環(huán)形諧振腔結(jié)構(gòu)，結(jié)合分布式反饋機(jī)制，實現(xiàn)單模激光輸出，提高激光器的穩(wěn)定性和效率。探索新的應(yīng)用領(lǐng)域和集成方式：探索Si基GeSn光電器件在新興領(lǐng)域的應(yīng)用，如量子通信、生物傳感等。利用GeSn合金對紅外光的敏感特性，開發(fā)基于Si基GeSn光電器件的量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)和生物分子傳感器。在集成方式上，嘗試將Si基GeSn光電器件與其他新型材料或器件進(jìn)行集成，如與二維材料集成，構(gòu)建異質(zhì)結(jié)構(gòu)光電器件，拓展Si基GeSn合金技術(shù)的應(yīng)用范圍，為未來光電子學(xué)的發(fā)展提供新的思路和方法。二、Si基GeSn合金外延生長理論基礎(chǔ)2.1GeSn合金的基本特性GeSn合金作為一種重要的IV族半導(dǎo)體合金，由鍺（Ge）和錫（Sn）兩種元素組成，其基本特性與晶體結(jié)構(gòu)、能帶結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，并且隨著Sn含量的變化而呈現(xiàn)出獨特的變化規(guī)律。GeSn合金具有與Ge相同的金剛石晶體結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)賦予了GeSn合金一些本征的物理性質(zhì)。在金剛石結(jié)構(gòu)中，每個原子通過共價鍵與周圍四個原子相連，形成一個穩(wěn)定的三維網(wǎng)絡(luò)。Ge原子和Sn原子在晶格中隨機(jī)分布，Sn原子的引入會對晶格常數(shù)產(chǎn)生影響。隨著Sn含量的增加，GeSn合金的晶格常數(shù)逐漸增大。這是因為Sn原子的原子半徑（1.40?）大于Ge原子的原子半徑（1.22?），當(dāng)Sn原子替代Ge原子進(jìn)入晶格時，會使晶格發(fā)生膨脹。晶格常數(shù)的變化對于GeSn合金的外延生長以及與襯底的晶格匹配具有重要影響。在Si基GeSn合金外延生長中，由于Si的晶格常數(shù)（0.5431nm）與GeSn合金的晶格常數(shù)存在差異，這種晶格失配會在生長過程中引入應(yīng)力，進(jìn)而影響GeSn合金薄膜的質(zhì)量和性能。例如，過大的晶格失配可能導(dǎo)致薄膜中產(chǎn)生位錯、缺陷等，降低材料的電學(xué)和光學(xué)性能。因此，在生長過程中，精確控制GeSn合金的Sn含量，以調(diào)節(jié)其晶格常數(shù)，使其與襯底的晶格常數(shù)盡量匹配，是提高外延薄膜質(zhì)量的關(guān)鍵之一。GeSn合金的能帶結(jié)構(gòu)是其最重要的特性之一，它決定了GeSn合金在光電器件中的應(yīng)用潛力。Ge本身是一種間接帶隙半導(dǎo)體，其導(dǎo)帶最小值（CBM）和價帶最大值（VBM）不在布里淵區(qū)的同一位置。而Sn的摻入可以顯著改變GeSn合金的能帶結(jié)構(gòu)。當(dāng)Sn含量增加時，GeSn合金的能帶結(jié)構(gòu)逐漸發(fā)生變化，其間接帶隙逐漸減小，同時直接帶隙也相應(yīng)減小。理論和實驗研究表明，當(dāng)Sn含量超過一定比例（通常認(rèn)為是8%-12%左右）時，GeSn合金會從間接帶隙半導(dǎo)體轉(zhuǎn)變?yōu)橹苯訋栋雽?dǎo)體。這種直接帶隙特性對于光電器件至關(guān)重要，因為在直接帶隙半導(dǎo)體中，電子和空穴的復(fù)合可以直接輻射出光子，具有較高的發(fā)光效率。相比之下，間接帶隙半導(dǎo)體中電子和空穴的復(fù)合需要聲子的參與，發(fā)光效率較低。因此，GeSn合金的直接帶隙轉(zhuǎn)變?yōu)樵赟i基平臺上實現(xiàn)高效發(fā)光器件提供了可能。Sn含量的變化對GeSn合金的帶隙有著顯著的影響。隨著Sn含量的增加，GeSn合金的帶隙逐漸減小。這種帶隙的變化可以通過實驗測量和理論計算進(jìn)行研究。實驗上，常用光致發(fā)光譜（PL）、拉曼光譜等技術(shù)來測量GeSn合金的帶隙。例如，通過PL光譜可以觀察到GeSn合金的發(fā)光峰位置，根據(jù)發(fā)光峰的能量可以推算出其帶隙大小。隨著Sn含量的增加，發(fā)光峰向低能量方向移動，表明帶隙逐漸減小。理論上，基于第一性原理計算的方法，如平面波贗勢方法（PWPM）等，可以精確計算GeSn合金的能帶結(jié)構(gòu)和帶隙。這些計算結(jié)果不僅可以解釋實驗現(xiàn)象，還可以為材料的設(shè)計和優(yōu)化提供理論指導(dǎo)。通過調(diào)節(jié)Sn含量，可以使GeSn合金的帶隙與特定的光通信波段（如1.3μm和1.55μm等）相匹配，從而滿足光通信器件的需求。Sn含量對GeSn合金的載流子遷移率也有重要影響。載流子遷移率是衡量半導(dǎo)體材料電學(xué)性能的重要參數(shù)之一，它反映了載流子在電場作用下的移動速度。在GeSn合金中，隨著Sn含量的增加，載流子遷移率呈現(xiàn)出復(fù)雜的變化趨勢。一方面，Sn的摻入使GeSn合金的晶格發(fā)生畸變，增加了晶格散射，從而降低了載流子遷移率。另一方面，Sn的摻入改變了能帶結(jié)構(gòu)，使導(dǎo)帶底的有效質(zhì)量減小，有利于提高載流子遷移率。在低Sn含量范圍內(nèi)，晶格散射的影響較為顯著，載流子遷移率隨Sn含量的增加而下降。然而，當(dāng)Sn含量超過一定值后，能帶結(jié)構(gòu)變化對載流子遷移率的提升作用逐漸顯現(xiàn)，載流子遷移率可能會出現(xiàn)上升的趨勢。此外，載流子遷移率還受到雜質(zhì)、缺陷等因素的影響。在實際的GeSn合金材料中，盡量減少雜質(zhì)和缺陷的含量，對于提高載流子遷移率至關(guān)重要。較高的載流子遷移率可以降低器件的電阻，提高器件的運行速度和效率，在高速電子器件和光電器件中具有重要的應(yīng)用價值。2.2外延生長原理外延生長是在單晶襯底上生長一層與襯底晶向相同的單晶層的技術(shù)，猶如原來的晶體向外延伸了一段。該技術(shù)興起于20世紀(jì)50年代末60年代初，最初是為了制造高頻大功率器件，需要在低阻值襯底上生長一層薄的高阻外延層，以減小集電極串聯(lián)電阻，并使材料能耐高壓和大電流。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，外延生長技術(shù)在集成電路中的PN結(jié)隔離技術(shù)以及大規(guī)模集成電路中改善材料質(zhì)量方面得到了廣泛應(yīng)用。其基本原理是在高溫條件下，通過在基底表面提供適當(dāng)?shù)臍夥蘸筒牧显?，使新晶體層的原子能夠以正確的方式沉積在基底上。這一過程涉及原子在襯底表面的吸附、擴(kuò)散、反應(yīng)和脫附等多個步驟，最終實現(xiàn)單晶材料的制備，并且能夠獲得高結(jié)晶質(zhì)量和較低的缺陷密度。外延生長技術(shù)主要包括氣相外延和分子束外延等方法，每種方法都有其獨特的原理、優(yōu)缺點以及適用場景。2.2.1氣相外延（VPE）氣相外延（VaporPhaseEpitaxy，VPE）是一種常用的外延生長技術(shù)，其原理是利用氣態(tài)的硅、鍺、錫等源物質(zhì)（如硅烷SiH?、鍺烷GeH?、四甲基錫Sn(CH?)?等）在高溫和催化劑的作用下分解，產(chǎn)生的原子或分子在襯底表面進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)和沉積，從而生長出外延層。以Si基GeSn合金的氣相外延生長為例，反應(yīng)過程中，硅烷和鍺烷分解產(chǎn)生硅原子和鍺原子，四甲基錫分解產(chǎn)生錫原子，這些原子在襯底表面相互結(jié)合，按照襯底的晶體結(jié)構(gòu)排列，逐漸形成GeSn合金外延層?