含纳米岛GeSiSn薄膜：应变驱动形貌、超结构控制与中红外光致发光

摘要

本研究确立了固定Ge含量下GeSiSn薄膜二维向三维（2D-3D）临界转变厚度对Sn组分的依赖关系。150 °C生长、Sn含量高达16%揭示：随Sn增加转变厚度收缩，确认应变驱动岛屿形成起始。呈现Sn在Si(100)和Ge(100)上沉积时表面超结构演变相图，可通过RHEED精确监测Sn覆盖度并防止Sn偏析。通过精心调控生长温度，制备了包含拟态生长GeSiSn层和纳米岛阵列的多层堆叠，纳米岛密度高达1.8×10¹² cm⁻²。值得注意的是，Si在GeSiSn上过度生长时出现双域(10×1)超结构，退火后转变为(2×1)结构。这些周期结构光致发光跨越0.6-0.85 eV（1.45-2 μm）。Ge₀.₃₁₅Si₀.₆₅Sn₀.₀₃₅异质结构能带图计算表明发射源于Si X谷（或GeSiSn Δ₄谷）与GeSiSn重穴带间带间跃迁。

背景

硅光子学成功制造波导、光电探测器、调制器，但高效发光仍难实现，因Si具间接带隙。向Ge、Si或GeSi合金引入Sn提供实现IV族直接带隙半导体途径。GeSn中Γ-L谷间距缩小，立方晶格中约9% Sn出现直接带隙；拉伸应变下阈值降至6%以下，压缩应变下升至11%以上。Sn掺杂还降低带隙，将工作波段延伸至中红外——对光互连、光纤链路、传感器和能量转换器件至关重要。因此Ge-Si-Sn材料受越来越多关注。

尽管高质量GeSn外延取得显著进展，挑战依然存在：生长或氧化过程中Sn沉淀和偏析。MBE和CVD等非平衡技术抑制这些缺陷，降低生长温度、应变工程或与Si三元合金化等策略缓解Sn沉淀。然而，单晶GeSiSn薄膜详细形貌和表面结构数据稀缺，阻碍可控应变和带隙纳米异质结构设计。

本工作通过呈现结合拟态GeSiSn层和无位错纳米岛的多层超晶格，填补这些空白，实现宽红外范围带隙调谐。提供固定Ge含量、Sn 0-16%时2D-3D临界厚度新数据，Sn在Si(100)和Ge(100)上生长相图，及周期结构光致发光表征。基于模型固体理论的能带图计算阐释观测发射机制。

实验

所有样品在超高真空MBE腔室（10⁻⁷-10⁻⁸ Pa）中于Si(100)衬底上用Katun C系统生长。Si用电子束蒸发源；Ge和Sn用克努森池提供。GeSiSn生长速率0.015-0.05 nm/s，衬底温度150-450 °C。通过调节通量比改变Sn浓度0-20%。制备单层GeSiSn和多层堆叠（GeSiSn/Si异质结）。多层中GeSiSn层后接400-500 °C生长10 nm Si覆盖层。RHEED实时监测表面演化；从视频录像提取晶格杆强度分布确定2D-3D转变厚度。STM（Omicron-Riber）观察表面形貌，光致发光（PL）用ACTON 2300i单色仪配InGaAs探测器（1.1-2.2 μm），532 nm Nd:YAG激光激发。

结果与讨论

GeSiSn薄膜在150 °C沉积，Sn含量0-16%。晶格失配累积应变触发2D-3D转变，临界厚度随Sn分数变化。图1展示Ge₀.₆Si₀.₂₈Sn₀.₁₂ RHEED判定：突变强度上升标志转变时刻。

图2绘制150 °C下所有Sn组分（0-16%）临界厚度。Sn增加导致与Si失配从2.5%增至5.6%，转变发生在更薄膜厚度。此趋势确认岛屿成核的应变驱动本质。

利用这些图表制备多层结构，或保持拟态GeSiSn层，或有意引入纳米岛。但Si过度生长时Sn偏析可能产生不良表面重构。图3给出Sn在Si(100)和Ge(100)上100-750 °C表面超结构演变相图，使我们能精确识别生长中Sn覆盖度。双域(10×1)超结构在Si沉积GeSiSn时出现，400-500 °C短时退火后消失，恢复洁净Si特有(2×1)结构。

STM成像Ge₀.₇₅Si₀.₂Sn₀.₀₅表面（图5）揭示纳米岛阵列，密度高达1.8×10¹² cm⁻²，平均直径4-9 nm，随生长周期变化。后续Si层中较高Sn分数增加岛密度、减小尺寸，与观测到的(2×1)向c(8×4)表面重构转变一致。密集均匀岛屿最佳生长窗口150-250 °C，RHEED振荡确认岛屿成核前二维润湿层生长。

25 nm周期Ge₀.₅Si₀.₄₅Sn₀.₀₅/Si超晶格TEM分析（图6）确认无螺旋位错、界面锐利，验证层拟态本质。X射线衍射佐证预期组成，匹配设定通量比（实验误差内）。

多层结构光致发光谱（图7）显示0.78、0.69、0.65 eV峰值，对应1.59、1.80、1.90 μm。发射随Sn含量增加（3.5-6%）红移且增强。模型固体理论能带图计算显示PL源于Si X谷（或GeSiSn Δ₄谷）至GeSiSn重穴带亚带间带跃迁。计算还揭示增加Sn深度拓宽量子阱势阱，增强辐射复合。

Si/Ge₀.₃₁₅Si₀.₆₅Sn₀.₀₃₅/Si异质结构能带图建模（图8）确认PL间带本质，量化应变诱导带偏移。计算带边与实验峰位吻合，验证模型有效性。

结论

量化了固定Ge含量、Sn 0-16%时150 °C下GeSiSn薄膜2D-3D临界厚度，揭示随Sn增加应变驱动显著减小。Sn在Si(100)和Ge(100)相图为多层生长中监测和抑制Sn偏析提供实用工具。制备超晶格含拟态GeSiSn层或密度达1.8×10¹² cm⁻²纳米岛阵列。首次观察到Si在GeSiSn上过度生长时出现(10×1)双域超结构，轻微退火转变为(2×1)，展示表面重构对Sn覆盖度敏感性。周期结构光致发光跨越0.6-0.8 eV（1.45-2 μm），能带分析归因于X谷或Δ₄谷至重穴带跃迁。未来工作将探索更高Sn分数推动发射超2 μm。

缩写

CVD:

化学气相沉积

MBE:

分子束外延

ML:

单层

PL:

光致发光

RHEED:

反射高能电子衍射

STM:

扫描隧道显微镜

TEM:

透射电镜