鍺,是一種常見的元素半導體材料,是早期各種電子器件的主要選材,但之后幾乎全部被硅所替代。鍺擁有比硅高三倍的電荷載流子遷移率,因此,近些年,其在電子器件中的應用又重新多了起來。
由于鍺只能在昂貴的單晶襯底上進行生長,這給鍺的大規模應用帶來了新的挑戰。為解決這一問題,美國倫斯勒理工學院的研究人員開發出一種全新的范德華外延法,首次實現了在云母基片上的鍺外延,有望應用于先進集成電路和高效太陽電池的制造。倫斯勒理工學院研究團隊是全球首個在云母基片上實現元素半導體材料無應力范德華外延的研究團隊。
外延是一種常見的半導體制造工藝,用來實現在晶體襯底上生長結晶薄膜層。如果所要生長的薄膜材料與襯底材料相同,生長出的薄膜層與襯底晶格完全匹配,可形成較強的化學鍵,實現最優的電荷載流子遷移率。如果所要生長的薄膜材料與襯底材料不同,想要實現有效的外延生長就會變得十分困難,因為襯底和外延層的晶格不匹配。為了避免這一問題,研究人員采用范德華外延法。該方法基于由電子的概率論性質所決定的范德華現象。電子的概率論性質是指原子核周圍的電子的分布是不固定的,電子不均勻地分布在原子核周圍空間的任何位置。當范德華力產生后,會誘導產生一端帶正電荷、另一端帶負電荷的偶極子,而在原子核之間形成微弱的相互吸引作用。
研究人員選擇云母作為鍺外延薄膜生長的襯底,原因是云母具有原子級的光滑表面,不會產生懸掛鍵(未成對的價電子)。這就保證了在進行范德華外延的過程中不會生成化學鍵。鍺外延層與云母襯底在二者界面處只通過微弱的范德華力相連接。這樣,盡管鍺與云母具有截然不同的晶體結構(原子間距差異高達23%),也可以形成馳豫的穩定的外延薄膜。除了使晶格不匹配得到緩解之外,范德華外延法還更容易實現鍺外延薄膜從云母表面的機械剝離。研究人員使用厚度為0.26毫米的云母襯底,生長出的鍺外延層厚度僅為80納米,通過改變沉積和退火過程中的襯底溫度(在300攝氏度~500攝氏度范圍內),他們發現外延層的晶格在425攝氏度時仍然能夠穩定存在。而在此之前的所有研究都表面,在任何升溫過程中都無法通過范德華外延法在云母基片上實現元素半導體材料的穩定外延。顯然,倫斯勒理工學院的研究成果成功駁斥了之前的研究結論。
研究人員指出,他們用范德華外延法得到的鍺納米薄膜比納米晶體或納米線更容易集成于電子器件之中。此外,還可以作為其他材料沉積工藝的襯底,應用于柔性晶體管、太陽電池、可穿戴光電子設備等的制造過程中。利用范德華外延法在實際溫度條件下成功實現云母基片上的鍺外延薄膜生長,給了研究人員莫大的激勵。下一步,他們還將繼續研究,以達到用范德華外延法在云母基片上實現除鍺以外的其他元素半導體材料或合金材料外延生長的目的。
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