Эссенциальная эпитаксия германиевой пленки на слюде

Германий, элементный полупроводник, был материалом выбора в ранней истории электронных устройств, прежде чем он был в значительной степени заменен кремнием. Но из-за его высокой подвижности носителей заряда — выше, чем кремний в три раза — полупроводник возвращается.
Эссенциальная эпитаксия германиевой пленки на слюде
Германий (Ge) обычно выращивают на дорогих монокристаллических подложках, что добавляет еще одну проблему, чтобы сделать его жизнеспособным для большинства применений. Чтобы рассмотреть этот аспект, исследователи из Политехнического института им. Ренсселера в Соединенных Штатах демонстрируют метод эпитаксии, который включает силы Ван-дер-Ваальса для выращивания Ge на слюде. Приложения могут включать передовые интегральные схемы и высокоэффективные солнечные элементы.
«Это первый случай, когда на слюде была продемонстрирована деформируемая ван-дер-ваальсовая эпитаксия элементарного полупроводника, — сказал Аарон Литлджон, исследователь ИРЦ и соавтор статьи, демонстрирующей работу, опубликованную недавно в журнале« Прикладная физика » , из AIP Publishing.
Выращивание слоев кристаллической пленки на кристаллических подложках (называемых эпитаксией) является повсеместным в производстве полупроводников. Если материалы пленки и подложки одинаковы, то идеально подобранные слои образуют сильные химические связи для оптимальной подвижности носителей заряда.
Тем не менее, многослойное распределение материалов является проблемой, потому что кристаллические решетки обычно не выравниваются. Чтобы обойти это, исследователи использовали силы vdW, явления, которые основаны на вероятностном характере электронов, которые не находятся в фиксированном положении вокруг ядра. Скорее, они могут быть где угодно, и вероятность того, что они будут распределены неравномерно, существует почти все время. Когда это происходит, возникает индуцированный диполь: небольшой положительный заряд с одной стороны и небольшой отрицательный заряд противоположный. Это создает слабо привлекательные взаимодействия между нейтральными атомами.
Исследователи выбрали слюду в качестве подложки для выращивания пленки Ge из-за ее атомарно гладкой поверхности, свободной от оборванных связей (неспаренных валентных электронов). Это обеспечило отсутствие химической связи во время процесса эпитаксии vdW.
Вместо этого интерфейс материалов удерживается вместе через слабые силы vdW. Это позволяет выращивать расслабленную пленку, несмотря на резко отличающиеся кристаллические структуры двух материалов, которые имеют 23-процентную разницу в атомных расстояниях. В дополнение к устранению ограничений согласования решетки, vdW-эпитаксия позволяет механически отслаивать пленку Ge с поверхности слюды и отдельно стоять в качестве субстратной пленки.
«Наша пленка Ge может быть использована как тонкопленочная наномембрана, которая может быть интегрирована в электронные устройства легче, чем нанокристаллы или нанопроволоки», — сказал Литтлджон. «Он также может служить основой для последующего осаждения дополнительных материалов для гибких транзисторов и солнечных элементов или даже пригодной для носки оптоэлектроники».
Пленки из германия толщиной около 80 нанометров выращивались на миллиметровых субстратах из слюды мусковита толщиной 26 мм. Изменяя температуру подложки во время осаждения и отжига в диапазоне 300-500 градусов Цельсия, исследователи обнаружили, что кристаллическая решетка стабилизируется примерно при 425 градусах Цельсия.
«Предыдущие исследования предполагают, что элементарные полупроводники не могут быть эпитаксиально выращены на слюде, используя силы vdW при любой повышенной температуре, но мы теперь показали обратное», — сказал Литтлджон. «С успехом нашей пленки Ge, выращенной на слюде при практической температуре, мы ожидаем, что другие неслоистые элементарные или легированные материалы могут быть выращены на слюде с помощью эпитаксии vdW».


Еще интересно почитать: