锗硅半导体合金的制备方法技术

本发明专利技术公开一种锗硅半导体合金的制备方法，其其包括以下步骤：制备具有{0001}c面的单晶氧化铝作为蓝宝石衬底；在上述的单晶氧化铝上生长立方金刚石结构的锗硅合金，该锗硅合金具有{111}晶体平面；该立方金刚石结构的锗硅合金的<110>方向，与所述的{0001}c面的单晶氧化铝的<1，0，‑1，0>方向对齐，也即锗硅合金的<110>晶向与单晶氧化铝的<1，0，‑1，0>互相平行；其中，所述的立方金刚石结构的锗硅合金中的硅原子和锗原子的百分比满足：硅原子：锗原子=（0.70‑0.74）：（0.30‑0.26）。

Process for the preparation of germanium silicon semiconductor alloy

The invention discloses a preparation method of a semiconductor silicon germanium alloy, which comprises the following steps: the preparation of the {0001}c single crystal alumina as sapphire substrate; growth of SiGe alloy diamond cubic structure in the single crystal alumina on the silicon germanium alloy with {111} crystal plane; silicon germanium alloy of the cubic diamond structure < 110> direction of single crystal alumina {0001}c surface and the < 1, 0, 1, 0> the direction of alignment, namely silicon germanium alloy < 110> crystal orientation and single crystal alumina < 1, 0, 1, 0> parallel to each other; the percentage of germanium silicon alloy cubic diamond structure in the silicon germanium atoms and silicon atoms: germanium atoms meet: (0.70 = 0.74 (0.30): 0.26).