；瘜W(xué)反應(yīng)方程式可表示為（以硅烷、鍺烷和四甲基錫為例）：SiH?→Si+2H?，GeH?→Ge+2H?，Sn(CH?)?→Sn+4CH?。在實際生長過程中，還會涉及一些副反應(yīng)和復(fù)雜的動力學(xué)過程。氣相外延具有生長速度快的優(yōu)點，能夠在較短的時間內(nèi)生長出較厚的外延層，這使得它在大規(guī)模生產(chǎn)中具有較高的效率。例如，在一些對材料厚度要求較高的應(yīng)用場景中，氣相外延可以快速滿足需求，提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。它還能夠精確控制外延層的厚度和成分。通過精確調(diào)節(jié)氣態(tài)源物質(zhì)的流量、反應(yīng)溫度等生長參數(shù)，可以實現(xiàn)對外延層厚度和成分的精準(zhǔn)控制。這對于制備具有特定性能要求的Si基GeSn合金材料至關(guān)重要，例如在光電器件中，需要精確控制GeSn合金的Sn含量和厚度，以滿足其光學(xué)性能要求。氣相外延的設(shè)備相對簡單，成本較低，這使得它在工業(yè)生產(chǎn)中具有較大的優(yōu)勢。相比于一些高端的外延生長設(shè)備，氣相外延設(shè)備的投資成本和運行成本都相對較低，更易于大規(guī)模推廣和應(yīng)用。然而，氣相外延也存在一些缺點。由于生長過程中涉及化學(xué)反應(yīng)，容易引入雜質(zhì)，這些雜質(zhì)可能會影響Si基GeSn合金的電學(xué)和光學(xué)性能。例如，雜質(zhì)的存在可能會改變材料的載流子濃度和遷移率，從而影響器件的性能。此外，氣相外延生長過程中的溫度較高，可能會導(dǎo)致襯底和外延層之間的熱應(yīng)力增加，進(jìn)而影響材料的質(zhì)量和穩(wěn)定性。在高溫下，襯底和外延層的熱膨脹系數(shù)差異可能會導(dǎo)致材料內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力，這種應(yīng)力可能會引發(fā)位錯、裂紋等缺陷，降低材料的性能。2.2.2分子束外延（MBE）分子束外延（MolecularBeamEpitaxy，MBE）是一種在超高真空環(huán)境下進(jìn)行的外延生長技術(shù)。在MBE系統(tǒng)中，硅、鍺、錫等原子束在超高真空條件下被蒸發(fā)源加熱蒸發(fā)后，以分子束的形式射向加熱的襯底表面。這些原子在襯底表面進(jìn)行吸附、擴(kuò)散和反應(yīng)，最終按照襯底的晶體結(jié)構(gòu)排列，一層一層地生長出高質(zhì)量的外延層。MBE生長過程是一個動力學(xué)控制的過程，原子的遷移和反應(yīng)速率相對較慢，這使得生長過程能夠在原子層面上進(jìn)行精確控制。例如，通過精確控制原子束的流量和蒸發(fā)源的溫度，可以精確控制原子在襯底表面的沉積速率，從而實現(xiàn)對外延層生長厚度和成分的精確控制。MBE的主要優(yōu)點是能夠在原子尺度上精確控制外延層的生長，可制備出高質(zhì)量、超薄的外延層以及具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的異質(zhì)結(jié)。在制備Si基GeSn合金時，能夠精確控制Ge和Sn原子的摻入比例，實現(xiàn)對合金成分的精細(xì)調(diào)控。這對于制備高性能的光電器件非常重要，例如在制備GeSn量子阱結(jié)構(gòu)時，精確的原子控制可以確保量子阱的質(zhì)量和性能。MBE生長過程在超高真空環(huán)境下進(jìn)行，幾乎不會引入雜質(zhì)，這有助于提高Si基GeSn合金的純度和電學(xué)性能。在光電器件中，雜質(zhì)的存在會影響器件的發(fā)光效率和響應(yīng)速度，而MBE生長的低雜質(zhì)特性可以有效提高器件的性能。此外，MBE技術(shù)還具有生長溫度低的優(yōu)點，能夠減少襯底和外延層之間的熱應(yīng)力，提高材料的穩(wěn)定性。較低的生長溫度可以避免高溫引起的材料損傷和缺陷，有利于制備高質(zhì)量的外延層。但是，MBE設(shè)備昂貴，運行和維護(hù)成本高，這限制了其大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用。MBE設(shè)備需要超高真空系統(tǒng)、原子束蒸發(fā)源、精密的溫度控制系統(tǒng)等高端設(shè)備，設(shè)備投資巨大。同時，設(shè)備的運行和維護(hù)需要專業(yè)的技術(shù)人員和高昂的費用，這使得MBE技術(shù)的應(yīng)用成本較高。而且，MBE生長速度緩慢，生產(chǎn)效率較低。由于原子束的沉積速率相對較慢，生長相同厚度的外延層所需的時間較長，這在大規(guī)模生產(chǎn)中是一個明顯的劣勢。例如，在需要大量生產(chǎn)Si基GeSn合金材料時，MBE的低生長速度會導(dǎo)致生產(chǎn)周期延長，成本增加。2.2.3Si基GeSn合金外延生長的關(guān)鍵因素在Si基GeSn合金外延生長中，襯底的選擇至關(guān)重要。硅（Si）襯底由于其與Si基GeSn合金的兼容性以及成熟的工藝技術(shù)，是最常用的襯底材料。然而，Si與GeSn合金之間存在晶格失配，這種晶格失配會在生長過程中引入應(yīng)力，影響GeSn合金薄膜的質(zhì)量和性能。為了減小晶格失配的影響，可以采用一些緩沖層技術(shù)。例如，在Si襯底上先生長一層鍺（Ge）緩沖層，Ge的晶格常數(shù)介于Si和GeSn合金之間，通過生長Ge緩沖層可以部分緩解晶格失配帶來的應(yīng)力。此外，還可以采用應(yīng)變工程技術(shù)，通過在生長過程中施加適當(dāng)?shù)膽?yīng)變，調(diào)節(jié)GeSn合金的晶格常數(shù)，使其與襯底更好地匹配。襯底的表面狀態(tài)也對GeSn合金外延生長有重要影響。在生長前，需要對襯底表面進(jìn)行嚴(yán)格的清洗和預(yù)處理，去除表面的雜質(zhì)和氧化物，確保襯底表面的平整度和清潔度。平整、清潔的襯底表面有利于原子的吸附和擴(kuò)散，促進(jìn)外延層的均勻生長，減少缺陷的產(chǎn)生。生長溫度是影響Si基GeSn合金外延生長的另一個關(guān)鍵因素。不同的外延生長方法對生長溫度的要求不同。在氣相外延中，生長溫度通常在幾百攝氏度到一千多攝氏度之間。較高的生長溫度可以提高原子的擴(kuò)散速率和化學(xué)反應(yīng)速率，有利于外延層的生長。但是，過高的溫度也會導(dǎo)致雜質(zhì)的擴(kuò)散加劇，增加材料中的缺陷密度，同時還可能引起襯底和外延層之間的熱應(yīng)力增大。因此，在氣相外延生長Si基GeSn合金時，需要根據(jù)具體的生長工藝和材料要求，優(yōu)化生長溫度，以獲得高質(zhì)量的外延層。在分子束外延中，生長溫度相對較低，一般在幾百攝氏度左右。較低的生長溫度可以減少雜質(zhì)的引入和熱應(yīng)力的產(chǎn)生，有利于實現(xiàn)原子尺度的精確生長。但是，過低的溫度會降低原子的遷移率和反應(yīng)活性，導(dǎo)致生長速率變慢，甚至可能影響外延層的晶體質(zhì)量。因此，在MBE生長Si基GeSn合金時，也需要精確控制生長溫度，以平衡生長速率和材料質(zhì)量之間的關(guān)系。除了襯底選擇和生長溫度外，生長速率、原子束流比例（MBE）或氣體流量（VPE）等因素也會對Si基GeSn合金外延生長產(chǎn)生重要影響。在MBE生長中，精確控制硅、鍺、錫原子束的流比例，可以實現(xiàn)對GeSn合金成分的精確控制。如果原子束流比例不合適，可能會導(dǎo)致GeSn合金中Sn含量不均勻，影響材料的性能。在VPE生長中，精確調(diào)節(jié)硅烷、鍺烷、四甲基錫等氣體的流量，能夠控制外延層的生長速率和成分。