溫淑敏， 趙春旺， 王細(xì)軍， 李繼軍， 侯清玉

(1. 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 理學(xué)院， 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051；2. 上海海事大學(xué) 文理學(xué)院, 上海 201306； 3. 烏蘭察布廣播電視臺, 內(nèi)蒙古 集寧 012000)

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硅基鍺薄膜的紅外吸收譜和電學(xué)特性

溫淑敏1*， 趙春旺1，2*， 王細(xì)軍3， 李繼軍1， 侯清玉1

(1. 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 理學(xué)院， 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051；2. 上海海事大學(xué) 文理學(xué)院, 上海 201306； 3. 烏蘭察布廣播電視臺, 內(nèi)蒙古 集寧 012000)

為了解退火對硅基鍺薄膜的質(zhì)量、紅外吸收、透射率和電學(xué)性質(zhì)的影響，采用分子束外延方法用兩步法在硅基上生長鍺薄膜。將生長后的樣品分成兩部分，其中一部分進(jìn)行了退火處理。對退火前后的樣品用高分辨X射線雙晶衍射儀測量了(400)晶面的X射線雙晶衍射搖擺曲線，用傅里葉紅外光譜儀測量了紅外透射率和吸收譜，并用霍爾效應(yīng)儀測量了退火前后樣品的載流子濃度、遷移率、電阻率、電導(dǎo)率和霍爾系數(shù)。結(jié)果表明，退火后的薄膜質(zhì)量明顯提高。退火后大部分區(qū)域吸收增大，透射率明顯減小,615～3 730 cm-1區(qū)間的透射率均比退火前降低了20%以上。退火后的體載流子濃度增大到退火前的23.26倍，遷移率增大到退火前的27.82倍。

硅基鍺薄膜； 紅外吸收譜； 載流子濃度； 遷移率； 電導(dǎo)率

1 引 言

鍺具有優(yōu)異的物理、化學(xué)特性,是制造紅外探測器、光導(dǎo)纖維、高速微電子器件、集成電路和熱電設(shè)備的首選材料之一。電阻率均勻的鍺單晶材料在1～3 μm、3～5 μm、8～12 μm的紅外波段對光有較高的透過率，可用作紅外光學(xué)器件和棱鏡[1]。此外，半導(dǎo)體鍺在常規(guī)光通信波段1.3～1.6 μm處的吸收特性優(yōu)異，使其在光通信器件方面具有一定優(yōu)勢[2]。鍺的載流子遷移率大,利用鍺材料的高載流子遷移率可獲得更好的電學(xué)性能。一直以來，鍺都是研究者關(guān)注的材料。

在Si襯底上外延鍺薄膜，因?yàn)槠錆撛诘脑O(shè)備應(yīng)用和與成熟的硅基技術(shù)的兼容性引起研究人員極大的興趣[3-5]。在Si襯底上外延鍺薄膜，鍺外延層中會產(chǎn)生雙軸(Biaxial)應(yīng)變，應(yīng)變對空穴遷移率具有很大的增強(qiáng)作用[6]。硅襯底上外延生長的鍺材料是硅基高速長波長光電探測器的首選材料[7]，也是用于硅基高速電路的新材料,還可以作為硅基砷化鎵等材料的襯底，在硅基光電集成、硅基高效太陽能電池等領(lǐng)域有重要的應(yīng)用。

近年來隨著材料生長技術(shù)的進(jìn)步和設(shè)備的改進(jìn)，人們在硅基鍺材料外延生長方面取得了突破性進(jìn)展，已經(jīng)能夠在硅襯底上生長出高質(zhì)量的鍺薄膜。Huang等[8]采用兩層不同組分的薄硅鍺緩沖層生長了硅基高質(zhì)量鍺薄膜并制作了異質(zhì)結(jié)探測器。汪建元等[9]利用超高真空化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)，基于低溫鍺緩沖層和選區(qū)外延技術(shù),生長出具有良好晶體質(zhì)量的鍺薄膜，有望應(yīng)用于硅基集成高速電子和光電子器件。

