Films minces GeSiSn avec nano-îlots : morphologie pilotée par la contrainte, contrôle de superstructure, et photoluminescence moyen-IR

Résumé

Cette étude établit comment l'épaisseur critique de transition bidimensionnelle à tridimensionnelle (2D-3D) dans les films GeSiSn dépend de la composition en Sn lorsque la fraction de Ge est fixée. La croissance à 150 °C et teneurs en Sn jusqu'à 16 % révèlent que l'épaisseur de transition diminue à mesure que le Sn augmente, confirmant l'apparition pilotée par la contrainte de la formation d'îlots. Des diagrammes de phase décrivant l'évolution des superstructures de surface pendant le dépôt de Sn sur Si(100) et Ge(100) sont présentés, permettant un suivi précis de la couverture en Sn via RHEED et prévenant la ségrégation de Sn. En ajustant soigneusement les températures de croissance, nous avons fabriqué des empilements multicouches comprenant des couches GeSiSn pseudomorphes et des réseaux de nano-îlots avec des densités jusqu'à 1,8 × 10¹² cm⁻². Notamment, une superstructure double-domaine (10 × 1) apparaît pendant la surcroissance de Si sur GeSiSn et se transforme en structure (2 × 1) après un recuit doux. La photoluminescence de ces structures périodiques s'étend sur 0,6-0,85 eV (1,45-2 µm). Les calculs de diagramme de bandes pour les hétérostructures Ge₀,₃₁₅Si₀,₆₅Sn₀,₀₃₅ indiquent que l'émission provient de transitions inter-bandes entre la vallée X du Si (ou vallée Δ₄ du GeSiSn) et la sous-bande heavy-hole du GeSiSn.

Contexte

La photonique sur silicium a produit avec succès des guides d'ondes, photodétecteurs, et modulateurs, pourtant l'émission de lumière efficace reste elusive car le Si possède une bande interdite indirecte. L'ajout de Sn au Ge, Si, ou alliages GeSi offre une voie vers un semi-conducteur du groupe IV à bande interdite directe. Dans le GeSn, la séparation des vallées Γ-L se rétrécit, et une bande interdite directe émerge à ≈9 % Sn dans le réseau cubique ; ce seuil tombe en dessous de 6 % sous contrainte de traction et monte au-dessus de 11 % sous contrainte de compression [4-6]. L'incorporation de Sn abaisse aussi la bande interdite, étendant l'opération vers le moyen infrarouge — critique pour les interconnexions optiques, liaisons fibre optique, capteurs, et dispositifs de conversion d'énergie [7]. Par conséquent, les matériaux Ge-Si-Sn ont attiré une attention de recherche croissante.

Malgré des progrès significatifs dans la production d'épitaxie GeSn de haute qualité [8-9], des défis persistent : précipitation et ségrégation de Sn pendant la croissance ou l'oxydation [10-12]. Les techniques non-équilibre telles que MBE et CVD suppriment ces défauts, et des stratégies comme la température de croissance réduite, l'ingénierie de contrainte, ou l'alliage ternaire avec Si atténuent la précipitation de Sn [13-16]. Cependant, des données morphologiques et de structure de surface détaillées pour les films GeSiSn monocristallins restent rares, entravant la conception de nano-hétérostructures avec contrainte et bande interdite contrôlées.

Ce travail comble ces lacunes en présentant des super-réseaux multicouches qui combinent des couches GeSiSn pseudomorphes et des nano-îlots sans dislocations, permettant l'ajustement de la bande interdite sur une large gamme infrarouge. Nous fournissons de nouvelles données d'épaisseur de transition 2D-3D pour contenu Ge fixe et Sn variant de 0 à 16 %, des diagrammes de phase pour la croissance de Sn sur Si(100) et Ge(100), et la caractérisation de photoluminescence des structures périodiques résultantes. Les calculs de diagramme de bandes utilisant la théorie du modèle solide élucident les mécanismes d'émission observés.

Expérimental

Tous les échantillons ont été cultivés dans une chambre MBE ultra-haut vide (10⁻⁷–10⁻⁸ Pa) sur substrats Si(100) en utilisant le système Katun C. Le Si était évaporé d'une source à faisceau d'électrons ; le Ge et le Sn étaient fournis par des cellules de Knudsen. Le taux de croissance GeSiSn s'étendait de 0,015-0,05 nm/s, tandis que la température du substrat variait de 150-450 °C. Les concentrations en Sn variaient de 0 à 20 % en ajustant les rapports de flux. Des couches simples GeSiSn et des empilements multicouches (hétérojonctions GeSiSn/Si) ont été fabriqués. Dans les multicouches, une couche GeSiSn était suivie d'un capuchon Si de 10 nm cultivé à 400-500 °C. Le RHEED a surveillé l'évolution de surface en temps réel ; les profils d'intensité le long des bâtons cristallographiques ont été extraits de séquences vidéo pour identifier l'épaisseur de transition 2D-3D. La STM (Omicron-Riber) a examiné la morphologie de surface, et la photoluminescence (PL) a employé un monochromateur ACTON 2300i avec un détecteur InGaAs (1,1-2,2 µm). Un laser Nd:YAG 532 nm a excité les échantillons.

