Fabricación de microdiscos GeSn de alta calidad y relajados a la tensión mediante la integración de crecimiento epitaxial selectivo y métodos selectivos de grabado en húmedo

Métodos

Materiales

Las obleas Ge se compraron a la empresa AXT. Sinopharm Chemical Reagent (China) suministró acetona, alcohol isopropílico, ácido fluorhídrico, alcohol etílico, peróxido de hidrógeno, amoníaco acuoso e hidróxido de potasio. H ₂ desionizado Se obtuvo O (18,2 MΩ · cm) a partir de un sistema de ultrafiltración (Milli-Q, Millipore, Marlborough, MA).

Preparación del sustrato de Ge modelado

Las obleas de Ge (001) (tipo n, 0.025–0.031 Ωcm) se sumergieron primero en acetona y alcohol isopropílico durante 3 minutos y luego se limpiaron químicamente con una solución diluida de ácido fluorhídrico (HF:H ₂ O =1:20) durante 20 sa TA. Esto fue seguido por un enjuague con H ₂ desionizado O (DI – H ₂ O). El procedimiento de limpieza es de importancia, especialmente el tratamiento de HF para despegar la capa de óxido nativo y para asegurar que la superficie de Ge esté limpia y en estrecho contacto con el siguiente SiO ₂ capa. En este caso, el perfil de despegue se logra mediante la deposición de un Si / SiO ₂ capa compuesta. Luego, las obleas se secaron soplando N ₂ seco y se cargó rápidamente en la cámara de ultra alto vacío (UHV) de deposición química en fase de vapor mejorada con plasma (PECVD) y se recoció a 300 ° C durante 20 minutos para eliminar el gas por completo. Luego, un SiO ₂ de 300 nm La capa se depositó a la misma temperatura mediante PECVD seguido de una deposición de Si policristalino sin dopar a 50 nm mediante pulverización catódica con magnetrón a temperatura ambiente, como se muestra en la Fig. 1a. Aberturas circulares en el Si / SiO ₂ La capa compuesta se modela utilizando una técnica de fotolitografía estándar (Fig. 1b) y procesos de grabado en dos pasos (Fig. 1c, d).

La ilustración esquemática en sección transversal para la fabricación de los microdiscos GeSn suspendidos

En detalle, antes de modelar el Si / SiO ₂ / Ge oblea, la oblea se limpió con acetona, alcohol etílico y DI-H ₂ O, luego secar con secador con N ₂ y precocido en horno a 90 ° C. Posteriormente, se revistió por centrifugación mediante fotorresistente AZ5214 usando un revestidor por centrifugación a una velocidad de 4000 r / min durante 30 sy luego se colocó en una placa calefactora para horneado suave a 90 ° C durante 2 min. La máquina para fabricar placas (Heidelberg, uPG501) se utilizó luego para crear matrices de patrones en forma de círculo en el Si / SiO ₂ / Ge pilas. Los patrones circulares se fijan a 5 μm de distancia entre sí, mientras que el diámetro varía de 3 a 5 μm. Luego, los patrones se transfirieron al SiO ₂ inferior capa por grabado en dos pasos. El grabado en seco anisotrópico mediante grabado de iones reactivos con una mezcla de gas de CF ₄ y O ₂ se utilizó por primera vez para grabar Si / SiO ₂ capas y se detuvo con aproximadamente 20 nm SiO ₂ izquierda. Luego se contrató la disolución del fotorresistente y el grabado en húmedo con HF diluido a temperatura ambiente para eliminar el SiO ₂ izquierdo. capa para exponer el germanio en las aberturas circulares y también para grabar lateralmente debajo del borde definido de polisilicio para crear un voladizo que es el perfil deseado para el despegue.