紅外光譜是由分子振動(dòng)時(shí)吸收特定波長的紅外光產(chǎn)生的吸收光譜，是研究固體的局域模式動(dòng)力學(xué)的有力工具，并能得到振動(dòng)模式的存在環(huán)境的結(jié)構(gòu)特性[10]。對鍺的紅外吸收譜的研究從1950年就已經(jīng)開始。Collins等[11]研究了鍺的紅外晶格吸收帶， Jobson等[12]研究了鍺粉的中紅外吸收和局域相變[13]，Wang 等分析了n型拉應(yīng)變鍺紅外吸收對硅兼容激光的應(yīng)用，Kalem 等[14]研究了生長在硅上的Si/Ge納米線的近紅外光致發(fā)光譜，李天微等[15]研究了氫化微晶硅鍺薄膜的光的吸收系數(shù)和光敏性，Liu等[16]研究了鍺薄膜紅外光學(xué)常數(shù)的溫度依賴性。 硅基鍺外延材料作為光電探測器的首選材料，研究其對光的透射率和吸收率甚為重要，但目前對硅基鍺薄膜的紅外吸收和透射率的研究還很少。

薄膜的電學(xué)性質(zhì)是決定薄膜材料用途的重要因素。半導(dǎo)體材料的載流子濃度、遷移率、霍爾系數(shù)、電阻率、電導(dǎo)率等是表征半導(dǎo)體材料電學(xué)特性的重要參數(shù)。Clark等[17]研究了非晶鍺的光學(xué)和電學(xué)性質(zhì)，Tsao 等[18]研究了氫化和非氫化鍺薄膜電學(xué)性質(zhì)，劉石勇等[19]研究了非晶硅鍺薄膜及其在太陽能電池上的應(yīng)用，Leng等[20]研究了離子能量對離子束輔助沉積制備鍺薄膜的光學(xué)、微觀結(jié)構(gòu)和電學(xué)性能的影響。但對于單晶硅基鍺薄膜電學(xué)性質(zhì)的研究還未有報(bào)道。

綜上所述,在硅襯底上生長鍺薄膜雖然取得了進(jìn)步，但硅基鍺薄膜的質(zhì)量會受生長環(huán)境、方法、溫度、退火等多種因素的影響，薄膜的質(zhì)量及退火也會對薄膜的光吸收率、透射率及電學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生影響，薄膜的質(zhì)量、光吸收率、透射率及電學(xué)性質(zhì)直接決定薄膜的用途。目前對硅基鍺薄膜的研究集中在薄膜的生長及應(yīng)用方面，尚未有關(guān)于硅基鍺薄膜的紅外吸收性、透射率及電學(xué)性質(zhì)研究方面的報(bào)道，對硅基鍺薄膜的質(zhì)量、光吸收性、透射率及電學(xué)性質(zhì)的研究還有待深入。本文對退火前后的樣品的晶體質(zhì)量進(jìn)行了分析，測量了退火前后樣品的傅立葉變換紅外透射率和吸收光譜，并測量了退火前后樣品的載流子濃度、遷移率、電阻率、霍爾系數(shù)，對退火前后的結(jié)果進(jìn)行了分析對比。

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 外延鍺薄膜的生長

采用MBE方法在硅(001)襯底上外延生長鍺薄膜，薄膜的生長在自行研制的超高真空化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)中進(jìn)行。該裝置配有MBE源爐，生長室的本底真空為3×10-8Pa，鍺的沉積速率為 0.022 nm·s-1。采用原位反射高能電子衍射技術(shù)對外延薄膜的生長進(jìn)行了監(jiān)測。在生長前先用RCA方法清洗硅襯底，再通過高速旋轉(zhuǎn)將其甩干，并在400 ℃的環(huán)境中進(jìn)行除氣，將襯底加熱到930 ℃進(jìn)行脫氧，最后襯底降溫。外延鍺薄膜的生長過程分為兩步，先在200 ℃下生長70～80 nm的鍺薄膜，然后在500 ℃下生長140～170 nm的鍺薄膜[21-22]。將樣品切成兩塊進(jìn)行分析，其中一塊樣品在680 ℃、1.2×10-4Pa真空條件下退火10 min。