【技术实现步骤摘要】
锗硅半导体合金的制备方法
本专利技术涉及锗硅半导体合金在蓝宝石衬底上的生长以及制备方法。
技术介绍
锗硅（SiGe，Silicon-germanium）半导体合金是一种合金，根据锗和硅的分子比可以表示成SixGe1-x。掺入III族元素为p型半导体，掺入V族元素为n型半导体。它是一种新型的半导体材料，对于微电子技术的发展具有重要的意义，在场效应晶体管（FET），高电子迁移率晶体管（HEMT器件），杂双极晶体管（HBT的），热电（TE）装置，光伏太阳能电池，以及光子探测器中均广泛使用，是一种非常重要半导体合金。锗硅（SiGe）半导体合金的晶体质量，直接影响半导体器件的性能，高品质的半导体器件要求锗硅合金的缺陷率和位错率低，无孪晶，裂纹和分层。现有技术中，硅锗通常情况下生长在普通的硅衬底上。然而，一旦锗硅外延层的厚度增加（例如，大于几十纳米），由于硅锗具有比硅更大的晶格常数，高品质（即无缺陷）的锗硅外延层就非常难得到。这意味着，一旦锗硅外延层的厚度超过由于晶格失配造成的几十纳米的临界厚度时，锗硅晶体在靠近硅衬底的地方会因为应变而产生严重缺陷（例如，微孪晶，裂纹，分层等）。因此，这种传统的方法只能生产非常薄的厚度的锗硅外延层（即，小于几十纳米），来用于高品质的电子器件的制造。运用这种方法能生产的，满足高品质的电子器件的制造要求的，锗硅外延层厚度非常薄（即，小于几十纳米）。一旦锗硅外延层的厚度超过由于晶格失配造成的几十纳米的临界厚度时，锗硅晶体在靠近硅衬底的地方会因为应变而产生严重缺陷（例如，微孪晶，裂纹，分层等）。作为一种改进，锗硅在蓝宝石上的生长是构建SGOI（绝缘体上的锗硅生长）器件的重要的方法。因为蓝宝石是一种最好的绝缘体，半导体层和基板之间的高频寄生电容可基本上消除。许多类似的在蓝宝石上生长硅（SOS）或在蓝宝石上生长硅锗（SGOS）的方法一般利用矩形r-面蓝宝石衬底（Sapphiresubstrate）与外延生长的立方金刚石结构的硅或锗的正方形的（001）面或矩形（110）面对齐；但是，那种方法往往会导致90°旋转孪晶缺陷。而如果在蓝宝石的c-面，即三方的（0001）面上生长立方晶系的锗硅半导体材料，则容易形成的60°旋转的孪晶缺陷。
技术实现思路
因此，针对上述的问题，本专利技术提供了一种高品质的（即无缺陷和位错）硅锗（SiGe）半导体合金在蓝宝石衬底上的制造方法。从该制造方法得到的硅锗半导体合金，由于缺少缺陷和位错这些减缓电荷移动的障碍，将极大的提高在晶体中移动的电荷运动速率。因此，本专利技术可用于改善各种使用这样的锗硅半导体合金的电子器件，比如场效应晶体管（FET），高电子迁移率晶体管（HEMT器件），杂双极晶体管（HBT），热电（TE）装置，光伏太阳能电池和光子检测器。本专利技术中，晶面的表示方法将用国际通用的米勒指数法，即，晶体平面是由带“（）”的数字表示，同类晶面群由带“{}”的数字表示，晶面的方向或长度由带“[]”的数字表示，同类方向群由带“<>”的数字表示。本专利技术的技术构思如下：本专利技术的制造方法可以在{0001}c面单晶蓝宝石基底上生长{111}晶面的立方金刚石结构的锗硅合金，并且锗硅合金的<110>晶向与基底的<1，0，-1，0>互相平行。通过调整锗硅合金的元素组分，使用0.7223的硅原子比例和0.2777的锗原子比例，可以使锗硅合金的晶格常数与衬底晶格常数相匹配。通过上述对菱形晶体晶格参数改造的方法，本专利技术提供了减少立方金刚石结构的锗硅合金在生长过程中，由于晶格与衬底晶格失配从而引起的缺陷和位错的方法。具体的，本专利技术提供一种锗硅半导体合金的制备方法，其包括以下步骤：制备具有{0001}c面的单晶氧化铝蓝宝石衬底（以下简称单晶氧化铝）；在上述的单晶氧化铝上生长立方金刚石结构的锗硅合金，该锗硅合金具有{111}晶体平面；该立方金刚石结构的锗硅合金的<110>方向，与所述的{0001}c面的单晶氧化铝的<1，0，-1，0>方向对齐，也即锗硅合金的<110>晶向与单晶氧化铝的<1，0，-1，0>互相平行；其中，所述的立方金刚石结构的锗硅合金中的硅原子和锗原子的百分比满足：硅原子：锗原子=（0.70-0.74）：（0.30-0.26），也即硅原子占百分比的70%-74%，对应的锗原子占百分比的30%-26%。优选的，经过理论推导以及大量的实验可以得出硅原子和锗原子的百分比等于0.7223：0.2777时为最佳效果。另外，在本专利技术上述方式生长的立方金刚石结构的锗硅合金还可作为基础的层，在其之上还可以继续生长其他半导体合金，并通过调节半导体合金的组分和应力，使得电荷迁移率得以增加。那么，该锗硅半导体合金的制备方法还可包括把在所述衬底单晶氧化铝上生长的立方金刚石结构的锗硅除去的步骤；还可包括在所述立方金刚石结构的锗硅合金上生长纯硅的步骤；还可包括在所述立方金刚石结构的锗硅合金上生长纯锗的步骤；还可包括在所述立方金刚石结构的锗硅合金上生长Si1-yGey的步骤，其中y是锗的原子百分比，范围是从0到1；还可包括在所述立方金刚石结构的锗硅合金的中间插入至少一层含应变的Si1-yGey层的步骤，其中y是锗的原子百分比，范围是从0到1。本专利技术还提供一种硅锗单晶半导体合金的制备方法，其包括以下步骤：制备运用具有{0001}c面的单晶氧化铝作为蓝宝石衬底；在上述的单晶氧化铝上生长立方金刚石结构的锗硅Si1-xGex半导体材料，该锗硅Si1-xGex半导体材料具有{111}晶体平面；所述立方金刚石结构的锗硅Si1-xGex半导体材料的<110>方向，与所述的{0001}c面的单晶氧化铝的<1，0，-1，0>方向对齐，也即锗硅Si1-xGex半导体材料的<110>晶向与单晶氧化铝的<1，0，-1，0>互相平行；其中，所述锗硅Si1-xGex半导体材料是一般形式的Si1-xGex合金，其中x是锗原子百分比，其范围值为[0.26-0.30]，优选的，x=0.2777。同样的，在本专利技术上述方式生长的立方金刚石结构的锗硅Si1-xGex半导体材料还可作为基础的层，在其之上还可以继续生长其他半导体合金，并通过调节半导体合金的组分和应力，使得电荷迁移率得以增加。那么，上述硅锗单晶半导体合金的制备方法还包括除去立方金刚石结构的步骤；还包括在所述立方金刚石结构上生长纯硅的步骤；或者在所述立方金刚石结构上生长纯锗的步骤；或者在所述立方金刚石结构上生长Si1-yGey的步骤，其中y是锗的原子百分比，范围是从0到1；或者在所述立方金刚石结构中间插入至少一层含应变的Si1-yGey层的步骤，其中y是锗的原子百分比，范围是从0到1。本专利技术的硅锗半导体合金是指在三角晶结构的单晶氧化铝蓝宝石衬底（Al2O3）（下文称为“单晶氧化铝”）上生长的立方金刚石结构的SiGe单晶。在硅锗半导体合金里零缺陷的目标是通过改变立方金刚石结构的SiGe和单晶氧化铝之间的晶格匹配来实现的。本专利技术通过调整锗硅合金的晶格常数，使锗硅立方金刚石结构中的{111}面晶格常数与单晶氧化铝衬底{0001}c面的晶格常数相匹配。同时，调整生长参数，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种锗硅半导体合金的制备方法，其特征在于：其包括以下步骤：制备具有{0001}c面的单晶氧化铝作为蓝宝石衬底；在上述的单晶氧化铝上生长立方金刚石结构的锗硅合金，该锗硅合金具有{111}晶体平面；该立方金刚石结构的锗硅合金的<110>方向，与所述的{0001}c面的单晶氧化铝的<1，0，‑1，0>方向对齐，也即锗硅合金的<110>晶向与单晶氧化铝的<1，0，‑1，0>互相平行；其中，所述的立方金刚石结构的锗硅合金中的硅原子和锗原子的百分比满足：硅原子：锗原子=（0.70‑0.74）：（0.30‑0.26）。

