Лазерно-індукована кристалізація багатошарових аморфних плівок Ge/Sn
DOI:
https://doi.org/10.15407/ujpe71.11.901Ключові слова:
плiвки GeSn, лазерний вiдпал, наносекундний лазер, фемтосекундний лазер, XRD, СЕМ, SIMS, раманiвська спектроскопiя, сегрегацiяАнотація
Проведено порівняльний аналіз структурно-морфологічних та оптичних властивостей полікристалічних плівок GeSn товщиною 150 нм, сформованих методом лазерного відпалу аморфних багатошарових гетероструктур на буферному шарі Ge/Si(100) з використанням двох типів випромінювання: імпульсного наносекундного (λ = 355 нм) і фемтосекундного (λ = 800 нм). За даними спектроскопії раманівського розсіювання світла та X-променевої дифрактометрії (XRD) встановлено, що імпульсний наносекундний УФ-відпал у вузькому діапазоні густини енергії імпульсу 0,2–0,3 Дж/см² є найефективнішим для збереження планарності поверхні та досягнення максимального замісного вбудовування олова у вузли ґратки германію (до 10,3 ат.% Sn). Фемтосекундний відпал забезпечує дещо нижчий рівень інкорпорації олова (7,5 ат.%) унаслідок міжфазного перемішування елементів Sn та Ge між плівкою та буферним шаром, що підтверджено профілями SIMS. Показано, що морфологія поверхні плівок за умов використання цих двох типів лазерної обробки також суттєво відрізняється: зокрема, фемтосекундний відпал спричиняє самоорганізацію поверхневих періодичних структур (LIPSS), які є перспективними для використання в спеціальних оптоелектронних пристроях.
Посилання
1. J.M. Carmona-Sanchez, J. Tiscareno-Ramirez, V. Aca-Aca, A. Hernández-Flores et al. Formation and structural characterization of amorphous GeSn thin films via solid-state Sn diffusion into hydrogenated amorphous germanium. J. Alloys and Compounds 1074, 189195 (2026).
https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2026.189195
2. S. Gougam, M.A. Schubert, G. Capellini, M.H. Zoellner. Delayed epitaxial breakdown in MBE-grown GeSn epitaxial layers by high deposition rate and temperatures. J. Phys. D: Appl. Phys. 59, 275106 (2026).
https://doi.org/10.1088/1361-6463/ae83c5
3. A.A. Corley-Wiciak, I. Zaitsev, O. Concepcion, D. Buca et al. Shedding light on epitaxial SiGeSn alloys with Raman spectroscopy: local order and thermomechanical properties. J. Phys.: Condens. Matter. 37, 493002 (2025).
https://doi.org/10.1088/1361-648X/ae1c0b
4. S. Gupta, B. Magyari-Kope, Y. Nishi, K.C. Saraswat. Achieving direct band gap in germanium through integration of Sn alloying and external strain. J. Appl. Phys. 113, 073707 (2013).
https://doi.org/10.1063/1.4792649
5. S. Zaima, O. Nakatsuka, N. Taoka et al. Growth and applications of GeSn-related group-IV semiconductor materials. Sci. Technol. Adv. Mater. 16, 043502 (2015).
https://doi.org/10.1088/1468-6996/16/4/043502
6. R.W. Olesinski, G.J. Abbaschian. The Ge-Sn (Germanium-Tin) system. Bull. Alloy Phase Diagrams 5, 265 (1984).
https://doi.org/10.1007/BF02868550
7. S.V. Kondratenko, Y.V. Hyrka, Y.I. Mazur, A.V. Kuchuk et al. Photovoltage spectroscopy of direct and indirect bandgaps of strained Ge1−xSnx thin films on a Ge/Si (001) substrate. Acta Mater. 171, 40 (2019).
https://doi.org/10.1016/j.actamat.2019.04.004
8. S. Acharya, A. Fischer, N. Rosson, A. Said, H. Stanchu et al. High-quality GeSn grown in foundry mode via chemical vapor deposition enabling lasing up to 235 K. J. Appl. Phys. 138, 173101 (2025).
https://doi.org/10.1063/5.0287945
9. V.O. Yukhymchuk, G.G. Tarasov, M.Ya. Valakh, P.M. Lytvyn et al. Synthesis of Ge1−xSnx and Ge1−x−ySnxCy films by magnetron sputtering followed by laser annealing. Semicond. Phys., Quantum Electron. & Optoelectron. 29 (1), 019 (2026).
https://doi.org/10.15407/spqeo29.01.019
10. V.O. Yukhymchuk, P.M. Lytvyn, A.A. Korchovyi, O.Yo. Gudymenko et al. Laser-induced crystallisation of amorphous GeSn and GeSn:C films. Mater. Res. Express 12, 115004 (2025).
https://doi.org/10.1088/2053-1591/ae1d3d
11. V.O. Yukhymchuk, O.Yo. Gudymenko, T.M. Sabov, O.V. Dubikovskyi et al. Formation and properties of GeSn:C films on silicon substrates. Semicond. Phys., Quantum Electron. & Optoelectron. 27 (4), 412 (2024).