2.2 測量

2.2.1 X射線雙晶衍射搖擺曲線測量

X 射線雙晶衍射技術(shù)，特別是高分辨率 X 射線雙晶衍射，是表征外延層單晶質(zhì)量的重要測試手段,它對晶體的完整性及內(nèi)部應(yīng)力等非常靈敏[23],由X射線雙晶衍射搖擺曲線可以獲得薄膜的缺陷、位錯(cuò)等重要信息。本次測量采用德國BRUKER公司生產(chǎn)的D8 Discover高分辨X射線衍射儀，測量了退火前后樣品的X射線雙晶衍射搖擺曲線，測量過程采用2 kW密封X光管，X射線波長為 Cu Kα1(0.154 056 nm)，掃描晶面為(400)對稱晶面，測量步長為0.02°。

2.2.2 傅立葉變換紅外光譜測量

傅立葉變換紅外光譜技術(shù)是一種用于確定紅外活性分子的定性和定量特征的技術(shù)，它是一種快速、相對廉價(jià)的晶體和薄膜的分析方法。本文使用美國 Nicolet 公司生產(chǎn)的傅里葉紅外光譜儀(儀器型號:670, FTIR)測量了退火前后樣品的透射率和吸收譜，測試溫度為室溫，測試范圍為 400～4 000 cm-1。

2.2.3 電學(xué)性質(zhì)測量

采用HMS3000霍爾效應(yīng)儀對退火前后樣品的載流子濃度、載流子遷移率、電阻率、電導(dǎo)率、磁致電阻和霍爾系數(shù)等進(jìn)行了測量，測量過程所用電流為10 nA，磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.58 T，測試溫度為室溫。

3 結(jié)果與討論

圖1是X射線雙晶衍射搖擺曲線?？梢钥闯觯嘶鹎扒€不太光滑，衍射峰較寬(半寬度為0.344°)，說明外延層晶體質(zhì)量不是很好，存在一定量的缺陷和位錯(cuò)；而退火后曲線光滑，衍射峰變窄(半寬度為0.223°),說明退火后樣品的晶格質(zhì)量明顯提高，缺陷和位錯(cuò)都有所減少。

圖2是傅里葉變換紅外透射譜，圖3是傅里葉變換紅外吸收譜。退火后，樣品的質(zhì)量提高，位錯(cuò)缺陷減少，而且退火會使薄膜的應(yīng)變發(fā)生變化。受以上因素的綜合影響，退火后的吸收譜和透射率曲線變得更復(fù)雜；大部分區(qū)域吸收增強(qiáng)、透射率降低，其中615～3 730 cm-1區(qū)間的透射率降低均在退火前的20%以上，但在464.89 cm-1(對應(yīng)波長21.5 μm)處透射率增強(qiáng)高達(dá)99.3%。還有幾處明顯的變化是退火后的樣品在1 109.78 cm-1(對應(yīng)波長9.01 μm)處出現(xiàn)了一小的吸收增強(qiáng)的峰值，2 363.14 cm-1(對應(yīng)波長4.231 9 μm)處出現(xiàn)了比較大的透射增強(qiáng)的峰值，而且曲線在3 603～4 000 cm-1的區(qū)域出現(xiàn)了震蕩。

表1是用HMS3000霍爾效應(yīng)儀測試的結(jié)果。從表中退火前后的結(jié)果可以得出，經(jīng)過高溫退火，體載流子濃度增大到退火前的23.26倍，載流子遷移率增大到退火前的27.82倍，電阻率下降3個(gè)數(shù)量級，磁致電阻下降1個(gè)數(shù)量級，表面載流子濃度上升1個(gè)數(shù)量級，電導(dǎo)率上升3個(gè)數(shù)量級，霍爾系數(shù)下降1個(gè)數(shù)量級。

半導(dǎo)體的載流子濃度隨溫度的變化滿足如下關(guān)系：

(1)

式中，n是載流子濃度，Nc是導(dǎo)帶的有效狀態(tài)密度，Nv是價(jià)帶的有效狀態(tài)密度，Eg為禁帶寬度?？梢姼邷赝嘶饡馆d流子濃度增加。

