Electrical Properties of Ge/Ge(x)Si(1-x) thin films on the boundary of semiconductor-dielectric transition

Editorial Board PCSS Journal; С.В. Луньов; П.П. Шигорін; Б.Я. Венгрин

doi:10.15330/pcss.26.2.395-402

Автор(и)

С.В. Луньов Луцький національний технічний університет, м. Луцьк, Україна
П.П. Шигорін Волинський національний університет імені Лесі Українки, м. Луцьк, Україна
Б.Я. Венгрин Національний університет "Львівська політехніка", м. Львів, Україна

DOI:

https://doi.org/10.15330/pcss.26.2.395-402

Ключові слова:

ефекти розмірного квантування, перехід діелектрик-напівпровідник, внутрішні механічні напруження, тонкі плівки германію, концентрація власних носіїв струму, питома електропровідність

Анотація

На основі теорії електропровідності двовимірних напівпровідникових наноструктур проведено розрахунки залежностей концентрації носіїв струму та питомої електропровідності при кімнатній температурі для нелегованої та легованої наноплівки германію, вирощеної на підкладці Ge_(x)Si_(1-x) з кристалографічною орієнтацією (001), від її товщини та складу підкладки. Було встановлено, що перехід діелектрик-напівпровідник для тонких плівок германію товщиною d<7 нм можна реалізувати за рахунок збільшення її товщини, що повʼязано зі зменшення ефективності квантово-розмірних ефектів, або вмісту кремнію в підкладці Ge_(x)Si_(1-x), внаслідок чого відбувається зростання величини внутрішніх механічних напружень в плівці та, відповідно, концентрації власних носіїв струму. Легування такої плівки германію донорною домішкою з енергією іонізації Ed<150 меВ також призводить до реалізації переходу діелектрик-напівпровідник. Представлені розрахунки електричних властивостей тонких плівок германію можуть бути використані при розробці наукових основ їхнього синтезу та при конструюванні на основі таких плівок каналів n-MOSFET та n-MODFET транзисторів, лазерів на гетеропереходах та електрооптичних модуляторів.

Посилання

N. Rinaldi, M. Schröter, Silicon-Germanium Heterojunction Bipolar Transistors for Mm-wave Systems Technology: Modeling and Circuit Applications (River Publishers), (2022); https://doi.org/10.13052/rp-9788793519602.

M. Rudan, R. Brunetti, S. Reggiani, Handbook of semiconductor devices (Springer, 2023); https://doi.org/10.1007/978-3-030-79827-7.

Y. Shimura, C. Godfrin, A. Hikavyy, J. Aguilera, G. Katsaros, R. Loo, Compressively strained epitaxial Ge layers for quantum computing applications, Materials Science in Semiconductor Processing, 174, 108231 (2024); https://doi.org/10.1016/j.mssp.2024.108231.

E. Wangila, P. Lytvyn, H. Stanchu, C. Gunder, F. De Oliveira, S. Saha, G. Salamo, Growth of Germanium Thin Films on Sapphire Using Molecular Beam Epitaxy, Crystals, 13(11), 1557(2023); https://doi.org/10.3390/cryst13111557.

H. Stanchu, S. Kryvyi, S. Margiotta, M. Cook, J. Grant, H. Tran, S. Yu, Comprehensive material study of Ge grown by aspect ratio trapping on Si substrate, Journal of Physics D: Applied Physics, 57(25), 255107 (2024); https://doi.org/10.1088/1361-6463/ad365b.

C. Zhao, B. Xu, Z. Wang, Boron-doped III–V semiconductors for Si-based optoelectronic devices, Journal of Semiconductors, 41(1), 011301(2020); https://doi.org/10.1088/1674-4926/41/1/011301.

N. B. Singh, S. K. Shukla, Two-dimensional nanostructures for biomedical technology: Properties of two-dimensional nanomaterials (Elsevier, 2020); https://doi.org/10.1016/B978-0-12-817650-4.00003-6.

P. Chaisakul, N. Koompai, P. Limsuwan, , Theoretical investigation of a low-voltage Ge/SiGe multiple quantum wells optical modulator operating at 1310 nm integrated with Si3N4 waveguides, AIP Advances, 8(11), 115318(2018); https://doi.org/10.1063/1.5064701.

Y. Zhang, J. Gao, S. Qin, M. Cheng, K. Wang, L. Kai, J. Sun, , Asymmetric Ge/SiGe coupled quantum well modulators, Nanophotonics, 10(6), 1765(2021); https://doi.org/10.1515/nanoph-2021-0007.

T. Dutta, N. Yadav, Y. Wu, G. Cheng, X. Liang, S. Ramakrishna, A. Yadav, Electronic properties of 2D materials and their junctions, Nano Materials Science, 6(1), 1(2024); https://doi.org/10.1016/j.nanoms.2023.05.003.

K.C. Saraswat, Germanium. In 75th Anniversary of the Transistor, (Wiley, 2023); https://doi.org/10.1002/9781394202478.ch36.

J. Ding, H. Tong, J. Long, R. Zhang, B. Zhang, C. Wang, F. Qiu, ACS Applied Electronic, Microcrystal-induced crystallization effect for high-quality germanium/silicon heteroepitaxial nanofilms, Materials, 3(8), 3391(2021); https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsaelm.1c00373.