https://doi.org/10.15407/spqeo27.04.412
12. X. Wang, D. Qi, W. Zhou, H. Deng, Yu. Liu et al. Effect of Laser Pulse Width and Intensity Distribution on the Crystallographic Characteristics of GeSn Film. Coatings 13, 453 (2023).
https://doi.org/10.3390/coatings13020453
13. J. Zhang, S. Shangguan, W. Wang, W. Shi et al. Study on the Periodic Structure of Polycrystalline GeSn Prepared by Femtosecond Pulse Laser Direct Writing. SSRN Electronic Journal, http://dx.doi.org/10.2139/ssrn.4402223 (2023).
https://doi.org/10.2139/ssrn.4402223
14. O. Aktas, A.C. Peacock. Laser thermal processing of group IV semiconductors for integrated photonic systems. Adv. Photonics Res. 2, 2000159 (2021).
https://doi.org/10.1002/adpr.202000159
15. J. Bonse. Quo vadis LIPSS? - Recent and future trends on laser-induced periodic surface structures. Nanomaterials 10, 1950 (2020).
https://doi.org/10.3390/nano10101950
16. H. Lin, R. Chen, Yi. Huo et al. Raman study of strained Ge1−xSnx alloys. Appl. Phys. Lett. 98, 261917 (2011).
https://doi.org/10.1063/1.3606384
17. T. Imajo, T. Suemasu, K. Toko. Strain effects on polycrystalline germanium thin films. Sci. Rept. 11, 8333 (2021).
https://doi.org/10.1038/s41598-021-87616-x
18. L.B. Freund, S. Suresh. Thin Film Materials (Cambridge Univ. Press, 2010).
19. Yi. Jie, A.T.S. Wee, C.H.A. Huan, Z.X. Shen, W.K. Choi. Phonon confinement in Ge nanocrystals in silicon oxide matrix. J. Appl. Phys. 109, 033107 (2011).
https://doi.org/10.1063/1.3503444
20. J.I. Langford, A.J.C. Wilson. Scherrer after sixty years: A survey and some new results in the determination of crystallite size. J. Appl. Crystallogr. 11 (2), 102 (1978).
Завантаження
Опубліковано
Номер
Розділ
Ліцензія
Ліцензійний Договір
на використання Твору
м. Київ, Україна
Відповідальний автор та співавтори (надалі іменовані як Автор(и)) статті, яку він (вони) подають до Українського фізичного журналу, (надалі іменована як Твір) з одного боку та Інститут теоретичної фізики імені М.М. Боголюбова НАН України в особі директора (надалі – Видавець) з іншого боку уклали даний Договір про таке:
1. Предмет договору.
Автор(и) надає(ють) Видавцю безоплатно невиключні права на використання Твору (наукового, технічного або іншого характеру) на умовах, визначених цим Договором.
2. Способи використання Твору.
2.1. Автор(и) надає(ють) Видавцю право на використання Твору таким чином:
2.1.1. Використовувати Твір шляхом його видання в Українському фізичному журналі (далі – Видання) мовою оригіналу та в перекладі на англійську (погоджений Автором(ами) і Видавцем примірник Твору, прийнятого до друку, є невід’ємною частиною Ліцензійного договору).
2.1.2. Переробляти, адаптувати або іншим чином змінювати Твір за погодженням з Автором(ами).
2.1.3. Перекладати Твір у випадку, коли Твір викладений іншою мовою, ніж мова, якою передбачена публікація у Виданні.
2.2. Якщо Автор(и) виявить(лять) бажання використовувати Твір в інший спосіб, як то публікувати перекладену версію Твору (окрім випадку, зазначеного в п. 2.1.3 цього Договору); розміщувати повністю або частково в мережі Інтернет; публікувати Твір в інших, у тому числі іноземних, виданнях; включати Твір як складову частину інших збірників, антологій, енциклопедій тощо, то Автор(и) мають отримати на це письмовий дозвіл від Видавця.
3. Територія використання.
Автор(и) надає(ють) Видавцю право на використання Твору способами, зазначеними у п.п. 2.1.1–2.1.3 цього Договору, на території України, а також право на розповсюдження Твору як невід’ємної складової частини Видання на території України та інших країн шляхом передплати, продажу та безоплатної передачі третій стороні.
4. Строк, на який надаються права.
4.1. Договір є чинним з дати підписання та діє протягом усього часу функціонування Видання.
5. Застереження.
5.1. Автор(и) заявляє(ють), що:
– він/вона є автором (співавтором) Твору;
– авторські права на даний Твір не передані іншій стороні;
– даний Твір не був раніше опублікований і не буде опублікований у будь-якому іншому виданні до публікації його Видавцем (див. також п. 2.2);
– Автор(и) не порушив(ли) права інтелектуальної власності інших осіб. Якщо у Творі наведені матеріали інших осіб за виключенням випадків цитування в обсязі, виправданому науковим, інформаційним або критичним характером Твору, використання таких матеріалів здійснене Автором(ами) з дотриманням норм міжнародного законодавства і законодавства України.
6. Реквізити і підписи сторін.
Видавець: Інститут теоретичної фізики імені М.М. Боголюбова НАН України.
Адреса: м. Київ, вул. Метрологічна 14-б.
Автор: Електронний підпис від імені та за погодження всіх співавторів.
.png){kind=small}
