Ge/Ge1−xSnx Group IV Nanowires for Mid-Wave Infrared Optoelectronics

Les photodétecteurs infrarouges à ondes courtes et moyennes, rentables, sont très recherchés pour les applications de détection et d’imagerie. À cette fin, le développement d’un matériau compatible avec le silicium et possédant une bande interdite directe étroite permettrait une plate-forme polyvalente et évolutive. Les alliages semi-conducteurs Ge1−xSnx du groupe IV ont récemment attiré une attention significative en raison de leur bande interdite directe ajustable, qui peut être progressivement réduite de 0,58 eV à 0 eV en augmentant la composition en Sn. La bande interdite directe Ge1−xSnx améliore l’efficacité d’émission et d’absorption de la lumière et augmente également les mobilités des porteurs, rendant ainsi Ge1−xSnx très pertinent pour les sources de lumière intégrées sur puce et les transistors à effet de champ métal-oxyde-semiconducteur. Cependant, la croissance d’alliages Ge1−xSnx de haute qualité avec une teneur élevée en Sn est confrontée à plusieurs défis. La faible solubilité solide (moins de 1 % atomique) du Sn dans Ge et le grand désaccord de maille (14,7 %) entre Ge et Sn signifient que le matériau Ge1−xSnx souffrira toujours d’une faible stabilité thermique et d’une grande contrainte de compression. Pour résoudre ces problèmes, les alliages Ge1−xSnx sont généralement cultivés dans des conditions non équilibrées en utilisant des techniques de dépôt chimique en phase vapeur ou d’épitaxie par jet moléculaire. En formant plusieurs couches de Ge1−xSnx avec un gradient d’étape en composition, la plupart de la contrainte de compression induite par le désaccord de maille peut être relaxée en formant des dislocations dans la sous-couche de Ge1−xSnx. Par conséquent, Ge1−xSnx avec une qualité élevée et une teneur en Sn uniforme peut être obtenue dans la couche supérieure. De nombreuses percées dans la croissance de Ge1−xSnx, les dispositifs photoniques et optoélectroniques ont été démontrées au cours des dernières années, bien que leur performance soit encore affectée par les défauts induits par la contrainte de compression dans la sous-couche. En revanche, la formation d’un alliage Ge1−xSnx nanostructuré est une solution prometteuse pour maintenir les propriétés supérieures de Ge1−xSnx tout en atténuant les défauts induits par la contrainte, formant ainsi un matériau Ge1−xSnx de haute qualité avec une teneur élevée en Sn. Une structure de nanofils cœur/coque est une approche prometteuse pour former du Ge1−xSnx à l’échelle nanométrique avec une haute qualité cristalline, où le nanofil cœur en Ge peut servir de modèle pour faire croître la coquille en Ge1−xSnx.

Abstract

Cost-effective short- and mid-wave infrared photodetectors are highly sought-after for sensing and imaging applications. To this end, developing a silicon-compatible material with a narrow direct bandgap would enable a versatile and scalable platform. The group IV Ge1−xSnx semiconductor alloys have recently attracted significant attention due to their tunable direct bandgap, which can be progressively reduced from ∼ 0.58 eV to 0 eV by increas-ing the Sn composition. Direct bandgap Ge1−xSnx improves light emission and absorption efficiency and also enhances carrier mobilities, thus making Ge1−xSnx highly relevant for on-chip integrated light sources and metal-oxide-semiconductor field-effect transistors. However, growing high-quality Ge1−xSnx alloy with high Sn content faces several challenges. The low solid solubility (less than 1 at.%) of Sn in Ge and the large lattice mismatch (14.7 %) be-tween Ge and Sn means that Ge1−xSnx material will always suffer from low thermal stability and large compressive strain. To address these problems, Ge1−xSnx alloys are usually grown under non-equilibrium conditions by using chemical vapor deposition or molecular beam epi-taxy techniques. By forming multiple Ge1−xSnx layers with a step gradient in composition, most of the compressive strain induced by lattice mismatch can be relaxed through forming dislocations in the Ge1−xSnx underlayer. Therefore, Ge1−xSnx with high quality and uni-form Sn content can be achieved in the top layer. Many breakthroughs in Ge1−xSnx growth, photonic, and optoelectronic devices have been demonstrated in the past few years, while their performance is still affected by the compressive strain-induced defects in the underlayer. Alternatively, forming nanostructured Ge1−xSnx alloy is a promising solution to maintain the superior properties of Ge1−xSnx while mitigating the strain-induced defects, thereby forming high-quality Ge1−xSnx material with a high Sn content. A core/shell nanowire structure is a promising approach to form nanoscale Ge1−xSnx with high crystal qualities, where the Ge core nanowire can be used as a template to grow the Ge1−xSnx shell. The growth of the Ge/Ge1−xSnx core/shell nanowires includes two steps: first, Ge nanowires were grown on a Si (111) or Ge (111) substrate by following the vapor-liquid-solid mechanism; second, the Ge1−xSnx shells with different Sn compositions were epitaxially grown on the Ge nanowire surface. We investigated their optical and electri-cal properties by fabricating photodetectors and transistors. Scanning electron microscopy, transmission electron microscopy, energy dispersive X-ray spectroscopy, atom probe tomog-raphy, and Raman spectroscopy were used to characterize the morphology, crystalline quality, chemical composition, and strain distribution of the materials.