非平衡 VLS 技术在 Si 衬底上生长稳定 ST12-Ge 薄膜：应变诱导能带工程研究
材料科学
2023-07-26 v2
摘要
本工作描述了一种通过非平衡 VLS 技术在 Si 衬底上生长稳定晶态 ST12-Ge（Ge 的高压多形体）薄膜的新方法。该研究探索了通过随生长温度与薄膜厚度变化引入工艺应力来实现 ST12-Ge 能带工程的方案。本工作中，ST12-Ge 薄膜在 180 C - 250 C 下生长，获得约 4.5-7.5 nm 的厚度，其具有优异的热稳定性，可达约 350 C。微拉曼研究表明，此类 ST12-Ge 薄膜中的应力为压应力，大小在约 0.5-7.5 GPa 范围内变化。测得的直接带隙随该应力在 0.688 eV 至 0.711 eV 间变化，四个间接带隙分别为 0.583 eV、0.614-0.628 eV、0.622-0.63 eV 与 0.623-0.632 eV。通过 DFT 模拟计算了非应变与应变 ST12-Ge 的相应能带结构，表明压应力使 M-G 谷处的本征带隙由间接转变为直接。进而，通过分析应变与非应变能带结构中的所有跃迁，并结合实验结果与理论计算的佐证，探索了 ST12-Ge 中应变诱导能带工程的可能路径。研究表明，非应变 ST12-Ge 为天然 n 型半导体，在引入约 5 GPa 压应力后转变为 p 型，其 M-G 带边处面内电子有效质量分量约为 0.09 me。因此，这种能带工程化的 ST12-Ge 展现出优越的迁移率，同时兼具热稳定性与 Si 兼容性，在先进 CMOS 技术中开发高速 MOS 器件方面具有潜在应用。
引用
@article{arxiv.2302.06421,
title = {Non-equilibrium VLS-grown stable ST12-Ge thin film on Si substrate: A study on strain-induced band-engineering},
author = {S. Mandal and B. Nag Chowdhury and A. Tiwari and S. Kanungo and N. Rana and A. Banerjee and S. Chattopadhyay},
journal= {arXiv preprint arXiv:2302.06421},
year = {2023}
}