【技术特征摘要】
1.一种锗硅半导体合金的制备方法，其特征在于：其包括以下步骤：制备具有{0001}c面的单晶氧化铝作为蓝宝石衬底；在上述的单晶氧化铝上生长立方金刚石结构的锗硅合金，该锗硅合金具有{111}晶体平面；该立方金刚石结构的锗硅合金的<110>方向，与所述的{0001}c面的单晶氧化铝的<1，0，-1，0>方向对齐，也即锗硅合金的<110>晶向与单晶氧化铝的<1，0，-1，0>互相平行；其中，所述的立方金刚石结构的锗硅合金中的硅原子和锗原子的百分比满足：硅原子：锗原子=（0.70-0.74）：（0.30-0.26）。2.根据权利要求1所述的锗硅半导体合金的制备方法，其特征在于：所述的立方金刚石结构的锗硅合金中的硅原子和锗原子的百分比满足：硅原子：锗原子=0.7223：0.2777。3.根据权利要求1或2所述的锗硅半导体合金的制备方法，其特征在于：该锗硅半导体合金的制备方法还包括：以上述单晶氧化铝上生长立方金刚石结构的锗硅合金作为基础的层，在其之上继续生长半导体合金。4.根据权利要求3所述的锗硅半导体合金的制备方法，其特征在于：继续生长半导体合金具体包括如下步骤：把在所述衬底单晶氧化铝上生长的立方金刚石结构的锗硅除去。5.根据权利要求3所述的锗硅半导体合金的制备方法，其特征在于：继续生长半导体合金具体还包括在所述立方金刚石结构的锗硅合金上生长纯硅的步骤；和/或在所述立方金刚石结构的锗硅合金上生长纯锗的步骤；和/或在所述立方金刚石结构的锗硅合金上生长Si1-yGey的步骤，其中y是锗的原子百分比，范围是从0到1；和/或在所述立方金刚石结构的锗硅合金的中间插入至少一层含应变的Si1-yGey层的步骤，其中y是锗的原子百分比，范围是从0到1。6.一...

【专利技术属性】
技术研发人员：李东键，骆薇薇，陈学敏，
申请(专利权)人：英诺赛科珠海科技有限公司，
类型：发明
国别省市：广东,44