The last missing piece of the puzzle for the full functionalization of group IV optoelectronic devices is a direct bandgap semiconductor made by CMOS compatible technology. Here, we report on the fabrication of GeSn alloys with Sn concentrations up to 4.5% using ion implantation followed by millisecond-range explosive solid phase epitaxy. The n-type single crystalline GeSn alloys are realized by co-implantation of Sn and P into Ge. Both the activation of P and the formation of GeSn are performed during a single-step flash lamp annealing for 3 ms. The bandgap engineering in GeSn as a function of the doping level and Sn concentration is theoretically predicted by density functional theory and experimentally verified using ellipsometric spectroscopy. We demonstrate that both the diffusion and the segregation of Sn and P atoms in Ge are fully suppressed by millisecond-range nonequilibrium thermal processing.

1.
G.
Roelkens
 et al,
ACS Photonics
3
,
969
1004
(
2015
).
2.
Y.
Jhang
,
K.
Tanabe
,
S.
Iwamoto
, and
Y.
Arakawa
,
IEEE Photon. Technol. Lett.
27
,
875
(
2015
).
3.
S.
Prucnal
,
S.
Facsko
,
C.
Baumgart
,
H.
Schmidt
,
M. O.
Liedke
,
L.
Rebohle
,
A.
Shalimov
,
H.
Reuther
,
A.
Kanjilal
,
A.
Muecklich
,
M.
Helm
,
J.
Zuk
, and
W.
Skorupa
,
Nano Lett.
11
,
2814
(
2011
).
4.
D.-M.
Geum
,
M.-S.
Park
,
J. Y.
Lim
,
H.-D.
Yang
,
J. D.
Song
,
C. Z.
Kim
,
E.
Yoon
,
S. H.
Kim
, and
W. J.
Choi
,
Sci. Rep.
6
,
20610
(
2016
).
5.
M. T.
Bjoerk
,
H.
Schmid
,
C. D.
Bessire
,
K. E.
Moselund
,
H.
Ghoneim
,
S.
Karg
,
E.
Loertscher
, and
H.
Riel
,
Appl. Phys. Lett.
97
,
163501
(
2010
).
6.
S.
Wirths
,
R.
Geiger
,
N.
von den Driesch
,
G.
Mussler
,
T.
Stoica
,
S.
Mantl
,
Z.
Ikonic
,
M.
Luysberg
,
S.
Chiussi
,
J. M.
Hartmann
,
H.
Sigg
,
J.
Faist
,
D.
Buca
, and
D.
Grützmacher
,
Nat. Photon.
9
,
88
(
2015
).
7.
J.
Liu
,
L. C.
Kimerling
, and
J.
Michel
,
Semicond. Sci. Technol.
27
,
094006
(
2012
).
8.
S.
Prucnal
,
J.
Frigerio
,
E.
Napolitani
,
A.
Ballabio
,
Y.
Berencén
,
L.
Rebohle
,
M.
Wang
,
R.
Böttger
,
M.
Voelskow
,
G.
Isella
,
R.
Hübner
,
M.
Helm
,
S.
Zhou
, and
W.
Skorupa
,
Semicond. Sci. Technol.
32
,
115006
(
2017
).
9.
J.
Liu
,
X.
Sun
,
D.
Pan
,
X.
Wang
,
L. C.
Kimerling
,
T. L.
Koch
, and
J.
Michel
,
Opt. Express
15
,
11272
(
2007
).
10.
S.
Biswas
,
J.
Doherty
,
D.
Saladukha
,
Q.
Ramasse
,
D.
Majumdar
,
M.
Upmanyu
,
A.
Singha
,
T.
Ochalski
,
M. A.
Morris
, and
J. D.
Holmes
,
Nat. Commun.
7
,
11405
(
2016
).
11.
L.
Augel
,
I. A.
Fischer
,
F.
Hornung
,
M.
Dressel
,
A.
Berrier
,
M.
Oehme
, and
J.
Schulze
,
Opt. Lett.
41
,
4398
(
2016
).
12.
M.
Grydlik
,
F.
Hackl
,
H.
Groiss
,
M.
Glaser
,
A.
Halilovic
,
T.
Fromherz
,
W.
Jantsch
,
F.
Schäffler
, and
M.
Brehm
,
ACS Photonics
3
,
298
(
2016
).
13.
P.
Rauter
,
L.
Spindlberger
,
F.
Schäffler
,
T.
Fromherz
,
J.
Freund
, and
M.
Brehm
,
ACS Photonics
5
,
431
(
2018
).
14.
M.
Oehme
,
K.
Kostecki
,
M.
Schmid
,
F.
Oliveira
,
E.
Kasper
, and
J.
Schulze
,
Thin Solid Films
557
,
169
(
2014
).
15.
T. T.
Tran
,
H. S.
Alkhaldi
,
H. H.
Gandhi
,
D.
Pastor
,
L. Q.
Huston
,
J.
Wong-Leung
,
M. J.
Aziz
, and
J. S.
Williams
,
Appl. Phys. Lett.
109
,
082106
(
2016
).
16.
S.
Prucnal
,
L.
Rebohle
, and
W.
Skorupa
,
Mater. Sci. Semicond. Process
62
,
115
(
2017
).
17.
S.
Prucnal
,
F.
