锡自催化硅基锗锡材料可控生长及其短波红外探测器基础研究

GeSn alloy is a new type of semiconductor materials for Si-based short wave infrared (SWIR) detection. It has lots of potential applications in night vision, remote sensing systems, life science and medicine and so on. However, there is a big lattice mismatch between GeSn and Si substrate. This makes it very difficult to grow high-quality GeSn materials on Si and to realize the practical application of high efficient SWIR detection. In order to solve these problems, this project will introduce the new mechanism to grow high quality GeSn materials on Si substrate which can cover all the bands of SWIR. By studying the growth mechanism of Sn self-catalyzed GeSn lateral growth, the project aims to understand the relaxation mechanism of mismatch strain and to realize their proper control on the material growth. The second-time epitaxy of GeSn materials on SnGe layer grown by Sn catalyzed method will also be used for increasing the thickness of materials and reducing the threading dislocation in the epitaxy layer. We hope we can offer a solution for the epitaxty of high quality material in large mismatch system. By doing this project, we will master the technique to grow the position-controllable GeSn materials with low threading dislocation density, large area and high Sn content. We will study the recombination mechanism of photo-induced carriers at the interface and find the way to reduce the dark current by optimizing the device structure. We will successfully fabricate the highly sensitive Si based GeSn SWIR detectors with low dark current by using the CMOS compatible process. Hopefully this project could lay a sound foundation for highly efficient Si based wide band SWIR detections and realize their practical application.

锗锡合金是一种新型的硅基短波红外探测材料，在夜视、遥感探测、生命医学等领域有重要应用前景。但锗锡合金与硅衬底之间的晶格失配很大，这使得高质量硅基锗锡材料的生长存在很大困难，因而限制了其在高效短波红外探测领域的实际应用。针对上述问题，本课题以生长出高质量硅基锗锡探测材料并实现高效、宽谱短波红外探测为目标，通过引入新的材料生长机制，研究锡催化锗锡材料横向生长机理，探明锡催化锗锡生长失配应力弛豫机制及控制，并结合二次外延等方案，解决硅基大失配体系的异质外延难题。通过本课题的研究，掌握基于锡催化锗锡横向生长的定位选区外延新方法，生长出低穿透位错密度、大面积、高锡组分的硅基锗锡材料；同时，通过研究光生载流子的界面复合机理及其抑制方法，设计优化探测器结构，并制备出低暗电流密度、高灵敏度并与CMOS工艺兼容的硅基锗锡短波红外探测器，为实现高效硅基宽谱短波红外探测的实际应用奠定基础。

锗锡合金（GeSn）是一种新型的硅基短波红外探测材料，在夜视、遥感探测、生命医学等领域有重要应用前景。不过高质量材料生长方面存在很多问题，首先，由于Si、Ge和Sn各自的晶格常数不同且有较大差异，导致在Si衬底上很难直接外延高质量的GeSn，所生长的材料穿透位错较高，影响器件性能；再者，由于Sn在Ge中的固溶度很低（<1%），而且Sn的表面自由能比较小，会导致Sn在材料生长过程中容易发生分凝。以上两点是GeSn材料的生长难题，解决高质量GeSn材料的生长是实现其广泛应用的重中之重。.针对硅基锗锡材料生长存在的难题，我们创新采用Sn自催化MBE外延锗锡生长方法，生长出了高质量的硅基锗锡材料，穿透位错大幅降低。通过SEM、TEM、EDS、Raman光谱和XRD等材料测试手段对其性能进行了表征，通过快速退火实验分析了材料的热稳定性，并结合微电子工艺，制备硅基锗锡器件并表征其光电特性。.1. 采用锡催化锗锡横向生长新机制，成功生长出高质量单晶GeSn条状材料。通过SEM、TEM等表征方法证实了GeSn材料晶体质量良好，没有穿透位错的存在。通过EDS元素测试及拉曼（Raman）测试结果表明，条状材料中有Sn的引入，很窄的拉曼光谱半高宽（仅为6.97 cm-1），表明GeSn合金条具有良好的晶体质量。通过拉曼测试、TEM测试多种方法对比测算出Sn的含量，Sn组分随着生长温度线性变化。.2. 研究了锗锡材料的热稳定性，材料在600度以下有较好的热稳定性。通过循环退火工艺，大幅改善了低温缓冲层方式生长的锗锡材料，制备的探测器在1550nm具有0.45A/W的响应度，在2μm波长处的光响应度为0.11A/W。.3．制备了锡催化GeSn条光电子器件，通过采用高阻硅衬底、选择性刻饰等手段，减小Si衬底、周围非锡催化Ge薄膜的影响。制作了基于单独GeSn条的红外探测器，测试光电响应和器件的变温光电流性质。与传统方法生长的GeSn薄膜的器件相比，更低的暗电流和大的光电响应反映了锡催化GeSn条的优良质量。此外，制备了基于锡催化GeSn条的Pseudo-MOSFET器件，测试得到最高393 cm2/V•s的场效应迁移率。通过电子束光刻方法，制作霍尔电极，测试其霍尔迁移率高达351 cm2V-1s-1。