本发明专利技术涉及一种带隙改性Ge材料及其制备方法。该制备方法包括：选取Si衬底；在第一温度下，在所述Si衬底上生长Ge薄膜层；在第二温度下，在所述Ge薄膜层上生长Ge层；在所述Ge层上生长GeSn层形成待改性的Ge材料；利用应力施加装置对所述待改性的Ge材料施加机械应力，最终形成所述带隙改性Ge材料。本发明专利技术采用合金化与应力共作用的方式实现Ge带隙类型的转化，克服了单纯依靠合金化和单纯依靠应力致Ge带隙类型转化固溶度低和应力强度大而导致的工艺难度大的问题。该带隙改性Ge材料既可应用于电子器件，又可应用于光子器件，可为单片光电集成提供又一技术途径。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及集成电路
，特别涉及一种带隙改性Ge材料及其制备方法。
技术介绍
光电集成电路是把光子器件与电子器件集成在同一衬底上，形成具有光和电两种信号处理功能的集成电路。光电集成电路按结构可分为混合光电集成型电路和单片光电集成型电路两类。其中，单片光电集成型电路是当前研究发展的重要方向。目前，单片光电集成型电路主要是指在同一衬底上集成有源光器件、无源光器件及电子器件，但尚未见在单片同层实现高性能微电子器件与光电子器件集成的技术报道。为进一步提高单片光电集成型电路的性能，适应信息化高速发展的需求，进行技术创新，发展新型的半导体材料、新型的工艺技术，实现单片同层光电集成型电路将极具应用潜力与价值。Ge为间接带隙半导体，改性可致其转变为直接带隙半导体。应用于光子器件，转换效率高，其直接带隙发光效率可与Ⅲ-Ⅴ族半导体相当。同时，改性情况下Ge载流子迁移率显著高于Si载流子迁移率，应用于电子器件，工作速度高、频率特性好。直接带隙改性Ge既可制造高转化效率光子器件，又可用于
高速电子器件，且与Si工艺兼容，涉及光电集成的各重要元件(光源、光调制器、光探测器、电子器件)甚至均可在同一有源层集成于同一芯片上，为高速器件与电路提供了又一新的技术发展途径。因此，有关直接带隙改性Ge的相关研究已成为了当前国内外研究的热点和重点。特别地，如何制备和实现直接带隙改性Ge材料备受关注。为了实现直接带隙Ge，需要首先从理论原理上分析给出Ge发生带隙转化的条件。目前，应力作用和合金化(形成Ge1-xSnx合金)是Ge实现带隙类型转化的主要技术手段。考虑到(001)晶面是器件制造的常用晶面，单轴力是工艺中常用应力引入方式。图1为(001)单轴0°张/压应变Ge导带各能级随应力变化关系图，依据广义胡克定律和形变势原理，从图1中可以看出，在单轴张应力达到约4.8GPa时，由于Γ谷的收缩速率比L谷快，两者的能量差会相继减小直到Ge变成直接带隙半导体材料。然而，单纯施加应力作用时所需强度过大，目前外延技术工艺很难实现4.8GPa的单轴应力，工艺实现难度大。同时，依据文献，合金化作用条件下Ge发生带隙类型转化，所需的合金化Sn组份为8％。然而，高质量Ge1-xSnx合金的生长存在着诸多难点，首先，Sn在Ge中平衡固溶度较低，约1％并且Sn的表面自由能比Ge的小，从而使得Sn非常容易分凝到表面。其次,当温度高于13.2℃时，Sn将发生相变，从金刚石结构的a-Sn转变为体心四方结构的b-Sn。再次，Ge和a-Sn的晶格失配度高达14.7％，也不利于Ge1-xSnx合金的生长。因此，解决直接带隙改性Ge材料制备技术，已成为本领域亟待解决的问题。
技术实现思路