氣體流量的波動可能會導(dǎo)致外延層生長不均勻，出現(xiàn)厚度和成分的偏差。生長過程中的氣氛、壓力等因素也需要嚴(yán)格控制，以確保外延生長的穩(wěn)定性和材料質(zhì)量。三、Si基GeSn合金外延生長技術(shù)3.1分子束外延（MBE）生長技術(shù)3.1.1MBE生長原理與設(shè)備分子束外延（MBE）技術(shù)作為一種先進(jìn)的外延生長方法，在Si基GeSn合金的制備中具有獨特的優(yōu)勢。其生長原理基于在超高真空環(huán)境下（通常為10??-10?11Pa），將硅（Si）、鍺（Ge）、錫（Sn）等原子束從各自的束源爐中蒸發(fā)出來，這些原子束在真空中沿直線傳播，射向加熱的襯底表面。在襯底表面，原子經(jīng)歷吸附、擴(kuò)散、反應(yīng)和脫附等過程，最終按照襯底的晶體結(jié)構(gòu)排列，一層一層地生長出高質(zhì)量的外延層。這一過程是動力學(xué)控制的，原子的遷移和反應(yīng)速率相對較慢，使得生長過程能夠在原子層面上進(jìn)行精確控制。MBE設(shè)備的基本結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，主要由超高真空系統(tǒng)、分子束源爐、襯底加熱與溫度控制系統(tǒng)、原位監(jiān)測系統(tǒng)等關(guān)鍵部件組成。超高真空系統(tǒng)是MBE設(shè)備的基礎(chǔ)，其作用是提供一個近乎完美的真空環(huán)境，以確保原子束在傳輸過程中不會與其他氣體分子發(fā)生碰撞，從而保證原子能夠直接到達(dá)襯底表面。該系統(tǒng)通常由機(jī)械泵、渦輪分子泵、離子泵等多級真空泵組成，通過它們的協(xié)同工作，能夠?qū)⑸L室的真空度降低到極高的水平。例如，在一些先進(jìn)的MBE設(shè)備中，生長室的本底真空度可以達(dá)到10?1?Pa以下，這為高質(zhì)量的外延生長提供了保障。分子束源爐是MBE設(shè)備的核心部件之一，用于產(chǎn)生各種原子束流。每個源爐獨立加熱，通過精確控制爐內(nèi)溫度，可以精確調(diào)節(jié)原子的蒸發(fā)速率，從而控制原子束的強度。例如，對于Ge原子束源爐，通過調(diào)節(jié)加熱功率，改變爐內(nèi)Ge材料的溫度，進(jìn)而控制Ge原子的蒸發(fā)量，實現(xiàn)對Ge原子束流強度的精確控制。在Si基GeSn合金生長中，通常會有Ge源爐、Sn源爐以及可能的Si源爐，通過調(diào)節(jié)各源爐的溫度，精確控制Ge、Sn、Si原子束的比例，實現(xiàn)對GeSn合金成分的精確控制。襯底加熱與溫度控制系統(tǒng)用于精確調(diào)節(jié)襯底的溫度，以滿足不同的生長需求。襯底溫度對原子在襯底表面的吸附、擴(kuò)散和反應(yīng)等過程有著重要影響。例如，在較低的襯底溫度下，原子的遷移率較低，可能導(dǎo)致原子在表面的聚集，形成島狀生長；而在較高的襯底溫度下，原子的遷移率增加，有利于原子在表面的均勻擴(kuò)散，促進(jìn)層狀生長。因此，精確控制襯底溫度對于獲得高質(zhì)量的外延層至關(guān)重要。該系統(tǒng)通常采用電阻加熱、輻射加熱等方式，通過熱電偶、紅外測溫儀等溫度傳感器實時監(jiān)測襯底溫度，并通過反饋控制系統(tǒng)對加熱功率進(jìn)行調(diào)整，以確保襯底溫度的穩(wěn)定性和精確性。原位監(jiān)測系統(tǒng)是MBE設(shè)備的重要組成部分，能夠?qū)崟r監(jiān)測外延生長過程中的各種參數(shù)，為生長過程的精確控制提供依據(jù)。常見的原位監(jiān)測技術(shù)包括反射高能電子衍射（RHEED）、俄歇電子能譜（AES）、光發(fā)射光譜（OES）等。RHEED通過向襯底表面發(fā)射高能電子束，根據(jù)反射電子束的衍射圖案，可以實時監(jiān)測襯底表面的原子排列情況、生長模式以及薄膜的結(jié)晶質(zhì)量。例如，當(dāng)襯底表面原子排列有序，生長模式為層狀生長時，RHEED圖案會呈現(xiàn)出清晰的條紋狀；而當(dāng)生長模式轉(zhuǎn)變?yōu)閸u狀生長或出現(xiàn)缺陷時，RHEED圖案會發(fā)生相應(yīng)的變化。AES則可以分析襯底表面的元素組成和化學(xué)狀態(tài)，幫助研究人員了解生長過程中的原子摻入情況和化學(xué)反應(yīng)。OES可以監(jiān)測生長過程中的發(fā)光現(xiàn)象，提供關(guān)于材料光學(xué)性質(zhì)和生長過程中缺陷的信息。這些原位監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用，使得研究人員能夠及時發(fā)現(xiàn)生長過程中的問題，并對生長參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，從而提高外延層的質(zhì)量和生長的可控性。3.1.2MBE生長工藝參數(shù)優(yōu)化在Si基GeSn合金的MBE生長過程中，生長溫度是一個至關(guān)重要的工藝參數(shù)，對合金的生長質(zhì)量有著顯著影響。研究表明，生長溫度會影響原子在襯底表面的遷移率和反應(yīng)活性。當(dāng)生長溫度較低時，原子的遷移率較低，原子在襯底表面的擴(kuò)散能力受限，難以找到合適的晶格位置進(jìn)行沉積，容易導(dǎo)致原子的聚集，形成較多的缺陷和位錯，從而降低合金的晶體質(zhì)量。同時，較低的溫度也會使原子的反應(yīng)活性降低，影響Ge和Sn原子之間的化學(xué)鍵合，導(dǎo)致合金成分不均勻。例如，在較低溫度下生長的GeSn合金，可能會出現(xiàn)Sn原子的偏析現(xiàn)象，使得合金中Sn含量分布不均。相反，當(dāng)生長溫度過高時，原子的遷移率過高，可能會導(dǎo)致原子的脫附現(xiàn)象加劇，使得生長速率難以控制。過高的溫度還可能引發(fā)襯底和外延層之間的熱應(yīng)力增大，導(dǎo)致外延層出現(xiàn)裂紋或剝落等問題。此外，高溫下雜質(zhì)的擴(kuò)散也會加劇，影響合金的電學(xué)性能。通過大量的實驗研究發(fā)現(xiàn)，對于Si基GeSn合金的MBE生長，生長溫度在300-400℃范圍內(nèi)較為合適。在這個溫度區(qū)間內(nèi)，原子具有適當(dāng)?shù)倪w移率和反應(yīng)活性，能夠在保證生長速率的同時，有效減少缺陷的產(chǎn)生，提高合金的晶體質(zhì)量和成分均勻性。束流強度也是影響Si基GeSn合金生長質(zhì)量的關(guān)鍵參數(shù)之一。束流強度直接決定了單位時間內(nèi)到達(dá)襯底表面的原子數(shù)量，從而影響合金的生長速率和成分。在生長過程中，精確控制Ge、Sn原子束流強度的比例對于獲得預(yù)期成分的GeSn合金至關(guān)重要。如果Ge原子束流強度過高，而Sn原子束流強度過低，會導(dǎo)致合金中Ge含量過高，Sn含量不足，無法達(dá)到所需的合金組成。反之，如果Sn原子束流強度過高，可能會導(dǎo)致Sn原子在表面的堆積，形成Sn的團(tuán)簇或析出相，破壞合金的晶體結(jié)構(gòu)。研究表明，通過精確調(diào)節(jié)Ge和Sn原子束流強度的比例，可以實現(xiàn)對GeSn合金中Sn含量的精確控制。例如，當(dāng)需要生長Sn含量為10%的GeSn合金時，通過實驗確定合適的Ge和Sn原子束流強度比例，并在生長過程中嚴(yán)格控制這一比例，能夠成功生長出目標(biāo)成分的合金。同時，束流強度還會影響合金的生長速率。較高的束流強度會使生長速率加快，但可能會導(dǎo)致原子在表面的沉積速度過快，來不及進(jìn)行充分的擴(kuò)散和反應(yīng)，從而影響合金的質(zhì)量。因此，在實際生長過程中，需要根據(jù)具體的生長需求和設(shè)備條件，優(yōu)化束流強度，以平衡生長速率和合金質(zhì)量之間的關(guān)系。