一种在硅衬底上直接外延生长锗虚拟衬底的方法技术

本发明专利技术公开了一种在硅衬底上直接外延生长锗虚拟衬底的方法。该方法具体步骤包括：步骤1，获取(100)晶面的硅衬底或者(111)晶面的硅衬底；步骤2，将硅衬底用氢氟酸处理后，在真空环境中进行表面处理；步骤3，通过分子束外延的方法，在处理后的硅衬底之上生长一层硅缓冲层；步骤4，调至合适的生长温度，然后在硅缓冲层上直接外延生长微米级别厚度的锗虚拟衬底。本发明专利技术的方法可以在硅片上直接外延锗虚拟衬底，其生长的锗虚拟衬底表面平整，单晶质量高，晶格可以完全弛豫，可以代替锗衬底用于后续材料的生长。该方法无需采用逐步提高锗含量的逐层生长模式，制备工艺更简单，可以降低成本。

【技术实现步骤摘要】
一种在硅衬底上直接外延生长锗虚拟衬底的方法
本专利技术涉及一种在硅衬底上直接外延生长锗虚拟衬底的方法，更具体的说，它涉及到硅衬底上直接外延高质量锗虚拟衬底生长条件的优化，包括衬底的处理、缓冲层的生长以及锗虚拟衬底生长温度的优化过程。
技术介绍
硅(Si)和锗(Ge)是最为常见的半导体材料，也是重要的电子元器件材料。硅基锗外延材料可以作为硅基高速电路研究的新材料，它是硅基长波长光电探测器的首选材料。另外，锗与GaAs材料晶格匹配，硅基锗外延材料可以作为硅基GaAs等材料的虚拟衬底，在硅基光电集成、硅基高效太阳能电池研制等方面有重要应用前景。但是由于锗和硅的晶格失配度在4％以上，硅基Ge虚拟衬底技术实现难度大。从硅衬底上直接外延所获Ge外延层的主要技术指标来看，存在以下问题：1)Ge外延层表面粗糙度大，不利于后续Ge缓冲层上的III-V族异质结构生长；2)Ge外延层位错密度高，在光电器件中应用时，使得器件性能发生退化。同时锗衬底价格比较昂贵。因此，开发并优化硅衬底上制备高质量Ge外延层工艺具有重要的应用价值。在目前硅衬底上外延锗虚拟衬底，已有的方法是：先在硅片上生长低锗含量的锗硅合金，再不断提高锗含量的逐层生长模式。这种方法操作复杂，需要不断地改变锗硅比例，不仅浪费时间且成本高。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种在硅衬底上直接外延生长锗虚拟衬底的方法，这种生长方法制备工艺更简单，成本更低。为了实现上述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案如下：一种在硅衬底上直接外延生长锗虚拟衬底的方法，具体步骤包括：步骤1，获取(100)晶面的硅衬底，或者(111)晶面的硅衬底；步骤2，将硅衬底用氢氟酸处理后，在真空环境中进行表面处理；步骤3，通过分子束外延的方法，在经表面处理后的硅衬底之上生长一层硅缓冲层；步骤4，调至合适的生长温度，然后在硅缓冲层上直接外延生长微米级别厚度的锗虚拟衬底。优选地，所述步骤2中，对于(100)晶面的硅衬底，在温度500-600℃下进行表面处理。处理的时间为5-10分钟。优选地，所述步骤2中，对于(111)晶面的硅衬底，在温度800-1000℃下进行表面处理。处理的时间为5-10分钟。进一步地，所述步骤3中，硅缓冲层的生长厚度为20-50nm。硅缓冲层的生长温度为400-600℃。进一步地，所述步骤4中，合适的生长温度为200℃。本专利技术在硅衬底上直接外延生长锗虚拟衬底，提供了一种新型的锗虚拟衬底的制备手段，具有以下优势：(1)通过本专利技术方法制备得到的锗虚拟衬底表面平整，单晶质量高，晶格可以完全弛豫，可以代替锗衬底，用于后续材料的生长。(2)本专利技术方法处理的硅(100)衬底和硅(111)衬底均可达到原子级别平整度。(3)使用低温(200℃)生长的方式，有利于降低不同薄膜间的热失配度引起的应力，从而减少缺陷产生。(4)利用本专利技术方法制备的锗虚拟衬底，其表面平整，硅(100)外延锗虚拟衬底粗糙度为988pm，硅(111)外延锗虚拟衬底粗糙度为880pm；而且硅衬底与锗虚拟衬底之间界面清晰。(5)该方法可直接在硅衬底上外延生长出锗虚拟衬底，不需要通过逐步提高锗含量的逐层生长模式生长，所以制备工艺更简单，成本更低。附图说明图1是本专利技术直接在硅衬底上外延生长锗虚拟衬底的结构示意图。图2是本专利技术实施例中(a)硅(100)衬底上直接外延生长锗虚拟衬底的X射线衍射图；(b)硅(111)衬底上直接外延生长锗虚拟衬底的X射线衍射图。