Liu
,
M.
Voelskow
,
L.
Vines
,
L.
Rebohle
,
D.
Lang
,
Y.
Berencén
,
S.
Andric
,
R.
Boettger
,
M.
Helm
,
S.
Zhou
, and
W.
Skorupa
,
Sci. Rep.
6
,
27643
(
2016
).
18.
J. F.
Ziegler
,
J. P.
Biersack
, and
U.
Littmark
,
The Stopping and Range of Ions in Matter
(
Pergamon Press
,
New York
,
1985
), ISBN 978-0-08-021607-2.
19.
L. R.
Doolittle
,
Nucl. Instrum. Methods B
9
,
344
(
1985
).
20.
D. V.
Likhachev
,
Thin Solid Films
636
,
519
(
2017
).
21.
J. P.
Perdew
,
K.
Burke
, and
M.
Ernzerhof
,
Phys. Rev. Lett.
77
,
3865
(
1996
).
22.
O.
Rubel
,
A.
Bokhanchuk
,
S. J.
Ahmed
, and
E.
Assmann
,
Phys. Rev. B
90
,
115202
(
2014
).
23.
F.
Tran
and
P.
Blaha
,
Phys. Rev. Lett.
102
,
226401
(
2009
).
24.
S.
Wirths
,
D.
Stange
,
M.-A.
Pampillón
,
A. T.
Tiedemann
,
G.
Mussler
,
A.
Fox
,
U.
Breuer
,
B.
Baert
,
E.
San Andrés
,
N. D.
Nguyen
,
J.-M.
Hartmann
,
Z.
Ikonic
,
S.
Mantl
, and
D.
Buca
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
7
,
62
(
2015
).
25.
M. P.
Polak
,
P.
Scharoch
, and
R.
Kudrawiec
,
J. Phys. D Appl. Phys.
50
,
195103
(
2017
).
26.
R.
Koerner
,
I. A.
Fischer
,
D.
Schwarz
,
C.
Clausen
,
M.
Oehme
, and
J.
Schulze
,
Semicond. Sci. Technol.
32
,
124005
(
2017
).
27.
S.
Zaima
,
O.
Nakatsuka
,
N.
Taoka
,
M.
Kurosawa
,
W.
Takeuchi
, and
M.
Sakashita
,
Sci. Technol. Adv. Mater.
16
,
043502
(
2015
).
28.
F.
Dybała
,
K.
Żelazna
,
H.
Maczko
,
M.
Gladysiewicz
,
J.
Misiewicz
,
R.
Kudrawiec
,
H.
Lin
,
R.
Chen
,
C.
Shang
,
Y.
Huo
,
T. I.
Kamins
, and
J. S.
Harris
,
J. Appl. Phys.
119
,
215703
(
2016
).
29.
C.-Y.
Lin
,
H.-Y.
Ye
,
F.-L.
Lu
,
H. S. L.
and C
, and
W.
Liu
,
Opt. Mater. Express
8
,
2795
(
2018
).
30.
C.
Eckhardt
,
K.
Hummer
, and
G.
Kresse
,
Phys. Rev. B
89
,
165201
(
2014
).
31.
A.
Walsh
,
J. L. F.
Da Silva
, and
S.-H.
Wie
,
Phys. Rev. B
78
,
075211
(
2008
).
32.
G.
Grzybowski
,
R.
Roucka
,
J.
Mathews
,
R. T.
Beeler
,
J.
Kouvetakis
, and
J.
Menéndez
,
Phys. Rev. B
84
,
205307
(
2011
).
33.
P.
Śpiewak
,
J.
Vanhellemont
,
K.
Sueoka
,
K. J.
Kurzydłowski
, and
I.
Romandic
,
J. Appl. Phys.
103
,
086103
(
2008
).
34.
C.
Xu
,
C. L.
Senaratne
,
J.
Kouvetakis
, and
J.
Menendez
,
Phys. Rev. B
93
,
041201
(
2016
).
35.
S.
Prucnal
,
Y.
Berencén
,
M.
Wang
,
L.
Rebohle
,
R.
Böttger
,
I. A.
Fischer
,
L.
Augel
,
M.
Oehme
,
J.
Schulze
,
M.
Voelskow
,
M.
Helm
,
W.
Skorupa
, and
S.
Zhou
,
Semicond. Sci. Technol.
33
,
065008
(
2018
).
36.
K.
Gao
,
S.
Prucnal
,
R.
Huebner
,
C.
Baehtz
,
I.
Skorupa
,
Y.
Wang
,
W.
Skorupa
,
M.
Helm
, and
S.
Zhou
,
Appl. Phys. Lett.
105
,
042107
(
2014
).
37.
R.
Cheng
,
W.
Wang
,
X.
Gong
,
L.
Sun
,
P.
Guo
,
H.
Hu
,
Z.
Shen
,
G.
Han
, and
Y.-C.
Yeo
,
ECS J. Solid State Sci. Technol.
2
,
P138
(
2013
).
38.
A.
Claverie
,
S.
Koffel
,
N.
Cherkashin
,
G.
Benassayag
, and
P.
Scheiblin
,
Thin Solid Films
518
,
2307
(
2010
).
39.
R. S.
Nelson
,
Radiat. Eff.
2
,
47
(
1969
).
You do not currently have access to this content.