硅基锗薄膜的红外吸收谱和电学特性

温淑敏， 赵春旺， 王细军， 李继军， 侯清玉

(1. 内蒙古工业大学 理学院， 内蒙古 呼和浩特 010051；2. 上海海事大学 文理学院, 上海 201306； 3. 乌兰察布广播电视台, 内蒙古 集宁 012000)



硅基锗薄膜的红外吸收谱和电学特性

温淑敏1*， 赵春旺1，2*， 王细军3， 李继军1， 侯清玉1

(1. 内蒙古工业大学 理学院， 内蒙古 呼和浩特 010051；2. 上海海事大学 文理学院, 上海 201306； 3. 乌兰察布广播电视台, 内蒙古 集宁 012000)

为了解退火对硅基锗薄膜的质量、红外吸收、透射率和电学性质的影响，采用分子束外延方法用两步法在硅基上生长锗薄膜。将生长后的样品分成两部分，其中一部分进行了退火处理。对退火前后的样品用高分辨X射线双晶衍射仪测量了(400)晶面的X射线双晶衍射摇摆曲线，用傅里叶红外光谱仪测量了红外透射率和吸收谱，并用霍尔效应仪测量了退火前后样品的载流子浓度、迁移率、电阻率、电导率和霍尔系数。结果表明，退火后的薄膜质量明显提高。退火后大部分区域吸收增大，透射率明显减小,615～3 730 cm-1区间的透射率均比退火前降低了20%以上。退火后的体载流子浓度增大到退火前的23.26倍，迁移率增大到退火前的27.82倍。

硅基锗薄膜； 红外吸收谱； 载流子浓度； 迁移率； 电导率

1 引 言

锗具有优异的物理、化学特性,是制造红外探测器、光导纤维、高速微电子器件、集成电路和热电设备的首选材料之一。电阻率均匀的锗单晶材料在1～3 μm、3～5 μm、8～12 μm的红外波段对光有较高的透过率，可用作红外光学器件和棱镜[1]。此外，半导体锗在常规光通信波段1.3～1.6 μm处的吸收特性优异，使其在光通信器件方面具有一定优势[2]。锗的载流子迁移率大,利用锗材料的高载流子迁移率可获得更好的电学性能。一直以来，锗都是研究者关注的材料。

在Si衬底上外延锗薄膜，因为其潜在的设备应用和与成熟的硅基技术的兼容性引起研究人员极大的兴趣[3-5]。在Si衬底上外延锗薄膜，锗外延层中会产生双轴(Biaxial)应变，应变对空穴迁移率具有很大的增强作用[6]。硅衬底上外延生长的锗材料是硅基高速长波长光电探测器的首选材料[7]，也是用于硅基高速电路的新材料,还可以作为硅基砷化镓等材料的衬底，在硅基光电集成、硅基高效太阳能电池等领域有重要的应用。

近年来随着材料生长技术的进步和设备的改进，人们在硅基锗材料外延生长方面取得了突破性进展，已经能够在硅衬底上生长出高质量的锗薄膜。Huang等[8]采用两层不同组分的薄硅锗缓冲层生长了硅基高质量锗薄膜并制作了异质结探测器。汪建元等[9]利用超高真空化学气相沉积系统，基于低温锗缓冲层和选区外延技术,生长出具有良好晶体质量的锗薄膜，有望应用于硅基集成高速电子和光电子器件。

红外光谱是由分子振动时吸收特定波长的红外光产生的吸收光谱，是研究固体的局域模式动力学的有力工具，并能得到振动模式的存在环境的结构特性[10]。对锗的红外吸收谱的研究从1950年就已经开始。Collins等[11]研究了锗的红外晶格吸收带， Jobson等[12]研究了锗粉的中红外吸收和局域相变[13]，Wang 等分析了n型拉应变锗红外吸收对硅兼容激光的应用，Kalem 等[14]研究了生长在硅上的Si/Ge纳米线的近红外光致发光谱，李天微等[15]研究了氢化微晶硅锗薄膜的光的吸收系数和光敏性，Liu等[16]研究了锗薄膜红外光学常数的温度依赖性。 硅基锗外延材料作为光电探测器的首选材料，研究其对光的透射率和吸收率甚为重要，但目前对硅基锗薄膜的红外吸收和透射率的研究还很少。

