Separation of wafer bonding interface from heterogenous mismatched interface achieved high quality bonded Ge-Si heterojunction

异质结 材料科学 光电子学 晶片键合 外延 退火(玻璃) 薄脆饼 纳米技术 图层(电子) 复合材料
作者
Ruoyun Ji,Dan Wang,Jinlong Jiao,Liqiang Yao,Fuxiu He,Cheng Li,Guangyang Lin,Fu Ming Wang,Wei Huang,Songyan Chen
出处
期刊:Applied Surface Science [Elsevier BV]
卷期号:661: 160104-160104
标识
DOI:10.1016/j.apsusc.2024.160104
摘要

In the realm of optoelectronic integration, silicon-based Ge bonding has attracted great attention due to its advantages in short-wave infrared response and low cost. However, owing to the inherent lattice mismatch and thermal mismatch between Ge and Si, the bonded Ge-Si heterogenous interfaces encountered problems of thermal instability and high interface states. Herein, an approach of separating the bonding interface from the heterogenous interface is proposed through inserting a Ge epitaxial layer (GeEL) between the Si substrate and Ge film. This separation modifies the bonding interface to a homogenous one, alleviating the massive mismatch stress and achieving film relaxation, enhancing bonding stability in all aspects. Moreover, during 850 °C annealing, GeEL is doped via diffusion hence realizes electric filed modulation, inhibiting the carrier recombination leakage current and trap assisted tunneling in this defect-rich layer. A Ge-Si heterogenous PIN diode prepared by this bonding method has achieved a remarkable low dark current density (1.33 mA/cm2), a low ideality factor (1.11), and a high on–off ratio (1 0 6), confirming the outstanding quality of the bonded heterojunction. This work provides great prospects for higher performance, larger scale and multi-functional Si-based heterogenous material device applications.

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