Crecimiento de GeSn y fabricación de microdiscos

Para la deposición de película delgada GeSn, un sistema MBE de fuente sólida (Riber SSC) con una presión base de 2 × 10 ⁻¹⁰ Se utilizó Torr [32]. Un evaporador de haz de electrones y una celda de efusión pirolítica de BN que utilizan fuentes sólidas de alta pureza están equipados para la evaporación de Ge y Sn en el sistema MBE. Se utilizó un monitor de cristal de cuarzo para calibrar la tasa de deposición. Antes de cargar los sustratos estampados en el sistema UHV, los sustratos se limpiaron con O ₂ plasma para eliminar cualquier residuo orgánico inducido por el grabado en seco. Seguido de enjuague con acetona, alcohol isopropílico y HF diluido, los sustratos se transfirieron a la cámara de MBE para el crecimiento de GeSn. Después de la desorción térmica a 450 ° C durante 15 min, los sustratos se enfriaron in situ a 150 ° C para el crecimiento de la capa de aleación GeSn con una tasa de crecimiento de Ge de 0,5 Å s ⁻¹ y un flujo de Sn controlado como fuente de dopante. Esta temperatura de crecimiento es lo suficientemente baja como para restringir eficazmente la segregación de la superficie de Sn. Para evitar la oxidación, finalmente se depositó una capa de Ge de 10 nm a la misma temperatura.

Después del crecimiento, las aleaciones GeSn con una concentración nominal de Sn del 4% y el 10% se utilizarán para la fabricación de microdiscos. A continuación, se depositó una capa adicional de polisilicio de 30 nm de espesor en la parte superior de las muestras a temperatura ambiente utilizando pulverización catódica con magnetrón para proteger la capa de GeSn del siguiente ataque. Luego, el SiO ₂ de sacrificio La capa se eliminó utilizando HF diluido (1:1), lo que también conduce a la eliminación de la capa de polisilicio superpuesta y la película de GeSn depositada sobre ella. Como se puede ver en la Fig.2, se revelaron mesas GeSn circulares aisladas después del SiO ₂ se eliminó la capa. Sin embargo, la periferia de la mesa circular no es tan suave, lo que es malo para los efectos de confinamiento óptico. La situación inesperada es causada por la deposición de GeSn en el borde del SiO ₂ inferior capa que surge del insuficiente grabado lateral del SiO ₂ inferior y la deposición de ángulo anormal (30 °). Posteriormente, un simple paso de grabado en húmedo selectivo socava las mesas circulares en RT, lo que resulta en estructuras de microdiscos GeSn suspendidas. El grabador selectivo (APM) se compone de H ₂ O ₂ (31% en peso), NH ₄ OH (28% en peso) y DI-H ₂ O con una relación de volumen de 2:0,5:80 [30]. Finalmente, la capa protectora superior de polisilicio se eliminó con KOH. En la Fig. 1e – i se muestra un esquema de los pasos del proceso.

Imagen SEM de vista superior de mesas circulares GeSn de 5 μm de diámetro aisladas después de la eliminación de la máscara de sombra

En nuestro método para fabricar microdiscos GeSn, el grabado húmedo selectivo final es importante debido a las diferentes velocidades de grabado para los materiales GeSn con diferentes concentraciones de Sn. La selectividad de grabado de Ge sobre Ge _{1 − x} Sn _x también variará con la concentración de Sn. Cuanto mayor sea la concentración de Sn en GeSn, mayor será la cobertura de superficie de SnO _y se desarrollará [33]. Reducirá la tasa de grabado en húmedo de GeSn y dará lugar a una mayor selectividad de grabado de Ge sobre GeSn. El estudio anterior informó que el H ₂ O ₂ grabado en húmedo a base de agua (H ₂ O ₂ :NH ₄ OH:H ₂ O =2:0.5:80), lo mismo con este trabajo, logra una selectividad de grabado de Ge sobre Ge _0.928 Sn _0.072 de 9:1 [30].