薄膜的电学性质是决定薄膜材料用途的重要因素。半导体材料的载流子浓度、迁移率、霍尔系数、电阻率、电导率等是表征半导体材料电学特性的重要参数。Clark等[17]研究了非晶锗的光学和电学性质，Tsao 等[18]研究了氢化和非氢化锗薄膜电学性质，刘石勇等[19]研究了非晶硅锗薄膜及其在太阳能电池上的应用，Leng等[20]研究了离子能量对离子束辅助沉积制备锗薄膜的光学、微观结构和电学性能的影响。但对于单晶硅基锗薄膜电学性质的研究还未有报道。

综上所述,在硅衬底上生长锗薄膜虽然取得了进步，但硅基锗薄膜的质量会受生长环境、方法、温度、退火等多种因素的影响，薄膜的质量及退火也会对薄膜的光吸收率、透射率及电学性质产生影响，薄膜的质量、光吸收率、透射率及电学性质直接决定薄膜的用途。目前对硅基锗薄膜的研究集中在薄膜的生长及应用方面，尚未有关于硅基锗薄膜的红外吸收性、透射率及电学性质研究方面的报道，对硅基锗薄膜的质量、光吸收性、透射率及电学性质的研究还有待深入。本文对退火前后的样品的晶体质量进行了分析，测量了退火前后样品的傅立叶变换红外透射率和吸收光谱，并测量了退火前后样品的载流子浓度、迁移率、电阻率、霍尔系数，对退火前后的结果进行了分析对比。

2 实 验

2.1 外延锗薄膜的生长

采用MBE方法在硅(001)衬底上外延生长锗薄膜，薄膜的生长在自行研制的超高真空化学气相沉积系统中进行。该装置配有MBE源炉，生长室的本底真空为3×10-8Pa，锗的沉积速率为 0.022 nm·s-1。采用原位反射高能电子衍射技术对外延薄膜的生长进行了监测。在生长前先用RCA方法清洗硅衬底，再通过高速旋转将其甩干，并在400 ℃的环境中进行除气，将衬底加热到930 ℃进行脱氧，最后衬底降温。外延锗薄膜的生长过程分为两步，先在200 ℃下生长70～80 nm的锗薄膜，然后在500 ℃下生长140～170 nm的锗薄膜[21-22]。将样品切成两块进行分析，其中一块样品在680 ℃、1.2×10-4Pa真空条件下退火10 min。

2.2 测量

2.2.1 X射线双晶衍射摇摆曲线测量

X 射线双晶衍射技术，特别是高分辨率 X 射线双晶衍射，是表征外延层单晶质量的重要测试手段,它对晶体的完整性及内部应力等非常灵敏[23],由X射线双晶衍射摇摆曲线可以获得薄膜的缺陷、位错等重要信息。本次测量采用德国BRUKER公司生产的D8 Discover高分辨X射线衍射仪，测量了退火前后样品的X射线双晶衍射摇摆曲线，测量过程采用2 kW密封X光管，X射线波长为 Cu Kα1(0.154 056 nm)，扫描晶面为(400)对称晶面，测量步长为0.02°。

2.2.2 傅立叶变换红外光谱测量

傅立叶变换红外光谱技术是一种用于确定红外活性分子的定性和定量特征的技术，它是一种快速、相对廉价的晶体和薄膜的分析方法。本文使用美国 Nicolet 公司生产的傅里叶红外光谱仪(仪器型号:670, FTIR)测量了退火前后样品的透射率和吸收谱，测试温度为室温，测试范围为 400～4 000 cm-1。