Résultats et Discussion

Les films GeSiSn ont été déposés à 150 °C avec des teneurs en Sn de 0 à 16 %. L'accumulation de contrainte due au désaccord de réseau a déclenché une transition 2D-3D à une épaisseur critique qui dépend de la fraction de Sn. La Figure 1 illustre la détermination basée sur RHEED pour Ge₀,₆Si₀,₂₈Sn₀,₁₂, où la hausse brutale d'intensité marque la transition.

Les épaisseurs critiques pour toutes les compositions en Sn (0-16 %) à 150 °C sont tracées Figure 2. À mesure que le Sn augmente, le désaccord de réseau avec le Si croît de 2,5 % à 5,6 %, causant la transition à des films plus minces. Cette tendance confirme la nature pilotée par la contrainte de la nucléation d'îlots.

En utilisant ces diagrammes, nous avons fabriqué des structures multicouches qui soit préservent les couches GeSiSn pseudomorphes, soit introduisent intentionnellement des nano-îlots. Cependant, la ségrégation de Sn pendant la surcroissance de Si peut générer des reconstructions de surface indésirables. Les diagrammes de phase de Sn sur Si(100) et Ge(100) (Figure 3) cartographient l'évolution des superstructures de surface à travers 100-750 °C, nous permettant d'identifier la couverture exacte en Sn pendant la croissance. La superstructure double-domaine (10 × 1), observée pendant le dépôt de Si sur GeSiSn, disparaît après un recuit bref à 400-500 °C, revenant à la structure (2 × 1) caractéristique du Si propre.

L'imagerie STM des surfaces Ge₀,₇₅Si₀,₂Sn₀,₀₅ (Figure 5) révèle des réseaux de nano-îlots avec des densités jusqu'à 1,8 × 10¹² cm⁻² et diamètres moyens de 4-9 nm, selon la période de croissance. Des fractions de Sn plus élevées pendant les couches Si successives augmentent la densité d'îlots tout en réduisant la taille, cohérent avec le décalage observé de (2 × 1) vers c(8 × 4) reconstructions de surface. La fenêtre de croissance optimale pour des îlots denses et uniformes est 150-250 °C, où les oscillations RHEED confirment la croissance de couche d'humectation bidimensionnelle avant la nucléation d'îlots.

L'analyse MET d'un super-réseau Ge₀,₅Si₀,₄₅Sn₀,₀₅/Si à période 25 nm (Figure 6) confirme l'absence de dislocations de filetage et la netteté des interfaces, validant la nature pseudomorphe des couches. La diffraction des rayons X corrobore les compositions prévues, correspondant aux rapports de flux fixés dans l'incertitude expérimentale.

Les spectres de photoluminescence des structures multicouches (Figure 7) affichent des pics à 0,78, 0,69, et 0,65 eV, correspondant à 1,59, 1,80, et 1,90 µm. L'émission se décale vers des énergies plus basses et augmente en intensité avec une teneur en Sn plus élevée (3,5-6 %). Les calculs de diagramme de bandes utilisant la théorie du modèle solide montrent que la PL provient de transitions inter-bandes entre la vallée X du Si (ou la vallée Δ₄ du GeSiSn) et la sous-bande heavy-hole du GeSiSn. Les calculs révèlent aussi qu'une profondeur de Sn accrue élargit le potentiel de puits quantique, améliorant la recombinaison radiative.

La modélisation de diagramme de bande de l'hétérostructure Si/Ge₀,₃₁₅Si₀,₆₅Sn₀,₀₃₅/Si (Figure 8) confirme l'origine inter-bande de la PL et quantifie les décalages de bande induits par la contrainte. Les bords de bande calculés s'accordent avec les positions de pics expérimentales, soulignant la validité du modèle.

Conclusions

Nous avons quantifié l'épaisseur critique 2D-3D pour les films GeSiSn avec contenu Ge fixe et Sn variant de 0 à 16 % à 150 °C, révélant une réduction claire pilotée par la contrainte avec l'augmentation du Sn. Les diagrammes de phase pour Sn sur Si(100) et Ge(100) fournissent un outil pratique pour surveiller et supprimer la ségrégation de Sn pendant la croissance multicouche. Les super-réseaux fabriqués comportent des couches GeSiSn pseudomorphes ou des réseaux de nano-îlots avec densités jusqu'à 1,8 × 10¹² cm⁻². La première observation d'une superstructure (10 × 1) double-domaine pendant la surcroissance de Si sur GeSiSn, qui se transforme en (2 × 1) sur recuit doux, démontre la sensibilité des reconstructions de surface à la couverture en Sn. La photoluminescence de ces structures périodiques s'étend sur 0,6-0,8 eV (1,45-2 µm), et l'analyse de diagramme de bande attribue l'émission à des transitions X- ou Δ₄-vallée vers heavy-hole. Les travaux futurs exploreront des fractions de Sn plus élevées pour pousser l'émission au-delà de 2 µm.

Abréviations

CVD :

Dépôt chimique en phase vapeur

MBE :

Épitaxie par faisceau moléculaire

ML :

Monocouche

PL :

Photoluminescence

RHEED :

Diffraction d'électrons à haute énergie par réflexion

STM :

Microscopie à effet tunnel

MET :

Microscopie électronique à transmission