Resultados y discusión

La Figura 3a muestra la micrografía TEM en sección transversal de la mesa circular GeSn de 5 μm de diámetro sin la capa superior de polisilicio. Las figuras 3b, c son las micrografías de TEM de alta resolución (HRTEM) para las regiones A y B, correspondientes a la interfaz GeSn / Ge y la región media de la capa GeSn, respectivamente. El grosor de la película de la capa GeSn es de aproximadamente 250 nm (Fig. 3a) por debajo del grosor de la máscara de sombra. Como puede verse en la Fig. 3b, los defectos se localizan principalmente en la interfaz GeSn / Ge de 30 nm de espesor, lo que da como resultado el siguiente crecimiento de GeSn monocristalino. La imagen HRTEM de la región B muestra franjas reticulares claras de la capa GeSn, lo que indica que la aleación es altamente cristalina y el patrón de transformación rápida de Fourier (FFT) de la región B coincide con el patrón de difracción de GeSn como se muestra en la Fig. 3c. Además, para confirmar la concentración de Sn de la aleación GeSn, se completó la medición SIMS como se muestra en el recuadro de la Figura 3a. La concentración de Sn es del 9,8 ± 0,5%, de acuerdo con el valor nominal de aproximadamente el 10%. Aparte de eso, la distribución de los átomos de Sn es muy uniforme en el perfil de profundidad de la película de GeSn recién desarrollada.

un Imagen TEM de sección transversal de la mesa circular GeSn de 5 μm de diámetro sin capa superior de polisilicio. Recuadro:perfil de profundidad SIMS de la capa GeSn. b Imagen TEM de alta resolución de la interfaz GeSn / Ge (región A). c Imagen TEM de alta resolución para la región media de la capa GeSn (región B). Recuadro:patrón FFT de la región B

La estructura superficial de las muestras fue estudiada por SEM. La figura 4a muestra la imagen SEM de la vista superior del diámetro Ge _0.96 de 5 μm Sn _0.04 mesas circulares después de 510 s de grabado húmedo selectivo por solución APM a temperatura ambiente. Cabe mencionar que los agentes decapantes se preparan justo antes de los experimentos para evitar los efectos del envejecimiento químico. La imagen SEM indica que no solo el sustrato de Ge sino también una parte de la mesa GeSn están grabados. La falla al formar una estructura de disco para Ge _0.96 Sn _0.04 La aleación se debe a la baja concentración de Sn que da como resultado la baja selectividad de grabado de Ge sobre GeSn. En contraste con Ge _0.96 Sn _0.04 muestras, la muestra de mesa circular GeSn de 5 μm de diámetro con una concentración superior de Sn del 9,8% también se grabó con APM a temperatura ambiente. Como se muestra en la Fig. 4b, c. c, las estructuras de microdiscos se formaron con éxito para Ge _0.902 Sn _0.098 aleación después de 510 s de grabado en húmedo. Anteriormente, Han et al. [30] informó que fabricaron Ge _0.928 parcialmente suspendido Sn _0.072 microdiscos (de 5 μm de dimensión) con una muesca de aproximadamente 1,2 μm utilizando el H ₂ O ₂ grabado en húmedo a base de agua con una selectividad de 7:1. Sin embargo, después del grabado en húmedo selectivo, los bordes de su disco se doblan y fracturan debido a las fuertes fuerzas capilares atractivas que se desarrollan entre la estructura suspendida y el sustrato a medida que se elimina el líquido grabador, lo que hace que la estructura del microdiscos liberada entre en contacto con el sustrato [ 24]. Pero este fenómeno no ocurre en nuestros experimentos ni siquiera prolongando el grabado selectivo para eliminar casi por completo el pedestal de Ge debajo. Podría explicarse por la mayor selectividad de grabado y la capa de GeSn más gruesa de aproximadamente 250 nm. Curiosamente, los pedestales muestran facetas inesperadas con diferentes orientaciones que pueden ser causadas por la velocidad de grabado lateral dependiente de la orientación durante el proceso de grabado en húmedo selectivo.