图3是本专利技术实施例中(a)硅(100)衬底上直接外延生长锗虚拟衬底原子力显微镜图；(b)硅(111)衬底上直接外延生长锗虚拟衬底原子力显微镜图。图4是本专利技术实施例中硅(100)衬底上直接外延生长锗虚拟衬底的X射线倒空间衍射图。图5是本专利技术实施例中(a)硅(100)衬底上直接外延生长锗虚拟衬底的截面扫描电子显微镜图；(b)硅(111)衬底上直接外延生长锗虚拟衬底的截面扫描电子显微镜图。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术做进一步详细的说明。本专利技术提供了一种通过分子束外延在硅衬底上直接外延生长锗虚拟衬底的方法。图1是本实施例锗虚拟衬底的结构示意图，具体制备方法如下：通过固态源分子束外延，首先对(100)和(111)晶面硅衬底进行表面处理。将氢氟酸处理后的硅衬底传入真空腔，保持衬底旋转，对于硅(100)衬底，将衬底加热器升高至500-600℃，保持5-10分钟；对于硅(111)衬底，将衬底加热器升高至800-1000℃，保持5-10分钟。然后通过分子束外延的方法在处理过的硅衬底上生长一层30nm厚的硅缓冲层。硅(100)衬底上硅缓冲层的生长温度为400℃；硅(111)衬底上硅缓冲层的生长温度为550℃。本实施例中使用的硅源炉是电子束蒸发源，通过改变激发电流而改变硅的生长速率。最后通过分子束外延的方法在硅缓冲层上生长锗虚拟衬底。这里选取的生长温度为200℃，生长速率为Ge源炉是热蒸发源炉，通过改变源炉温度而改变Ge的生长速率。图2(a)和(b)中分别显示了本实施例在硅(100)衬底上和硅(111)衬底上直接外延生长锗虚拟衬底的X射线衍射图。X射线衍射图中的锗虚拟衬底的峰对称，强度高。图2(a)中锗峰半高宽为0.1412°，图2(b)中锗峰半高宽为0.0556°，这说明本实施例中生长的锗虚拟衬底单晶质量很高。图3(a)和(b)分别是本实施例硅(100)和硅(111)衬底上直接外延生长锗虚拟衬底的原子力显微镜图，可以看出，两个样品的表面起伏度都为pm量级，其中，硅(100)外延锗虚拟衬底粗糙度为988pm，硅(111)外延锗虚拟衬底粗糙度为880pm；这说明锗虚拟衬底表面很平整。图4是硅(100)衬底上直接外延锗生长虚拟衬底的X射线倒空间衍射图，图中所示锗虚拟衬底为完全弛豫状态。图5(a)和(b)中分别显示了本实施例在硅(100)衬底上和硅(111)衬底上直接外延生长锗虚拟衬底的截面扫描电子显微镜图，图中可以看出硅(100)外延锗虚拟衬底厚度为1.21μm；硅(111)外延锗虚拟衬底的厚度为1.11μm，达到微米量级。根据以上这些表征可以看出，本专利技术在硅片上直接外延生长的锗虚拟衬底质量很好，表面平整，锗虚拟衬底完全弛豫，可以代替锗衬底用于后续材料的生长。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种在硅衬底上直接外延生长锗虚拟衬底的方法，其特征在于，具体步骤包括：步骤1，获取(100)晶面的硅衬底，或者(111)晶面的硅衬底；步骤2，将硅衬底用氢氟酸处理后，在真空环境中进行表面处理；步骤3，通过分子束外延的方法，在经表面处理后的硅衬底之上生长一层硅缓冲层；步骤4，调至合适的生长温度，然后在硅缓冲层上直接外延生长微米级别厚度的锗虚拟衬底。

【技术特征摘要】
1.一种在硅衬底上直接外延生长锗虚拟衬底的方法，其特征在于，具体步骤包括：步骤1，获取(100)晶面的硅衬底，或者(111)晶面的硅衬底；步骤2，将硅衬底用氢氟酸处理后，在真空环境中进行表面处理；步骤3，通过分子束外延的方法，在经表面处理后的硅衬底之上生长一层硅缓冲层；步骤4，调至合适的生长温度，然后在硅缓冲层上直接外延生长微米级别厚度的锗虚拟衬底。2.根据权利要求1所述的一种在硅衬底上直接外延生长锗虚拟衬底的方法，其特征在于，所述步骤2中，对于(100)晶面的硅衬底，在温度500-600℃下进行表面处理。3.根据权利要求2所述的一种在硅衬底上直接外延生长锗虚拟衬底的方法，其特征在于，表面处理的时间为5-10分钟。4.根据权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：芦红，苗艺，魏炼，叶佳佳，宋欢欢，陈延峰，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32