一般來說，較低的束流強度有利于獲得高質(zhì)量的外延層，但生長周期會相應(yīng)延長；而較高的束流強度可以提高生長效率，但需要更加嚴(yán)格地控制生長過程，以確保合金質(zhì)量。除了生長溫度和束流強度外，生長速率、襯底晶向、襯底預(yù)處理等工藝參數(shù)也會對Si基GeSn合金的生長質(zhì)量產(chǎn)生影響。生長速率過快可能導(dǎo)致原子在表面的沉積不均勻，產(chǎn)生缺陷和位錯；而生長速率過慢則會降低生產(chǎn)效率。通過實驗研究發(fā)現(xiàn)，對于Si基GeSn合金的MBE生長，合適的生長速率一般在0.1-1monolayers/s之間。襯底晶向會影響原子在襯底表面的吸附和擴(kuò)散行為，不同的襯底晶向可能導(dǎo)致不同的生長模式和晶體質(zhì)量。例如，在(100)晶向的硅襯底上生長GeSn合金，與在(111)晶向的硅襯底上生長相比，可能會呈現(xiàn)出不同的生長特性和晶體質(zhì)量。因此，選擇合適的襯底晶向?qū)τ趦?yōu)化合金生長質(zhì)量也非常重要。襯底預(yù)處理可以去除襯底表面的雜質(zhì)和氧化物，改善襯底表面的平整度和清潔度，從而有利于原子的吸附和擴(kuò)散，提高外延層的生長質(zhì)量。常見的襯底預(yù)處理方法包括化學(xué)清洗、高溫退火等。通過優(yōu)化這些工藝參數(shù)的組合，可以進(jìn)一步提高Si基GeSn合金的生長質(zhì)量，為后續(xù)的光電器件制備提供優(yōu)質(zhì)的材料基礎(chǔ)。例如，在特定的生長溫度下，結(jié)合優(yōu)化的束流強度、生長速率以及合適的襯底預(yù)處理方法，可以生長出高質(zhì)量、成分均勻且晶體缺陷較少的Si基GeSn合金，為制備高性能的光電器件奠定堅實的材料基礎(chǔ)。3.1.3MBE生長的GeSn合金質(zhì)量分析利用X射線衍射（XRD）技術(shù)對MBE生長的Si基GeSn合金進(jìn)行分析，可以獲得關(guān)于合金晶體結(jié)構(gòu)和成分的重要信息。XRD的基本原理是基于X射線與晶體中原子的相互作用。當(dāng)X射線照射到晶體上時，會發(fā)生衍射現(xiàn)象，根據(jù)衍射峰的位置、強度和寬度等特征，可以確定晶體的晶格常數(shù)、晶體取向以及晶體中的應(yīng)力狀態(tài)等。在Si基GeSn合金的XRD分析中，通過測量衍射峰的位置，可以計算出合金的晶格常數(shù)。由于GeSn合金的晶格常數(shù)會隨著Sn含量的增加而增大，因此通過XRD測量的晶格常數(shù)可以間接推算出合金中的Sn含量。例如，通過精確測量XRD圖譜中GeSn合金的(004)衍射峰位置，并與標(biāo)準(zhǔn)圖譜進(jìn)行對比，可以準(zhǔn)確計算出合金的晶格常數(shù)，進(jìn)而確定Sn含量。XRD圖譜中的衍射峰強度和寬度也能反映合金的晶體質(zhì)量。高質(zhì)量的晶體具有尖銳且高強度的衍射峰，而晶體中的缺陷、位錯等會導(dǎo)致衍射峰展寬和強度降低。通過分析XRD衍射峰的半高寬（FWHM），可以評估合金的晶體質(zhì)量。較小的FWHM值表示晶體的結(jié)晶質(zhì)量較好，缺陷和位錯較少。例如，經(jīng)過優(yōu)化MBE生長參數(shù)后生長的GeSn合金，其XRD衍射峰的FWHM明顯減小，表明合金的晶體質(zhì)量得到了顯著提升。透射電子顯微鏡（TEM）是研究MBE生長的GeSn合金微觀結(jié)構(gòu)的有力工具，能夠直觀地觀察合金的晶體結(jié)構(gòu)、缺陷分布以及界面狀況。TEM利用高能電子束穿透樣品，通過電子與樣品原子的相互作用，產(chǎn)生不同的散射和衍射現(xiàn)象，從而形成樣品的微觀圖像。在GeSn合金的TEM分析中，可以觀察到合金的晶體結(jié)構(gòu)是否完整，是否存在位錯、層錯等缺陷。例如，通過高分辨率TEM圖像，可以清晰地看到GeSn合金的晶格條紋，判斷晶格的完整性和原子排列的有序性。對于存在位錯的區(qū)域，TEM圖像會顯示出位錯線的特征，通過分析位錯的密度和分布，可以評估合金的質(zhì)量。TEM還可以用于觀察GeSn合金與硅襯底之間的界面。高質(zhì)量的界面應(yīng)該是清晰、平整且無明顯缺陷的。通過TEM觀察界面的微觀結(jié)構(gòu)，可以確定界面處是否存在晶格失配引起的應(yīng)力集中區(qū)域，以及是否有雜質(zhì)或缺陷的聚集。例如，在優(yōu)化生長工藝后，Temu圖像顯示GeSn合金與硅襯底之間的界面平整，晶格匹配良好，位錯密度明顯降低，這表明合金與襯底之間的結(jié)合質(zhì)量得到了提高，有利于提高器件的性能和穩(wěn)定性。除了XRD和Temu外，光致發(fā)光譜（PL）、拉曼光譜等分析手段也常用于MBE生長的GeSn合金質(zhì)量分析。PL光譜可以檢測合金中的發(fā)光特性，通過分析發(fā)光峰的位置、強度和半高寬等參數(shù)，可以了解合金的帶隙結(jié)構(gòu)、缺陷態(tài)以及雜質(zhì)含量等信息。例如，GeSn合金的PL光譜中，發(fā)光峰的位置與合金的帶隙相關(guān)，通過測量發(fā)光峰的能量，可以推算出合金的帶隙大小。而發(fā)光峰的強度和半高寬則可以反映合金中缺陷和雜質(zhì)的影響。較低的缺陷和雜質(zhì)含量會導(dǎo)致PL光譜中發(fā)光峰強度較高且半高寬較窄。拉曼光譜則可以提供關(guān)于合金中化學(xué)鍵振動模式的信息，通過分析拉曼峰的位置和強度，可以確定合金的成分、晶體結(jié)構(gòu)以及應(yīng)力狀態(tài)等。例如，GeSn合金的拉曼光譜中，不同的拉曼峰對應(yīng)著Ge-Ge鍵、Sn-Sn鍵以及Ge-Sn鍵的振動模式，通過分析這些拉曼峰的變化，可以了解合金中成分的變化以及化學(xué)鍵的狀態(tài)。綜合運用這些分析手段，可以全面、深入地評估MBE生長的GeSn合金的質(zhì)量，為進(jìn)一步優(yōu)化生長工藝和制備高性能光電器件提供有力的實驗依據(jù)。3.2化學(xué)氣相沉積（CVD）生長技術(shù)3.2.1CVD生長原理與設(shè)備化學(xué)氣相沉積（ChemicalVaporDeposition，CVD）是一種在半導(dǎo)體材料制備中廣泛應(yīng)用的外延生長技術(shù)。其基本原理是利用氣態(tài)的硅、鍺、錫等源物質(zhì)（如硅烷SiH?、鍺烷GeH?、四甲基錫Sn(CH?)?等）在高溫和催化劑的作用下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，分解產(chǎn)生的原子或分子在襯底表面進(jìn)行沉積和反應(yīng)，從而生長出外延層。以Si基GeSn合金的CVD生長為例，反應(yīng)過程中，硅烷、鍺烷和四甲基錫在高溫下分解，硅、鍺、錫原子在襯底表面相互結(jié)合，按照襯底的晶體結(jié)構(gòu)排列，逐漸形成GeSn合金外延層?；瘜W(xué)反應(yīng)方程式可表示為（以硅烷、鍺烷和四甲基錫為例）：SiH?→Si+2H?，GeH?→Ge+2H?，Sn(CH?)?→Sn+4CH?。在實際生長過程中，反應(yīng)機(jī)制更為復(fù)雜，涉及到氣體分子在襯底表面的吸附、擴(kuò)散、化學(xué)反應(yīng)以及產(chǎn)物的脫附等多個步驟。根據(jù)反應(yīng)壓力的不同，CVD可分為常壓化學(xué)氣相沉積（APCVD）和低壓化學(xué)氣相沉積（LPCVD）等。APCVD是在常壓（約101.3kPa）下進(jìn)行的化學(xué)氣相沉積過程。其優(yōu)點是設(shè)備簡單，沉積速率較高，能夠在較短的時間內(nèi)生長出較厚的外延層，適用于一些對生長速度要求較高的應(yīng)用場景。例如，在大規(guī)模制備一些對晶體質(zhì)量要求相對較低的半導(dǎo)體材料時，APCVD可以提高生產(chǎn)效率。