因此，为解决现有技术存在的技术缺陷和不足，本专利技术提出一种带隙改性Ge材料及其制备方法。具体地，本专利技术一个实施例提出的一种多用户MIMO-Y信道的信息传输方法，包括：S101、选取晶向为(001)Si衬底材料；S102、利用分子束外延方式在所述Si衬底上，在275℃～325℃温度下生长50nm的Ge薄膜层；S103、在500℃～600℃温度下在所述Ge薄膜层上淀积900nm～950nm的Ge层，所述Ge层的掺杂浓度为1×1016～5×1016cm-3；S104、在H2气氛中，750℃～850℃下对所述Ge层进行退火处理，退火处理时间为10～15分钟；S105、使用稀氢氟酸和去离子水循环清洗所述Ge层；S106、利用分子束外延方式，在温度为90～100℃，基准压力为3×10-10torr的生长环境下，选取纯度为99.9999％的Ge和99.9999％的Sn分别作为Ge源和Sn源，在所述Ge层上生长形成40～50nm的Ge0.99Sn0.01材料；S107、在温度为400～500℃下，注入P离子，注入时间为200s，注入剂量为1～5×1013cm-2，能量30keV，形成N型的所述Ge0.99Sn0.01材料，通过抛光处理后形成厚度为50um的待改性的Ge材料；S108、将所述待改性的Ge材料贴附在单轴张应力施加装置的铝箔载片上，所述铝箔载片的弯曲度为50°；S109、将所述铝箔载片贴附并固定在所述单轴张应力机械施加装置的底座上，由所述单轴张应力施加装置施加机械应力后形成所述带隙改性Ge材料。本专利技术另一个实施例提出的一种带隙改性Ge材料，依次包括Si衬底层、Ge薄膜层、Ge层和Ge0.99Sn0.01层；其中，所述带隙改性Ge材料由上述实施例所述的方法制备形成。本专利技术另一个实施例提出的一种带隙改性Ge材料的制备方法，包括：选取Si衬底；在第一温度下，在所述Si衬底上生长Ge薄膜层；在第二温度下，在所述Ge薄膜层上生长Ge层；在所述Ge层上生长GeSn层形成待改性的Ge材料；利用应力施加装置对所述待改性的Ge材料施加机械应力，最终形成所述带隙改性Ge材料。在专利技术的一个实施例中，所述第一温度低于所述第二温度。在本专利技术的一个实施例中，所述第一温度为275℃～325℃；所述第二温度为500℃～600℃。在本专利技术的一个实施例中，在第二温度下，在所述Ge薄膜层上生长Ge层之后，还包括：在H2气氛中对所述Ge层进行退火处理；使用稀氢氟酸和去离子水循环清洗所述Ge层。在本专利技术的一个实施例中，在所述Ge层上生长GeSn层形成待改性的Ge材料，包括：利用分子束外延方式，在温度为90～100℃，基准压力为3×10-10torr的生长
环境下，选取纯度为99.9999％的Ge和99.9999％的Sn分别作为Ge源和Sn源，在所述Ge层上生长形成40nm～50nm的Ge0.99Sn0.01材料；在温度为400～500℃下注入P离子，注入时间为200s，注入剂量为1～5×1013cm-2，能量30keV，使所述Ge0.99Sn0.01材料变为N型；通过抛光处理后形成4英寸、厚度为50um的待改性的Ge材料。在本专利技术的一个实施例中，利用应力施加装置对所述待改性的Ge材料施加机械应力，包括：将所述待改性的Ge材料贴附在应力施加装置的铝箔载片上，所述铝箔载片的弯曲度为50°；将所述铝箔载片贴附并固定在所述应力施加装置的底座上，由所述应力施加装置施加机械应力。在本专利技术的一个实施例中，所述应力施加装置为单轴机械应力施加装置。本专利技术另一个实施例提出的一种带隙改性Ge材料，依次包括Si衬底层、Ge薄膜层、Ge层和GeSn层；其中，所述带隙改性Ge材料由上述实施例所述的方法制备形成。上述实施例，采用合金化与应力共作用的方式实现Ge带隙类型的转化，克服了单纯依靠合金化和单纯依靠应力致Ge带隙类型转化固溶度低和应力强度大而导致的工艺难度大的问题；另外，利用机械拉伸的方法制得的具有直接带隙的Ge材料具有较高的单晶质量；其次，基于Si衬底制备直接带隙改性Ge材料，制备过程中除最后应力施加工艺外，其他工艺均与现有Si工艺兼容。整体制备技术简单、实用，具有制造成本低和工艺难度小的优点；再次，制备形成的直接带隙改性Ge材料，相对于传统Si材料载流子迁移率提高了数倍，可以应用
