Ultralow Resistivity Ge:Sb heterostructures on Si Using Hydride Epitaxy of Deuterated Stibine and Trigermane

Abstract

The nonconventional deuterated stibine (SbD3) compound has been used for the first time in combination with trigermane (Ge3H8) to produce hyper-doped Ge-on-Si films with carrier concentrations n > 10(20) cm(-3) and record-low resistivities ρ = 1.8 × 10(-4) Ω cm. The growth takes place on Ge and Ge1-xSix buffered Si(100) wafers at ultralow temperatures (∼330 °C) at which Sb diffusion is negligible, leading to extremely flat atomic profiles of the constituents. The Sb substitution in the Ge lattice is determined by RBS channeling and corroborated by high-resolution XRD, which also reveal a systematic increase in lattice constant vs concentration, as expected due to the incorporation of the larger Sb. High-resolution TEM illustrates defect-free monocrystalline structures with device-quality morphologies. The electrical characteristics of the samples are measured using Hall effect and resistivity measurements combined with contactless infrared ellipsometry and are found to be consistent with an extrapolation of the bulk Ge:Sb properties to the high carrier concentrations achieved in our films. The Sb/Ge ratio in the doped layers is approximately the same as that in the precursor reaction mixture, indicating a highly efficient Sb incorporation afforded by the compatible reactivity of the molecules employed in this study. The resultant films are attractive for next generation germanium technologies that require low-resistance n+ junctions or a Fermi level that approaches the direct gap minimum in the conduction band, which drastically enhances the optical emission efficiency of n-type Ge.

Fabrication of Ge:Ga Hyperdoped Materials and Devices Using CMOS-Compatible Ga and Ge Hydride Chemistries

“…We used an Ecopia 3000 Hall system with a calibrated magnetic field of 0.584 T. The In−Sn contacts were made to the samples for these measurements and also used to determine the resistivity electrically. Details on these electrical measurements can be found in ref 10.…”

“…Recent efforts have focused on developing ultralow-temperature (200–350 °C) methods that are more compatible with CMOS processing. These new approaches involve custom hydride precursors, including the P­(GeH 3 ) 3 , As­(GeH 3 ) 3 , and SbD 3 families of compounds. The results from these endeavors include record-high dopant concentrations, ultralow resistivities, uniform dopant profiles, sharp interfaces, and near-perfect activation ratios, enabling the fabrication of working devices.…”

Une surstructure de α-Ge, type diamant, induite par un dopage d'antimoine

“…(Claeys et al, 2010). En effet, le dopage du germanium peut affecter ses performances pour de futur applications é lectroniques, plus particuliè rement l'antimoine Sb, un dopant de type-n qui connait une attention particuliè re pour sa ultra-faible ré sistivité (Xu, et al, 2016) et pour ces grandes performances n-MOSFET (Thareja et al, 2010); d'où la né cessité de synthé tiser des monocristaux Ge/Sb approprié s (Sheikhi et al, 2016;Bruno et al, 2010). L'é tude du diagramme Ge-Sb montre la pré sence d'une seule phase mé tastable Ge 0,5 Sb 0,5 té tragonale (Giessen & Gautier, 1972) et une solubilité Sb dans Ge qui varie entre 2.4-2.5 at.% (Okamoto, 2012).…”

Влияние отжига на свойства слоев Ge : Sb/Si(001) с концентрацией сурьмы выше уровня ее равновесной растворимости в германии

“…Однако формирование слоев Ge с такими концентрациями электрически активных доноров сталкивается с рядом трудностей, вызванных низкой (на уровне ∼ 10 19 см −3 [6]) равновесной растворимостью наиболее широко используемых донорных примесей, сильно выраженным эффектом сегрегации доноров при эпитаксиальном росте [7][8][9][10], а также заметной объемной диффузией доноров в Ge [6]. Все эти факторы, в той или иной степени, вынуждают использовать на определенных этапах формирова-ния легированных слоев Ge пониженные температуры и(или) неравновесные методики роста для достижения сверхвысоких концентраций электрически активной примеси [10][11][12][13][14]. В результате могут быть получены метастабильные слои n-Ge/Si с концентрациями электрически активных доноров, на порядок превышающими их равновесную растворимость в Ge [12][13][14][15].…”

“…Все эти факторы, в той или иной степени, вынуждают использовать на определенных этапах формирова-ния легированных слоев Ge пониженные температуры и(или) неравновесные методики роста для достижения сверхвысоких концентраций электрически активной примеси [10][11][12][13][14]. В результате могут быть получены метастабильные слои n-Ge/Si с концентрациями электрически активных доноров, на порядок превышающими их равновесную растворимость в Ge [12][13][14][15]. Однако использование низких температур при росте совместно со сверхвысокой концентрацией примеси может приводить к снижению кристаллического качества выращенных структур.…”