鍺錫磊晶層在熱處理下應力釋放與錫析出之研究

Strain relaxation and Sn segregation in GeSn epilayers under thermal treatment

曾為楷(Wei-Kai Tseng)

指導教授 ： 張慶瑞

國立臺灣大學/理學院/物理研究所/碩士(2013年)

https://doi.org/10.6342/NTU.2013.10399

摘要

四族材料已經長期被大家研究，因為四族材料可以被運用在電子和光電元件上面。而這種材料具有更大的優勢為可以有效的整合在矽基板上，這IC產業來說是很重要的。
然而，四族材料中Si和Ge都是非直接能隙材料，使得以這兩種材料當作發光源會很沒效率，在這裡，為了讓Ge成為直接能隙材料，我們加入了Sn元素，改變了Ge的能帶結構,Ge能帶結構中的Γ能帶將會下降得比L能帶快，進而成為直接能隙材料。 GeSn合金層的應力狀態也會對其能帶結構有很大的影響，實驗中我們得到完全應變的GeSn合金，為了將其應力釋放，我們對此材料以熱退火處理，最後得到了不同應力釋放程度的GeSn，將有助於直接能隙的形成。
應力對以Ge當作通道的金氧半電晶體(MOSFET)來說是很重要的工程，這是一種提升元件效能的關鍵技術。從理論上計算出，Ge受到應力影響時，可以大幅提升電子和電洞的遷移率，故應變的Ge可以用來取代傳統的應變Si當作通道。在這裡我們獲得高品質的應力釋放的GeSn合金，可用來當作緩衝層，製作受到壓應力狀態的Ge。
我們的樣品藉由固態分子束磊晶系統成長在N型(100)方向的矽基板。樣品結構為100nm高溫Si緩衝層->100nm低溫Si緩衝層->100nm低溫Ge緩衝層->110nm高溫Ge緩衝層->160nm低溫150oC成長GeSn。
藉由X光繞射結果知道成長完成的GeSn是完全應變狀態，為了調整GeSn的能帶和製作生長應變狀態Ge的緩衝層，我們必須得到應力釋放的GeSn，所以我們對材料在很大的溫度範圍下施與熱退火。
最後可將GeSn在不同退火溫度下所展現不一樣的行為整理成三個區塊:1.當溫度低於400oC，GeSn合金性質沒有改變 2.當溫度介於420和540oC之間，可以得到應力釋放的GeSn 3.當溫度高於580oC，Sn會開始出現析出和聚集在表面的現象。
熱處理對於半導體製程當中是很重要的過程，當用爐管加熱時，必須操作在適當的溫度，以避免不想要的現象出現在薄膜當中。

關鍵字

四族材料 ； 直接能隙 ； 分子束磊晶 ； 應力釋放 ； X光繞射

並列摘要

無資料

並列關鍵字

group Ⅳ materials ； direct bandgap ； MBE ； relaxed GeSn ； X-ray

參考文獻

[1] N.W. Ashcroft and N.D. Mermin,Solid State Physics,Harcourt (1976)

[8]Chris G. Van de Walle Phys. Rev. B 39, 1871–1883 (1989)

[9]C.G. Van de Walle ,Phys. Rev. B(USA) vol.39(1989) p.1871

[10]Chris G. Van de Walle ,Phys. Rev. B 34, 5621–5634 (1986)

[12]J. H. Westbrook, Metall. Rev. 9, 415-70 (1964)