然而，APCVD也存在一些缺點，由于在常壓下進(jìn)行反應(yīng)，氣體分子的碰撞頻率較高，容易導(dǎo)致顆粒的產(chǎn)生，這些顆?？赡軙A雜在外延層中，影響材料的質(zhì)量。此外，APCVD的臺階覆蓋性較差，在一些具有復(fù)雜表面形貌的襯底上生長外延層時，難以保證外延層的均勻性。LPCVD則是在低壓（通常為1-100Pa）環(huán)境下進(jìn)行的化學(xué)氣相沉積。低壓環(huán)境使得氣體分子的平均自由程增大，分子之間的碰撞頻率降低，從而減少了顆粒的產(chǎn)生，有利于生長出均勻、雜質(zhì)少的外延層。LPCVD常用于沉積高質(zhì)量的非晶硅、多晶硅和氧化硅薄膜等，在微電子器件制造中具有廣泛的應(yīng)用。在Si基GeSn合金生長中，LPCVD能夠精確控制合金的成分和厚度，提高合金的晶體質(zhì)量。由于生長過程在低壓下進(jìn)行，設(shè)備的密封性要求較高，對工藝控制的精度也有較高要求，這增加了設(shè)備成本和工藝難度。CVD設(shè)備主要由反應(yīng)室、加熱系統(tǒng)、氣路系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等部分組成。反應(yīng)室是化學(xué)反應(yīng)發(fā)生的核心區(qū)域，通常采用耐高溫、耐腐蝕的材料制成，能夠承受高溫和化學(xué)氣體的侵蝕。反應(yīng)室需要保持高真空或低壓環(huán)境，以確保反應(yīng)物充分混合和均勻沉積。加熱系統(tǒng)用于將襯底加熱至所需的反應(yīng)溫度，激活襯底表面的原子，促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行。常見的加熱方式有電阻加熱、感應(yīng)加熱和紅外加熱等。氣路系統(tǒng)負(fù)責(zé)將反應(yīng)物和載氣（如氫氣、氮氣等）輸送至反應(yīng)室，并精確控制氣體的流量和比例。通過質(zhì)量流量控制器（MFC）等設(shè)備，可以實現(xiàn)對氣體流量的精確調(diào)節(jié)，從而控制外延層的生長速率和成分。排氣系統(tǒng)用于排除反應(yīng)過程中產(chǎn)生的廢氣，維持反應(yīng)室的壓力穩(wěn)定，并將廢氣進(jìn)行處理，以滿足環(huán)保要求?？刂葡到y(tǒng)對設(shè)備的各個部分進(jìn)行整體控制，包括加熱溫度、氣體流量、壓力等參數(shù)的設(shè)定和調(diào)節(jié)。通過自動化控制系統(tǒng)，可以實現(xiàn)對生長過程的精確控制和監(jiān)測，提高生長的穩(wěn)定性和重復(fù)性。3.2.2CVD生長工藝參數(shù)優(yōu)化在Si基GeSn合金的CVD生長過程中，氣體流量是一個關(guān)鍵的工藝參數(shù)，對合金的生長質(zhì)量和成分有著重要影響。以硅烷（SiH?）、鍺烷（GeH?）和四甲基錫（Sn(CH?)?）作為氣源為例，它們的流量比例直接決定了到達(dá)襯底表面的Si、Ge、Sn原子的數(shù)量比例，從而影響GeSn合金的成分。如果硅烷流量過高，而鍺烷和四甲基錫流量過低，會導(dǎo)致合金中Si含量過高，Ge和Sn含量不足，無法達(dá)到所需的合金組成。反之，如果四甲基錫流量過高，可能會導(dǎo)致Sn原子在表面的堆積，形成Sn的團(tuán)簇或析出相，破壞合金的晶體結(jié)構(gòu)。研究表明，通過精確調(diào)節(jié)硅烷、鍺烷和四甲基錫的流量比例，可以實現(xiàn)對GeSn合金中Sn含量的精確控制。例如，當(dāng)需要生長Sn含量為10%的GeSn合金時，通過實驗確定合適的硅烷、鍺烷和四甲基錫的流量比例，并在生長過程中嚴(yán)格控制這一比例，能夠成功生長出目標(biāo)成分的合金。氣體流量還會影響合金的生長速率。較高的氣體流量會使生長速率加快，但可能會導(dǎo)致原子在表面的沉積速度過快，來不及進(jìn)行充分的擴(kuò)散和反應(yīng)，從而影響合金的質(zhì)量。因此，在實際生長過程中，需要根據(jù)具體的生長需求和設(shè)備條件，優(yōu)化氣體流量，以平衡生長速率和合金質(zhì)量之間的關(guān)系。一般來說，較低的氣體流量有利于獲得高質(zhì)量的外延層，但生長周期會相應(yīng)延長；而較高的氣體流量可以提高生長效率，但需要更加嚴(yán)格地控制生長過程，以確保合金質(zhì)量。反應(yīng)溫度是影響Si基GeSn合金CVD生長的另一個重要因素。反應(yīng)溫度會影響化學(xué)反應(yīng)的速率和原子在襯底表面的遷移率。當(dāng)反應(yīng)溫度較低時，化學(xué)反應(yīng)速率較慢，原子的遷移率也較低，原子在襯底表面的擴(kuò)散能力受限，難以找到合適的晶格位置進(jìn)行沉積，容易導(dǎo)致原子的聚集，形成較多的缺陷和位錯，從而降低合金的晶體質(zhì)量。同時，較低的溫度也會使原子之間的化學(xué)鍵合不充分，導(dǎo)致合金成分不均勻。例如，在較低溫度下生長的GeSn合金，可能會出現(xiàn)Sn原子的偏析現(xiàn)象，使得合金中Sn含量分布不均。相反，當(dāng)反應(yīng)溫度過高時，化學(xué)反應(yīng)速率過快，可能會導(dǎo)致生長過程難以控制，同時原子的遷移率過高，會使原子的脫附現(xiàn)象加劇，導(dǎo)致生長速率不穩(wěn)定。過高的溫度還可能引發(fā)襯底和外延層之間的熱應(yīng)力增大，導(dǎo)致外延層出現(xiàn)裂紋或剝落等問題。此外，高溫下雜質(zhì)的擴(kuò)散也會加劇，影響合金的電學(xué)性能。通過大量的實驗研究發(fā)現(xiàn)，對于Si基GeSn合金的CVD生長，反應(yīng)溫度在500-800℃范圍內(nèi)較為合適。在這個溫度區(qū)間內(nèi)，化學(xué)反應(yīng)速率適中，原子具有適當(dāng)?shù)倪w移率，能夠在保證生長速率的同時，有效減少缺陷的產(chǎn)生，提高合金的晶體質(zhì)量和成分均勻性。除了氣體流量和反應(yīng)溫度外，反應(yīng)壓力、沉積時間等工藝參數(shù)也會對Si基GeSn合金的生長質(zhì)量產(chǎn)生影響。反應(yīng)壓力會影響氣體分子的平均自由程和碰撞頻率，進(jìn)而影響反應(yīng)的進(jìn)行和外延層的生長。在低壓CVD中，較低的反應(yīng)壓力可以減少顆粒的產(chǎn)生，提高外延層的質(zhì)量。然而，過低的壓力可能會導(dǎo)致生長速率過慢，增加生產(chǎn)成本。因此，需要根據(jù)具體的生長工藝和材料要求，優(yōu)化反應(yīng)壓力。沉積時間則直接決定了外延層的厚度。在生長過程中，需要根據(jù)所需的外延層厚度，精確控制沉積時間。沉積時間過長可能會導(dǎo)致外延層過厚，增加材料的應(yīng)力和缺陷；而沉積時間過短則無法達(dá)到所需的厚度要求。通過優(yōu)化這些工藝參數(shù)的組合，可以進(jìn)一步提高Si基GeSn合金的生長質(zhì)量，為后續(xù)的光電器件制備提供優(yōu)質(zhì)的材料基礎(chǔ)。例如，在特定的氣體流量和反應(yīng)溫度下，結(jié)合優(yōu)化的反應(yīng)壓力和沉積時間，可以生長出高質(zhì)量、成分均勻且晶體缺陷較少的Si基GeSn合金，為制備高性能的光電器件奠定堅實的材料基礎(chǔ)。3.2.3CVD生長的GeSn合金質(zhì)量分析Raman光譜是一種用于分析材料化學(xué)鍵振動模式和結(jié)構(gòu)信息的有力工具，在CVD生長的Si基GeSn合金質(zhì)量分析中具有重要應(yīng)用。Raman光譜的基本原理是基于光與物質(zhì)分子的相互作用，當(dāng)光照射到材料上時，會與材料中的分子發(fā)生非彈性散射，散射光的頻率與入射光的頻率存在差異，這種頻率差異稱為拉曼位移。不同的化學(xué)鍵具有不同的振動模式，對應(yīng)著特定的拉曼位移。