Imágenes SEM después de un grabado húmedo selectivo. un 5 μm de diámetro Ge _0,96 Sn _0.04 mesas circulares después de 510 s de grabado. b , c 5 μm de diámetro Ge _0.902 Sn _0.098 mesas circulares después de 510 s de grabado

Además, los microdiscos con pedestales de Ge de diferentes diámetros se fabricaron controlando el tiempo de grabado selectivo. La Figura 5a muestra el diámetro del pedestal de Ge restante en función del tiempo de grabado en APM. Las barras de error representan la desviación estándar de los datos de cinco microdiscos diferentes en la misma muestra. La tendencia de línea similar indica que la tasa de grabado de Ge es aproximadamente igual para Ge _0.902 Sn _0.098 discos con diferentes diámetros de 3 μm y 5 μm, y está de acuerdo con el valor de la tasa de grabado de la Ref. [30]. Además, el diámetro mínimo del pedestal de Ge para el microdisco GeSn de pie es de unos 300 nm. Los microdiscos GeSn suspendidos serán derribados por las fuertes fuerzas capilares de atracción si los pedestales Ge se vuelven más pequeños.

un El diámetro del pedestal Ge en función del tiempo de grabado en húmedo selectivo para diámetros de 3 μm (línea discontinua verde) y 5 μm (línea discontinua azul) Ge _0.902 Sn _0.098 discos. b Mediciones de escaneo de línea de desplazamiento Raman realizadas a lo largo del diámetro de 5 μm Ge _0.902 Sn _0.098 mesa (punto verde) y microdiscos con pedestal Ge (punto morado) de 2 μm de diámetro y pedestal Ge (punto azul) de 300 nm de diámetro

Para investigar la distribución de deformación elástica de los microdiscos GeSn, se realizó μ-Raman a temperatura ambiente en discos de 5 μm de diámetro, utilizando un láser de 633 nm para excitación con un tamaño de punto de aproximadamente 600 nm. La potencia del láser es sólo el 1% de la potencia máxima (15 mw) para minimizar los efectos térmicos [34], y la profundidad de penetración del láser de excitación en las películas GeSn es de aproximadamente 50 nm [26]. El cambio Raman se midió ajustando los espectros con funciones de Lorentz.

La Figura 5b muestra los escaneos de línea Raman unidimensionales para Ge _0.902 Sn _0.098 microestructuras. Se observa claramente (1) para la mesa de 5 μm de diámetro sin socavación, el pico Raman asociado con el modo de fonón Ge-Ge LO se desplaza de manera no obvia hacia números de onda más bajos desde el centro hasta el borde de la mesa, y el gran cambio Raman indica que hay una gran tensión compresiva en la mesa GeSn; (2) para el microdisco de 5 μm de diámetro con pedestal de Ge de 2 μm de diámetro, el pico Raman asociado con el modo de fonón Ge-Ge LO se desplaza obviamente hacia números de onda más bajos desde el centro hasta el borde del disco, revelando un gradiente de deformación debido al anclaje al pedestal de Ge comparativamente grande. Y el microdisco GeSn de 5 µm con pedestal de 2 µm de diámetro todavía mantiene en su periferia una cierta cantidad de tensión compresiva; (3) las posiciones de los picos Ge-Ge medidas a lo largo del diámetro del Ge _0.902 de 5 μm Sn _0.098 Los microdiscos con pedestal Ge de 300 nm de diámetro permanecen consistentes y tienen un desplazamiento Raman reducido obviamente. Por lo tanto, se espera que los discos con pedestales de Ge estrechos (de aproximadamente 300 nm de diámetro) estén completamente relajados.

En la Fig. 6, presentamos el espectro de dispersión Raman típico de 5 μm de diámetro Ge _0.902 Sn _0.098 microdisco con pedestal Ge de 300 nm de diámetro. Para los discos, los espectros Raman muestran un pico asimétrico a una frecuencia de 292,4 cm ⁻¹ correspondiente al modo Ge-Ge LO. Los espectros Raman registrados para la mesa de 5 µm de diámetro y el sustrato de Ge (001) a granel de referencia también se representan para comparación. Tenga en cuenta que después de socavar, elimine el cambio Raman (- 6,3 cm ⁻¹ ) del pico Ge-Ge se puede observar para microdiscos de Sn al 9,8%, ya que el cambio de frecuencia Raman en las aleaciones de semiconductores está influenciado principalmente por la deformación y la composición. Estudios Raman anteriores [33, 35,36,37] han demostrado que el cambio Raman del modo fonón Ge-Ge LO en GeSn se puede expresar como una función de la concentración de Sn x _Sn y la deformación biaxial en el plano ε _∥ siguiendo la Ec. (1):