表1 HMS3000霍爾效應(yīng)儀測試結(jié)果

載流子遷移率受缺陷和雜質(zhì)等散射的影響，退火使缺陷發(fā)生變化導(dǎo)致載流子遷移率增大，受遷移率和載流子濃度的共同影響使得退火后的電導(dǎo)率增大。

4 結(jié) 論

采用MBE方法在硅(001)襯底上外延生長了鍺薄膜。退火后，薄膜的位錯(cuò)和缺陷減少,薄膜質(zhì)量明顯提高。受晶格質(zhì)量、應(yīng)變等的綜合影響，薄膜退火后的紅外透射和吸收譜與退火前有較大不同。在大部分區(qū)域，退火后吸收增強(qiáng)，透射減弱；但在464.89 cm-1處透射率增強(qiáng)，透射率高達(dá)99.3%，并且在1 109.78 cm-1處出現(xiàn)了一小的吸收增強(qiáng)的峰值，在2 363.14 cm-1處出現(xiàn)了比較大的透射增強(qiáng)的峰值，而且曲線在3 603～4 000 cm-1區(qū)域出現(xiàn)震蕩。退火使載流子濃度增大到退火前的23.26倍，載流子遷移率增大到退火前的27.82倍，導(dǎo)電性增強(qiáng)。

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溫淑敏(1970-)，女，內(nèi)蒙古呼和浩特人，碩士，副教授，碩士生導(dǎo)師，2006年于內(nèi)蒙古大學(xué)獲得碩士學(xué)位，主要從事半導(dǎo)體及低微結(jié)構(gòu)的光電特性以及材料微結(jié)構(gòu)表征方面的研究。

E-mail: wsm1973a@163.com 趙春旺(1971-)，男，內(nèi)蒙古呼和浩特人，博士，教授，博士生導(dǎo)師，2008年于內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)獲得博士學(xué)位，主要從事固體微結(jié)構(gòu)與物性、微納米力學(xué)的研究。

E-mail: cwzhao@shmtu.edu.cn

Infrared Absorption Spectra and Electrical Properties of Si Substrate Ge Thin Films

WEN Shu-min1*, ZHAO Chun-wang1,2*, WANG Xi-jun3, LI Ji-jun1, HOU Qing-yu1

(1.CollegeofScience,InnerMongoliaUniversityofTechnology,Hohhot010051,China；2.CollegeofArtsandSciences,ShanghaiMaritimeUniversity,Shanghai201306,China；3.WulanchabuRadio-TV,Jining012000,China)

*CorrespondingAuthors,E-mail:wsm1973a@163.com;cwzhao@shmtu.edu.cn

In order to understand the influence of annealing on the epitaxial film quality and optoelectronic properties, an epitaxial Ge film was grown on a Si(001) substrateviathe two-step process using molecular beam epitaxy technique. The sample was divided into two pieces, and one piece of the sample was annealed. X ray double crystal diffraction rocking curves of (400) crystal plane for non-annealed and annealed epitaxial Ge films were measured by the high resolution double-crystal X-ray diffractometer. Fourier transform infrared transmittance and absorption spectra for non-annealed and annealed epitaxial Ge films were measured by the Fourier transform infrared spectrometer. The carrier concentration, mobility, resistivity, conductivity, and Hall coefficient of non-annealed and annealed epitaxial Ge films were also measured using the Hall effect device. The results show that the anneal treatment can improve the quality of epitaxial Ge films significantly. The absorption rate increases after anneal treatment and the transmittance in most area of epitaxial Ge film decreases dramatically. The transmittance decreases by 20% in the range of 615 to 3 730 cm-1. The carrier concentration increases 22.26 times, and the carrier mobility increases 27.82 times after anneal treatment.

silicon based germanium thin film; infrared absorption spectrum; carrier concentration; mobility; conductivity

2016-05-01；

2016-08-17

國家自然科學(xué)基金(11272142,51261017，11562016,61366008); 內(nèi)蒙古自治區(qū)自然科學(xué)基金(2013MS0107); 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)校重點(diǎn)項(xiàng)目(ZD201220)資助

1000-7032(2016)10-1177-05

O722； O484.4

A

10.3788/fgxb20163710.1177