在GeSn合金中，Ge-Ge鍵、Sn-Sn鍵以及Ge-Sn鍵的振動模式會產(chǎn)生不同的拉曼峰。通過分析這些拉曼峰的位置、強度和寬度等特征，可以獲取關(guān)于GeSn合金的成分、晶體結(jié)構(gòu)以及應(yīng)力狀態(tài)等信息。例如，隨著GeSn合金中Sn含量的增加，Ge-Sn鍵的拉曼峰強度會逐漸增強，同時峰位會發(fā)生移動，通過測量這些變化，可以定量分析合金中的Sn含量。晶體結(jié)構(gòu)的完整性也會影響拉曼峰的寬度和對稱性。高質(zhì)量的GeSn合金晶體結(jié)構(gòu)完整，拉曼峰尖銳且對稱；而存在缺陷或位錯的合金，拉曼峰則會展寬且對稱性變差。通過分析拉曼峰的半高寬（FWHM）和對稱性，可以評估合金的晶體質(zhì)量。此外，GeSn合金中的應(yīng)力狀態(tài)也會對拉曼峰產(chǎn)生影響。當(dāng)合金受到應(yīng)力作用時，化學(xué)鍵的振動模式會發(fā)生改變，導(dǎo)致拉曼峰的位置和強度發(fā)生變化。通過測量拉曼峰的位移和強度變化，可以推斷合金中的應(yīng)力大小和方向。原子力顯微鏡（AFM）能夠提供CVD生長的GeSn合金表面形貌的高分辨率圖像，從而評估其表面質(zhì)量和均勻性。AFM的工作原理是利用一個微小的探針在樣品表面進(jìn)行掃描，通過檢測探針與樣品表面之間的相互作用力（如范德華力、靜電力等），來獲取樣品表面的形貌信息。在GeSn合金的AFM分析中，可以觀察到合金表面的粗糙度、顆粒大小和分布以及臺階高度等特征。表面粗糙度是評估GeSn合金質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。較低的表面粗糙度意味著合金表面更加平整，有利于后續(xù)的器件制備工藝。通過AFM測量表面粗糙度參數(shù)，如均方根粗糙度（RMS）等，可以定量評估合金表面的平整度。例如，經(jīng)過優(yōu)化CVD生長工藝后，GeSn合金的表面RMS粗糙度明顯降低，表明合金表面質(zhì)量得到了提高。AFM還可以觀察到合金表面的顆粒大小和分布情況。均勻分布的細(xì)小顆粒表明合金生長過程較為穩(wěn)定，而出現(xiàn)大顆?；蝾w粒團(tuán)聚現(xiàn)象則可能意味著生長過程存在異常，如原子的聚集或雜質(zhì)的存在。此外，對于具有臺階結(jié)構(gòu)的GeSn合金，AFM可以精確測量臺階的高度和寬度，了解臺階的均勻性和連續(xù)性，這對于研究合金的生長模式和晶體質(zhì)量具有重要意義。除了Raman光譜和AFM外，X射線衍射（XRD）、光致發(fā)光譜（PL）等分析手段也常用于CVD生長的GeSn合金質(zhì)量分析。XRD可以確定合金的晶體結(jié)構(gòu)、晶格常數(shù)以及晶體中的應(yīng)力狀態(tài)等信息。通過測量XRD圖譜中衍射峰的位置、強度和寬度等特征，可以計算出合金的晶格常數(shù)，進(jìn)而推斷出Sn含量和應(yīng)力狀態(tài)。PL光譜則可以檢測合金中的發(fā)光特性，通過分析發(fā)光峰的位置、強度和半高寬等參數(shù)，可以了解合金的帶隙結(jié)構(gòu)、缺陷態(tài)以及雜質(zhì)含量等信息。綜合運用這些分析手段，可以全面、深入地評估CVD生長的GeSn合金的質(zhì)量，為進(jìn)一步優(yōu)化生長工藝和制備高性能光電器件提供有力的實驗依據(jù)。3.3其他外延生長技術(shù)探索除了分子束外延（MBE）和化學(xué)氣相沉積（CVD）這兩種常用的外延生長技術(shù)外，科研人員還在不斷探索其他用于Si基GeSn合金外延生長的技術(shù)，如磁控濺射外延、電子束蒸發(fā)外延等，這些技術(shù)各自具有獨特的優(yōu)勢和局限性。磁控濺射外延是在濺射技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的一種外延生長方法。其原理是利用磁場來約束電子的運動軌跡，增加電子與氣體分子的碰撞概率，從而提高濺射效率。在Si基GeSn合金的磁控濺射外延中，通常將鍺（Ge）和錫（Sn）靶材放置在濺射室內(nèi)，在高真空環(huán)境下，通過通入惰性氣體（如氬氣Ar）并施加電場，使氬氣電離產(chǎn)生等離子體。等離子體中的氬離子在電場作用下加速轟擊Ge和Sn靶材，將靶材表面的Ge和Sn原子濺射出來，這些原子在硅襯底表面沉積并反應(yīng)，逐漸生長出GeSn合金外延層。磁控濺射外延具有設(shè)備簡單、成本相對較低的優(yōu)勢。與MBE和CVD設(shè)備相比，磁控濺射設(shè)備的結(jié)構(gòu)較為簡單，投資成本和運行成本都相對較低，這使得它在一些對成本較為敏感的應(yīng)用場景中具有一定的競爭力。它還具有較高的沉積速率。通過優(yōu)化濺射參數(shù)，如濺射功率、氣體流量等，可以實現(xiàn)較快的生長速度，能夠在較短的時間內(nèi)生長出一定厚度的GeSn合金外延層，提高生產(chǎn)效率。磁控濺射外延生長的薄膜與襯底之間的附著力較強，這有利于提高器件的穩(wěn)定性和可靠性。在實際應(yīng)用中，薄膜與襯底之間的良好附著力可以減少薄膜脫落等問題，延長器件的使用壽命。不過，磁控濺射外延也存在一些局限性。由于濺射過程中原子的能量較高，可能會對襯底表面造成一定的損傷，影響外延層的質(zhì)量。高能原子的轟擊可能會導(dǎo)致襯底表面的原子晶格結(jié)構(gòu)發(fā)生畸變，引入缺陷，這些缺陷可能會在后續(xù)的外延生長過程中傳播，影響GeSn合金的晶體質(zhì)量和電學(xué)性能。該技術(shù)生長的GeSn合金薄膜的晶體質(zhì)量相對較低，存在較多的缺陷和位錯。相比于MBE和CVD生長的高質(zhì)量外延層，磁控濺射外延生長的薄膜中缺陷密度較高，這可能會導(dǎo)致合金的電學(xué)和光學(xué)性能下降，如載流子遷移率降低、發(fā)光效率下降等。在成分控制方面，磁控濺射外延也存在一定的困難。由于濺射過程中原子的濺射速率和沉積速率受到多種因素的影響，如靶材的成分、濺射功率、氣體流量等，精確控制GeSn合金中Ge和Sn的比例較為困難，這可能會導(dǎo)致合金成分不均勻，影響材料的性能。電子束蒸發(fā)外延是利用高能電子束加熱蒸發(fā)源，使Ge和Sn等材料蒸發(fā)后在硅襯底表面沉積并反應(yīng)，從而實現(xiàn)GeSn合金外延生長的技術(shù)。在電子束蒸發(fā)外延過程中，電子槍發(fā)射出高能電子束，聚焦在Ge和Sn蒸發(fā)源上，電子束的能量被蒸發(fā)源吸收，使Ge和Sn原子獲得足夠的能量從蒸發(fā)源表面蒸發(fā)出來。這些蒸發(fā)的原子在真空中飛向硅襯底表面，在襯底表面吸附、擴(kuò)散和反應(yīng)，逐漸形成GeSn合金外延層。電子束蒸發(fā)外延的一個顯著優(yōu)勢是可以精確控制蒸發(fā)源的蒸發(fā)速率。通過調(diào)節(jié)電子束的功率和掃描方式，可以精確控制Ge和Sn原子的蒸發(fā)量，從而實現(xiàn)對GeSn合金生長速率和成分的精確控制。這對于制備具有特定性能要求的GeSn合金材料非常重要，例如在光電器件中，需要精確控制GeSn合金的成分和厚度，以滿足其光學(xué)性能要求。該技術(shù)生長過程在高真空環(huán)境下進(jìn)行，能夠有效減少雜質(zhì)的引入，有利于生長出高純度的GeSn合金外延層。高純度的外延層對于提高GeSn合金的電學(xué)和光學(xué)性能具有重要意義，例如可以降低材料的電阻，提高發(fā)光效率等。然而，電子束蒸發(fā)外延也面臨一些挑戰(zhàn)。生長速率相對較低是其主要局限性之一。由于電子束蒸發(fā)的原理限制，蒸發(fā)源的蒸發(fā)速率相對較慢，導(dǎo)致GeSn合金的生長速率較低，這在大規(guī)模生產(chǎn)中可能會影響生產(chǎn)效率，增加生產(chǎn)成本。電子束蒸發(fā)外延對設(shè)備的要求較高，設(shè)備成本昂貴。