Comparación de los espectros Raman de 5 μm Ge _0.902 Sn _0.098 microdisco con pedestal Ge de 300 nm de diámetro, Ge _0.902 de 5 μm Sn _0.098 mesa de diámetro y un sustrato de Ge a granel como referencia. Recuadro:vista ampliada de los espectros Raman. Los picos de Ge-Sn también se pueden observar alrededor de 260 cm ⁻¹ y cambio hacia abajo con la disminución del diámetro de los pedestales Ge

$$ \ Delta \ omega ={\ omega} _ {\ mathrm {Ge} \ mathrm {Sn}} - {\ omega} _ {\ mathrm {Ge}} =\ mathrm {A} \ cdotp {x} _ { \ mathrm {Sn}} + \ mathrm {B} \ cdotp {\ varepsilon} _ {\ paralelo} $$ (1)

donde ω _GeSn y ω _Ge son la posición máxima del modo de fonón Ge-Ge LO en GeSn y en Ge a granel, respectivamente, mientras que A y B son coeficientes.

Los picos Ge-Ge LO Raman para la mesa y los discos muestran el desplazamiento de - 1,4 cm ⁻¹ y - 7,7 cm ⁻¹ en comparación con el pico de Ge a granel (300,1 cm ⁻¹ ). Tomando los coeficientes de resultados experimentales previos [37], el valor de la tinción biaxial en el plano ε _∥ se calcula que es - 1,18% para la mesa GeSn recién desarrollada. Para los microdiscos fabricados, la tinción biaxial en el plano ε _∥ es aproximadamente igual a 0, lo que confirma la relajación de deformación casi completa de los microdiscos. Según el cálculo teórico reciente de Ge _{1- x} Sn _x estructura de banda electrónica [38], la Ge _0.902 tal como creció Sn _0.098 La capa es un material de banda prohibida indirecta con una energía de banda prohibida de aproximadamente 0,56 eV, mientras que la Ge _0.902 completamente relajada Sn _0.098 microdisk es un material de banda prohibida directa con una energía de banda prohibida de 0,50 eV.

Conclusiones

En conclusión, los microdiscos GeSn se fabricaron con éxito combinando el crecimiento epitaxial selectivo con el proceso de grabado en húmedo selectivo. Se realizaron HRTEM y SEM para confirmar que la aleación GeSn es altamente cristalina y que la estructura del microdiscos GeSn se forma fácilmente mediante un simple grabado selectivo en húmedo. Las mediciones de μ-Raman revelan que la relajación de la deformación del microdisco GeSn será mayor al disminuir el diámetro del pedestal Ge debido a la restricción mecánica simultáneamente decreciente del pedestal Ge más pequeño. Y finalmente, los microdiscos GeSn de alta calidad y relajación total de la tensión se lograron mediante este método más rentable. El proceso de fabricación también es un método muy prometedor para lograr un tamaño de mesa de GeSn más pequeño hasta que el efecto de tamaño cuántico lateral se vuelva importante, y para obtener otras nanoestructuras de GeSn, como puntos cuánticos de GeSn, nanomechas de GeSn y nanocables de GeSn para futuros fotónicos y electrónicos compatibles con Si. aplicaciones del dispositivo.

Disponibilidad de datos y materiales

Los datos que respaldan los hallazgos de este trabajo están disponibles del autor correspondiente a solicitud razonable.

Abreviaturas

APM:

Mezcla de peróxido de amoníaco (grabador húmedo)

FFT:

Transformación rápida de Fourier

HRTEM:

Microscopía electrónica de transmisión de alta resolución

MBE:

Epitaxia de haz molecular

PECVD:

Deposición de vapor químico mejorada con plasma

RT:

Temperatura ambiente

SEM:

Microscopía electrónica de barrido

SIMS:

Espectrometría de masas de iones secundarios

μ-Raman:

Espectroscopía Micro-Raman

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