K. Sawano, Y. Hoshi, S. Kubo, K. Arimoto, J. Yamanaka, K. Nakagawa, Y. Shiraki, Structural and electrical properties of Ge (111) films grown on Si (111) substrates and application to Ge (111)-on-Insulator, Thin Solid Films, 613, 24(2016); https://doi.org/10.1016/j.tsf.2015.11.020.

M. Myronov, Molecular Beam Epitaxy of High Mobility Silicon, Silicon Germanium and Germanium Quantum Well Heterostructures. In Molecular Beam Epitaxy (Elsevier, 2018); https://doi.org/10.1016/B978-0-12-812136-8.00003-7.

A. Ghosh, M. Clavel, P. Nguyen, M. Meeker, G. Khodaparast, R. Bodnar, M. Hudait, Growth, structural, and electrical properties of germanium-on-silicon heterostructure by molecular beam epitaxy, Aip Advances, 7(9), 095214(2017); https://doi.org/10.1063/1.4993446.

S. Bedell, S. Hart, S. Bangsaruntip, C. Durfee, J. Ott, M. Hopstaken, P. Gumann, Low-temperature growth of strained germanium quantum wells for high mobility applications, ECS Transactions 98(5), 215(2020); https://doi.org/10.1149/09805.0215ecst.

T. Nagano, R. Hara, K. Moto, K. Yamamoto, T. Sadoh, Improved carrier mobility of Sn-doped Ge thin films (≤ 20 nm) on insulator by interface-modulated solid-phase crystallization combined with surface passivation, Materials Science in Semiconductor Processing,165, 107692(2023); https://doi.org/10.1016/j.mssp.2023.107692.

A. Nigro, E. Jutzi, N. Forrer, A. Hofmann, G. Gadea, I. Zardo, High quality Ge layers for Ge/SiGe quantum well heterostructures using chemical vapor deposition, Physical Review Materials, 8(6), 066201(2024); https://doi.org/10.1103/PhysRevMaterials.8.066201.

L. Wei, Y. Miao, Y. Ding, C. Li, H. Lu, Y. Chen, Ultra high hole mobility in Ge films grown directly on Si (100) through interface modulation, Journal of Crystal Growth 548, 125838 (2020); https://doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2020.125838.

G. Zhou, K. Lee, D. Anjum, Q. Zhang, X. Zhang, C. Tan, G. Xia, Impacts of doping on epitaxial germanium thin film quality and Si-Ge interdiffusion, Optical Materials Express, 8(5), 1117 (2018); https://doi.org/10.1364/OME.8.001117.

X. Yu, H. Jia, J. Yang, M. Masteghin, H. Beere, M. Mtunzi, H. Liu, Effects of phosphorous and antimony doping on thin Ge layers grown on Si, Scientific Reports, 14(1), 7969(2024); https://doi.org/10.1038/s41598-024-57937-8

S.V. Luniov, Calculation of Electron Mobility for the Strained Germanium Nanofilm, Journal of Nano-and Electronic Physics, 11(2), 02023 (2019); https://jnep.sumdu.edu.ua/en/full_article/2732.

S.V. Luniov, P.F. Nazarchuk, O.V. Burban, Electrical properties of strained germanium nanofilm, Physics and Chemistry of Solid State, 22(2), 313 (2021); https://doi.org/10.15330/pcss.22.2.313-320.

S. Luniov, O. Burban, Y. Koval, IEEE 10th International Conference Nanomaterials: Applications & Properties 02TM03-1 (IEEE, Sumy, 2020); https://ieeexplore.ieee.org/document/9309623.

S.V. Luniov, P.F. Nazarchuk, O.V. Burban, Calculation of the Electron Mobility for the Δ1-Model of the Conduction Band of Germanium Single Crystals, Semiconductors, 48(4), 438 (2014); https://doi.org/10.1134/S1063782614040198.

S.V. Luniov, O.V. Burban, P.F. Nazarchuk, Electron scattering in the ∆1-model of the conduction band of germanium crystals, Semiconductors, 49(5), 574 (2015); https://doi.org/10.1134/S1063782615050140.

S.V. Luniov, The impact of intrinsic conductivity on the mechanisms of tensoresistance of uniaxially deformed n-Ge single crystals, Journal of Physical Studies, 23(3), 3701 (2019); https://doi.org/10.30970/jps.23.3701.

S.V. Luniov, Calculation of band structure of the strained germanium nanofilm, doped with a donor impurity, Physica E: Low-dimensional Systems and Nanostructures, 118, 113954 (2020); https://doi.org/10.1016/j.physe.2020.113954.

U. Mishra, J. Singh, Semiconductor Device Physics and Design (Springer, Netherlands, 2008); https://doi.org/10.1007/978-1-4020-6481-4.

G. Bir, G. Pikus, D. Louvish, Symmetry and strain-induced effects in semiconductors (Wiley, New York, 1974).

S.V. Luniov, P.F. Nazarchuk, O.V. Burban, Parameters of the high-energy Δ1-minimum of the conduction band in n-Ge, Journal of Physical Studies, 17(3), 3702 (2013); https://doi.org/10.30970/jps.17.3702.