電子束蒸發(fā)需要配備高真空系統(tǒng)、電子槍、蒸發(fā)源等高端設(shè)備，這些設(shè)備的投資成本和運行成本都較高，限制了該技術(shù)的廣泛應(yīng)用。在生長過程中，電子束蒸發(fā)外延還可能會產(chǎn)生一些有害的輻射和廢氣，需要進(jìn)行妥善的處理，以確保生產(chǎn)環(huán)境的安全和環(huán)保。四、Si基GeSn合金光電器件制備工藝4.1GeSn光電探測器制備4.1.1探測器結(jié)構(gòu)設(shè)計GeSn光電探測器的結(jié)構(gòu)設(shè)計對其性能起著關(guān)鍵作用，常見的結(jié)構(gòu)有p-i-n結(jié)構(gòu)和肖特基結(jié)構(gòu)，不同結(jié)構(gòu)具有各自的特點和優(yōu)勢，對探測器性能產(chǎn)生不同影響。p-i-n結(jié)構(gòu)的GeSn光電探測器由p型半導(dǎo)體、本征半導(dǎo)體（i層）和n型半導(dǎo)體組成。在這種結(jié)構(gòu)中，當(dāng)光照射到探測器上時，光子在本征層被吸收，產(chǎn)生電子-空穴對。由于p-i-n結(jié)存在內(nèi)建電場，電子和空穴在內(nèi)建電場的作用下分別向n區(qū)和p區(qū)漂移，從而在外電路中產(chǎn)生光電流。本征層的存在增大了耗盡區(qū)的寬度，這使得光生載流子在耗盡區(qū)內(nèi)的漂移距離增加，從而提高了光生載流子的收集效率。與普通的pn結(jié)探測器相比，p-i-n結(jié)構(gòu)能夠更有效地分離光生載流子，減少復(fù)合概率，從而提高探測器的響應(yīng)度。例如，在一些研究中，通過優(yōu)化p-i-n結(jié)構(gòu)中本征層的厚度和材料質(zhì)量，探測器的響應(yīng)度得到了顯著提升。本征層厚度的增加會導(dǎo)致載流子的漂移時間變長，這可能會影響探測器的響應(yīng)速度。因此，在設(shè)計p-i-n結(jié)構(gòu)的GeSn光電探測器時，需要在響應(yīng)度和響應(yīng)速度之間進(jìn)行權(quán)衡，根據(jù)具體應(yīng)用需求來優(yōu)化本征層的厚度。此外，p-i-n結(jié)構(gòu)的探測器暗電流相對較低，這是因為本征層的存在減少了雜質(zhì)和缺陷對載流子的影響。較低的暗電流有利于提高探測器的探測率，使其在微弱光信號檢測中具有更好的性能。肖特基結(jié)構(gòu)的GeSn光電探測器則是基于金屬-半導(dǎo)體接觸形成的肖特基勢壘。當(dāng)光照射到探測器上時，光子在半導(dǎo)體中產(chǎn)生電子-空穴對。在肖特基勢壘的內(nèi)建電場作用下，電子和空穴被分離，從而產(chǎn)生光電流。肖特基結(jié)構(gòu)的探測器具有響應(yīng)速度快的優(yōu)點，這是因為金屬-半導(dǎo)體界面的載流子輸運過程相對簡單，沒有p-n結(jié)中復(fù)雜的擴(kuò)散和復(fù)合過程。在高速光通信等對響應(yīng)速度要求較高的應(yīng)用中，肖特基結(jié)構(gòu)的GeSn光電探測器具有明顯的優(yōu)勢。肖特基結(jié)構(gòu)的探測器在制備工藝上相對簡單，不需要進(jìn)行復(fù)雜的摻雜工藝。這使得肖特基結(jié)構(gòu)的探測器在大規(guī)模制備和集成方面具有一定的便利性。然而，肖特基結(jié)構(gòu)的探測器也存在一些缺點，其中最主要的是暗電流相對較高。這是由于肖特基勢壘的存在，使得熱電子發(fā)射和隧穿等過程更容易發(fā)生，從而導(dǎo)致暗電流增大。較高的暗電流會降低探測器的探測率，限制其在一些對探測率要求較高的應(yīng)用中的使用。為了降低肖特基結(jié)構(gòu)探測器的暗電流，可以通過優(yōu)化金屬-半導(dǎo)體界面的質(zhì)量、選擇合適的金屬材料以及采用表面鈍化等技術(shù)來實現(xiàn)。除了p-i-n結(jié)構(gòu)和肖特基結(jié)構(gòu)外，還有一些其他的GeSn光電探測器結(jié)構(gòu)，如雪崩光電二極管（APD）結(jié)構(gòu)等。APD結(jié)構(gòu)的GeSn光電探測器在高反向偏壓下，光生載流子會在耗盡區(qū)內(nèi)發(fā)生雪崩倍增效應(yīng)，從而使光電流得到放大。這種結(jié)構(gòu)的探測器具有很高的增益，能夠檢測到極其微弱的光信號。雪崩倍增過程也會引入噪聲，因此在設(shè)計和應(yīng)用APD結(jié)構(gòu)的GeSn光電探測器時，需要對增益和噪聲進(jìn)行綜合考慮，通過優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)和工作條件來平衡兩者之間的關(guān)系。不同的GeSn光電探測器結(jié)構(gòu)在響應(yīng)度、響應(yīng)速度、暗電流、探測率等性能指標(biāo)上存在差異。在實際應(yīng)用中，需要根據(jù)具體的應(yīng)用場景和性能要求，選擇合適的探測器結(jié)構(gòu)，并對結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以實現(xiàn)探測器性能的最優(yōu)化。例如，在光通信領(lǐng)域，可能更注重探測器的響應(yīng)速度和探測率，此時可以選擇肖特基結(jié)構(gòu)或優(yōu)化后的p-i-n結(jié)構(gòu)；而在紅外成像等領(lǐng)域，可能更關(guān)注探測器的響應(yīng)度和暗電流，p-i-n結(jié)構(gòu)或APD結(jié)構(gòu)可能更為合適。4.1.2制備工藝流程GeSn光電探測器的制備是一個復(fù)雜且精細(xì)的過程，涵蓋了襯底準(zhǔn)備、外延層生長、電極制備等多個關(guān)鍵步驟，每個步驟都對探測器的最終性能有著重要影響，下面將詳細(xì)闡述其制備工藝流程及各步驟的關(guān)鍵工藝參數(shù)。在襯底準(zhǔn)備階段，硅（Si）襯底因其與Si基GeSn合金良好的兼容性以及成熟的工藝技術(shù)，成為首選材料。然而，Si與GeSn合金之間存在晶格失配，這會在生長過程中引入應(yīng)力，影響GeSn合金薄膜的質(zhì)量和性能。為了緩解這種晶格失配，通常會在Si襯底上生長一層鍺（Ge）緩沖層。Ge的晶格常數(shù)介于Si和GeSn合金之間，通過生長Ge緩沖層可以部分釋放晶格失配帶來的應(yīng)力。在生長Ge緩沖層之前，需要對Si襯底進(jìn)行嚴(yán)格的清洗和預(yù)處理。首先，使用化學(xué)試劑如氫氟酸（HF）去除Si襯底表面的氧化層，因為氧化層的存在會影響Ge緩沖層的生長質(zhì)量。然后，通過高溫退火等方法對襯底進(jìn)行處理，以改善襯底表面的平整度和晶體結(jié)構(gòu)。經(jīng)過預(yù)處理后的Si襯底，其表面粗糙度應(yīng)控制在一定范圍內(nèi)，例如小于1nm，以確保后續(xù)Ge緩沖層和GeSn外延層的均勻生長。在生長Ge緩沖層時，常用的生長技術(shù)如分子束外延（MBE）或化學(xué)氣相沉積（CVD），生長溫度、生長速率等參數(shù)需要精確控制。以MBE生長Ge緩沖層為例，生長溫度一般控制在500-600℃，生長速率約為0.1-0.5monolayers/s。合適的生長溫度和速率可以保證Ge原子在襯底表面有足夠的遷移率，從而形成高質(zhì)量的Ge緩沖層。生長完成后，Ge緩沖層的厚度通常在幾百納米到幾微米之間，具體厚度根據(jù)實際需求和后續(xù)生長工藝進(jìn)行調(diào)整。外延層生長是制備GeSn光電探測器的核心步驟之一，其生長質(zhì)量直接決定了探測器的性能。在Ge緩沖層上生長GeSn合金外延層時，同樣可以采用MBE或CVD技術(shù)。對于MBE生長，生長溫度一般在300-400℃，通過精確控制Ge和Sn原子束的流比例，可以實現(xiàn)對GeSn合金中Sn含量的精確控制。