2.2.3 电学性质测量

采用HMS3000霍尔效应仪对退火前后样品的载流子浓度、载流子迁移率、电阻率、电导率、磁致电阻和霍尔系数等进行了测量，测量过程所用电流为10 nA，磁感应强度为0.58 T，测试温度为室温。

3 结果与讨论

图1是X射线双晶衍射摇摆曲线。可以看出，退火前曲线不太光滑，衍射峰较宽(半宽度为0.344°)，说明外延层晶体质量不是很好，存在一定量的缺陷和位错；而退火后曲线光滑，衍射峰变窄(半宽度为0.223°),说明退火后样品的晶格质量明显提高，缺陷和位错都有所减少。

图2是傅里叶变换红外透射谱，图3是傅里叶变换红外吸收谱。退火后，样品的质量提高，位错缺陷减少，而且退火会使薄膜的应变发生变化。受以上因素的综合影响，退火后的吸收谱和透射率曲线变得更复杂；大部分区域吸收增强、透射率降低，其中615～3 730 cm-1区间的透射率降低均在退火前的20%以上，但在464.89 cm-1(对应波长21.5 μm)处透射率增强高达99.3%。还有几处明显的变化是退火后的样品在1 109.78 cm-1(对应波长9.01 μm)处出现了一小的吸收增强的峰值，2 363.14 cm-1(对应波长4.231 9 μm)处出现了比较大的透射增强的峰值，而且曲线在3 603～4 000 cm-1的区域出现了震荡。

表1是用HMS3000霍尔效应仪测试的结果。从表中退火前后的结果可以得出，经过高温退火，体载流子浓度增大到退火前的23.26倍，载流子迁移率增大到退火前的27.82倍，电阻率下降3个数量级，磁致电阻下降1个数量级，表面载流子浓度上升1个数量级，电导率上升3个数量级，霍尔系数下降1个数量级。

半导体的载流子浓度随温度的变化满足如下关系：

(1)

式中，n是载流子浓度，Nc是导带的有效状态密度，Nv是价带的有效状态密度，Eg为禁带宽度。可见高温退火会使载流子浓度增加。

表1 HMS3000霍尔效应仪测试结果

载流子迁移率受缺陷和杂质等散射的影响，退火使缺陷发生变化导致载流子迁移率增大，受迁移率和载流子浓度的共同影响使得退火后的电导率增大。

4 结 论

采用MBE方法在硅(001)衬底上外延生长了锗薄膜。退火后，薄膜的位错和缺陷减少,薄膜质量明显提高。受晶格质量、应变等的综合影响，薄膜退火后的红外透射和吸收谱与退火前有较大不同。在大部分区域，退火后吸收增强，透射减弱；但在464.89 cm-1处透射率增强，透射率高达99.3%，并且在1 109.78 cm-1处出现了一小的吸收增强的峰值，在2 363.14 cm-1处出现了比较大的透射增强的峰值，而且曲线在3 603～4 000 cm-1区域出现震荡。退火使载流子浓度增大到退火前的23.26倍，载流子迁移率增大到退火前的27.82倍，导电性增强。

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温淑敏(1970-)，女，内蒙古呼和浩特人，硕士，副教授，硕士生导师，2006年于内蒙古大学获得硕士学位，主要从事半导体及低微结构的光电特性以及材料微结构表征方面的研究。

E-mail: wsm1973a@163.com 赵春旺(1971-)，男，内蒙古呼和浩特人，博士，教授，博士生导师，2008年于内蒙古工业大学获得博士学位，主要从事固体微结构与物性、微纳米力学的研究。

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

国家自然科学基金(11272142,51261017，11562016,61366008); 内蒙古自治区自然科学基金(2013MS0107); 内蒙古工业大学校重点项目(ZD201220)资助

1000-7032(2016)10-1177-05

O722； O484.4

A

10.3788/fgxb20163710.1177