与光电子器件，提高器件的电流驱动与频率特性。同时，应用于光子器件，转换效率高，性能提升，为同一有源层单片光电集成的实现提供了一种解决方案本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种带隙改性Ge材料的制备方法，其特征在于，包括：S101、选取晶向为(001)Si衬底材料；S102、利用分子束外延方式在所述Si衬底上，在275℃～325℃温度下生长50nm的Ge薄膜层；S103、在500℃～600℃温度下在所述Ge薄膜层上淀积900nm～950nm的Ge层，所述Ge层的掺杂浓度为1×1016～5×1016cm‑3；S104、在H2气氛中，750℃～850℃下对所述Ge层进行退火处理，退火处理时间为10～15分钟；S105、使用稀氢氟酸和去离子水循环清洗所述Ge层；S106、利用分子束外延方式，在温度为90～100℃，基准压力为3×10‑10torr的生长环境下，选取纯度为99.9999％的Ge和99.9999％的Sn分别作为Ge源和Sn源，在所述Ge层上生长形成40～50nm的Ge0.99Sn0.01材料；S107、在温度为400～500℃下，注入P离子，注入时间为200s，注入剂量为1～5×1013cm‑2，能量30keV，形成N型的所述Ge0.99Sn0.01材料，通过抛光处理后形成厚度为50um的待改性的Ge材料；S108、将所述待改性的Ge材料贴附在单轴张应力施加装置的铝箔载片上，所述铝箔载片的弯曲度为50°；S109、将所述铝箔载片贴附并固定在所述单轴张应力机械施加装置的底座上，由所述单轴张应力施加装置施加机械应力后形成所述带隙改性Ge材料。...
【技术特征摘要】
1.一种带隙改性Ge材料的制备方法，其特征在于，包括：S101、选取晶向为(001)Si衬底材料；S102、利用分子束外延方式在所述Si衬底上，在275℃～325℃温度下生长50nm的Ge薄膜层；S103、在500℃～600℃温度下在所述Ge薄膜层上淀积900nm～950nm的Ge层，所述Ge层的掺杂浓度为1×1016～5×1016cm-3；S104、在H2气氛中，750℃～850℃下对所述Ge层进行退火处理，退火处理时间为10～15分钟；S105、使用稀氢氟酸和去离子水循环清洗所述Ge层；S106、利用分子束外延方式，在温度为90～100℃，基准压力为3×10-10torr的生长环境下，选取纯度为99.9999％的Ge和99.9999％的Sn分别作为Ge源和Sn源，在所述Ge层上生长形成40～50nm的Ge0.99Sn0.01材料；S107、在温度为400～500℃下，注入P离子，注入时间为200s，注入剂量为1～5×1013cm-2，能量30keV，形成N型的所述Ge0.99Sn0.01材料，通过抛光处理后形成厚度为50um的待改性的Ge材料；S108、将所述待改性的Ge材料贴附在单轴张应力施加装置的铝箔载片上，所述铝箔载片的弯曲度为50°；S109、将所述铝箔载片贴附并固定在所述单轴张应力机械施加装置的底座上，由所述单轴张应力施加装置施加机械应力后形成所述带隙改性Ge材料。2.一种带隙改性Ge材料，其特征在于，依次包括Si衬底层、Ge薄膜层、Ge层和Ge0.99Sn0.01层；其中，所述带隙改性Ge材料由权利要求1所述的方法制备形成。3.一种带隙改性Ge材料的制备方法，其特征在于，包括：选取Si衬底；在第一温度下，在所述Si衬底上生长Ge薄膜层；在第二温度下，在所述Ge薄膜层上生长Ge层；在所述Ge层上生...
【专利技术属性】
技术研发人员：任远，宋建军，蒋道福，宣荣喜，胡辉勇，张鹤鸣，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61
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