例如，當(dāng)需要生長Sn含量為10%的GeSn合金時，通過實驗確定合適的Ge和Sn原子束流強度比例，并在生長過程中嚴(yán)格控制這一比例。生長速率一般在0.05-0.2monolayers/s之間，較低的生長速率有利于獲得高質(zhì)量的外延層。在CVD生長中，以硅烷（SiH?）、鍺烷（GeH?）和四甲基錫（Sn(CH?)?）作為氣源，反應(yīng)溫度在500-800℃，通過精確調(diào)節(jié)硅烷、鍺烷和四甲基錫的氣體流量比例，可以控制GeSn合金的成分。例如，當(dāng)需要生長特定Sn含量的GeSn合金時，根據(jù)實驗確定的氣體流量比例，使用質(zhì)量流量控制器精確調(diào)節(jié)各氣體的流量。生長速率可以通過調(diào)節(jié)氣體流量和反應(yīng)壓力等參數(shù)進(jìn)行控制，一般在幾納米每分鐘到幾十納米每分鐘之間。生長完成后，需要對GeSn外延層進(jìn)行質(zhì)量檢測，常用的檢測手段如X射線衍射（XRD）、光致發(fā)光譜（PL）等。XRD可以檢測外延層的晶體結(jié)構(gòu)和晶格常數(shù)，通過與標(biāo)準(zhǔn)圖譜對比，判斷外延層的質(zhì)量和Sn含量是否符合要求。PL光譜可以檢測外延層的發(fā)光特性，通過分析發(fā)光峰的位置、強度和半高寬等參數(shù)，了解外延層的帶隙結(jié)構(gòu)、缺陷態(tài)以及雜質(zhì)含量等信息。電極制備是GeSn光電探測器制備的最后關(guān)鍵步驟之一，其質(zhì)量直接影響探測器的電學(xué)性能。在制備電極時，首先需要對GeSn外延層進(jìn)行光刻和刻蝕，定義出電極的位置和形狀。光刻過程中，使用光刻膠和掩模板，通過曝光和顯影等步驟，將電極圖案轉(zhuǎn)移到GeSn外延層上?？涛g工藝可以采用干法刻蝕或濕法刻蝕，干法刻蝕如反應(yīng)離子刻蝕（RIE）具有較高的刻蝕精度和選擇性，能夠精確地刻蝕出所需的電極圖案。濕法刻蝕則具有設(shè)備簡單、成本低的優(yōu)點，但刻蝕精度相對較低。在實際應(yīng)用中，通常會根據(jù)具體情況選擇合適的刻蝕方法或結(jié)合使用兩種刻蝕方法?？涛g完成后，需要在電極位置沉積金屬電極。常用的金屬材料如金（Au）、鈦（Ti）、鎳（Ni）等，這些金屬具有良好的導(dǎo)電性和穩(wěn)定性。沉積金屬電極的方法有電子束蒸發(fā)、磁控濺射等。以電子束蒸發(fā)為例，在高真空環(huán)境下，將金屬材料加熱蒸發(fā)，使其原子沉積在GeSn外延層的電極位置上。沉積過程中，需要精確控制金屬的蒸發(fā)速率和沉積厚度，以確保電極的質(zhì)量和性能。金屬電極的厚度一般在幾十納米到幾百納米之間，具體厚度根據(jù)實際需求和電學(xué)性能要求進(jìn)行調(diào)整。沉積完成后，還需要對電極進(jìn)行退火處理，以改善金屬與GeSn外延層之間的接觸性能，降低接觸電阻。退火溫度和時間等參數(shù)需要根據(jù)金屬材料和GeSn外延層的特性進(jìn)行優(yōu)化，一般退火溫度在300-500℃之間，退火時間在幾分鐘到幾十分鐘之間。除了上述主要步驟外，GeSn光電探測器的制備過程中還可能涉及其他工藝，如表面鈍化、絕緣層制備等。表面鈍化可以采用化學(xué)氣相沉積（CVD）等方法在GeSn外延層表面生長一層鈍化膜，如二氧化硅（SiO?）、氮化硅（Si?N?）等。鈍化膜可以減少表面態(tài)和雜質(zhì)的影響，提高探測器的穩(wěn)定性和可靠性。絕緣層制備則是在電極之間或電極與襯底之間生長一層絕緣材料，如二氧化硅等，以防止電極之間的漏電和短路。這些工藝的參數(shù)也需要根據(jù)具體情況進(jìn)行優(yōu)化，以確保探測器的性能。通過嚴(yán)格控制襯底準(zhǔn)備、外延層生長、電極制備等各個步驟的工藝參數(shù)，并結(jié)合適當(dāng)?shù)臋z測和優(yōu)化手段，可以制備出高質(zhì)量的GeSn光電探測器，為其在光通信、紅外成像等領(lǐng)域的應(yīng)用提供有力支持。4.1.3探測器性能測試與分析對制備的GeSn光電探測器進(jìn)行性能測試是評估其性能優(yōu)劣的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，主要測試參數(shù)包括響應(yīng)度、探測率、響應(yīng)速度等，通過對這些性能測試結(jié)果的分析，可以深入了解探測器的性能特點，找出影響性能的因素，為進(jìn)一步優(yōu)化探測器性能提供依據(jù)。響應(yīng)度是衡量GeSn光電探測器將光信號轉(zhuǎn)換為電信號能力的重要指標(biāo)，其定義為探測器輸出的光電流與入射光功率之比。響應(yīng)度的測試通常在特定的波長和偏壓條件下進(jìn)行。在測試過程中，使用穩(wěn)定的光源發(fā)射特定波長的光，如在光通信領(lǐng)域常用的1.3μm和1.55μm波長的光，將光照射到GeSn光電探測器上。通過調(diào)節(jié)入射光功率，測量探測器輸出的光電流，從而計算出響應(yīng)度。GeSn光電探測器的響應(yīng)度受到多種因素的影響。材料的吸收系數(shù)是影響響應(yīng)度的關(guān)鍵因素之一。GeSn合金的吸收系數(shù)與Sn含量密切相關(guān)，隨著Sn含量的增加，GeSn合金的吸收系數(shù)增大，這使得探測器能夠吸收更多的光子，從而提高響應(yīng)度。例如，當(dāng)Sn含量從5%增加到10%時，GeSn光電探測器在特定波長下的響應(yīng)度可能會提高50%左右。探測器的結(jié)構(gòu)也會對響應(yīng)度產(chǎn)生影響。在p-i-n結(jié)構(gòu)的探測器中，本征層的厚度和質(zhì)量會影響光生載流子的收集效率。適當(dāng)增加本征層的厚度可以提高光的吸收效率，但如果本征層過厚，會導(dǎo)致載流子的漂移時間變長，從而降低響應(yīng)速度。因此，需要在響應(yīng)度和響應(yīng)速度之間進(jìn)行權(quán)衡，優(yōu)化本征層的厚度。此外，探測器的表面狀態(tài)和界面質(zhì)量也會影響響應(yīng)度。表面存在缺陷或雜質(zhì)會導(dǎo)致光生載流子的復(fù)合增加，從而降低響應(yīng)度。通過表面鈍化等工藝可以改善表面狀態(tài)，提高響應(yīng)度。探測率是衡量GeSn光電探測器探測微弱光信號能力的重要參數(shù)，它綜合考慮了探測器的響應(yīng)度和噪聲水平。探測率的計算公式為探測率=響應(yīng)度/√(噪聲功率譜密度)。噪聲功率譜密度包括探測器的暗電流噪聲、熱噪聲等。在測試探測率時，首先需要測量探測器的噪聲功率譜密度?？梢允褂迷肼暅y試儀等設(shè)備，在無光照射的情況下，測量探測器的噪聲電流或噪聲電壓，通過傅里葉變換等方法計算出噪聲功率譜密度。然后，結(jié)合之前測量得到的響應(yīng)度，計算出探測器的探測率。影響GeSn光電探測器探測率的因素主要包括暗電流和噪聲。暗電流是指在無光照射時探測器產(chǎn)生的電流，它主要由熱激發(fā)產(chǎn)生的載流子、表面態(tài)和界面態(tài)的影響等因素引起。暗電流的存在會增加噪聲功率譜密度，從而降低探測率。為了降低暗電流，可以采用優(yōu)化探測器結(jié)構(gòu)、提高材料質(zhì)量、表面鈍化等方法。例如，通過優(yōu)化p-i-n結(jié)構(gòu)的本征層質(zhì)量，減少雜質(zhì)和缺陷，降低暗電流。噪聲還包括熱噪聲、散粒噪聲等。熱噪聲是由于載流子的熱運動產(chǎn)生的，它與溫度和電阻有關(guān)。通過降低探測器的工作溫度、優(yōu)化電極接觸電阻等方法，可以降低熱噪聲。散粒噪聲是由于光生載流子的隨機(jī)產(chǎn)生和復(fù)合引起的，它與光電流大小有關(guān)。在設(shè)計探測器時，需要綜合考慮這些噪聲因素，通過優(yōu)化探測器的結(jié)構(gòu)和工作條件，降低噪聲水平，提