在[111]取向硅衬底上外延附生硒化镓(GaSe)的方法技术

本发明专利技术涉及在[111]取向硅衬底上外延附生GaSe的方法，其包括：

【技术实现步骤摘要】
在[111]取向硅衬底上外延附生硒化镓(GaSe)的方法


[0001]本专利技术的
是半导体材料在硅衬底上的异质集成，并且更具体地涉及在[111]取向硅衬底(其可以用Si(111)表示)上以单一取向外延附生 (epitaxying)二维硒化镓(2D GaSe)。
[0002]在本专利技术的许多应用中，可提及微电子学、光子学、传感器、射频相关技术、微系统(MEMS)、物联网的部件，以及更广泛地涉及“超越摩尔定律(more-than-Moore)”应用或所谓的“衍生”技术，即在单个硅芯片上并入若干功能的技术。

技术介绍

[0003]硅(Si)是微纳米电子学基础的半导体。其用于制造集成电路(IC)的高度成熟的技术在小型化和性能改进方面已经经历了令人印象深刻的进步。
[0004]然而，其他半导体表现出补充(电子、光学、机械等)特性，这可能有利于在基于硅的芯片上实施。
[0005]在这种情况下，最近出现了一类新的材料：“2D材料”。“2D材料”是指由几个原子厚的薄片(sheet)(或薄片堆叠)组成的材料。还使用术语“二维”材料。这些材料是电子饱和的，因此经由范德华结合发生几个这些薄片的堆叠。在2D材料中，一些是半导体。它们非常低的厚度产生非常独特的电子、光电和机械性能。不构造为一个或多个薄片，但在其整个体积中具有离子键或共价键的材料也可称为“3D材料”，例如传统的半导体材料。
[0006]通过在硅衬底上外延附生来对2D材料进行单片异质集成是为高度成熟的基于硅的技术的CMOS(互补金属-氧化物-半导体)集成电路添加新颖的 (电子、光学、光子、机械、生物等)功能的非常有前景的途径。它还可以克服在硅上外延附生的更常规(Ge、III-V、GaN等)半导体的晶格中位错的麻烦问题。
[0007]在所有的2D材料之中，硒化镓GaSe是用于在[111]取向硅衬底上外延附生的非常令人关注的材料，因为硅表面上的悬空键可以被镓(Ga)原子层和硒(Se)原子层电子钝化，以形成稳定且电子地钝化的Si-Ga-Se界面，该界面允许通过范德华外延附生进行二维GaSe材料(称为“2D GaSe”)的随后生长。镓和硒的原子双层(atomic bilayer)可以通过使用分子束外延(MBE)技术形成，该分子束外延技术在于向衬底投射一个或多个分子束。
[0008]表述“电子地钝化”或“电子钝化”是指除去悬空键(或含氢环境中的反应性Si-H键)。也可以使用表述“电子饱和表面”。
[0009]如此结合至硒原子层的镓原子层可称为“原子双层”且可视为“2DGaSe”材料的半薄片(half-sheet)。具体地，2D GaSe是指由顺序为 Se-Ga-Ga-Se的四个原子层构成的二维硒化镓(作为薄片)。
[0010]然而，Si-Ga-Se界面的形成可以产生具有两种类型的域的表面，这两种类型的域是彼此的镜像，从而导致如图1A(取向1)和1B(取向2)所示的反相缺陷(antiphase defect)。
[0011]2D GaSe材料在该Si-Ga-Se界面上，更具体地在具有镜像域5的该表面上的随后外
延生长也可以导致形成具有相对于彼此成180
°
的两个取向的 GaSe晶粒，如图2所示。当这些GaSe晶粒聚结时，将形成晶体缺陷(晶界)，并且这些晶体缺陷可能损害2D GaSe材料的光学、电子、热和机械性质。
[0012]通常，现有技术中使用的生长2D GaSe的技术对钝化的Si(111)表面的不同取向敏感。因此，由此获得的2D GaSe层总是含有被晶界隔开的两种类型的域(彼此的镜像)，从而导致晶体缺陷。
[0013]本专利技术旨在提供在[111]取向硅衬底上外延附生硒化镓的方法，而没有现有技术的上述缺点。
[0014]更具体地，本专利技术旨在提供一种在[111]取向硅衬底上外延附生2D硒化镓的方法，该方法可以减少在所述硅衬底和所述2D GaSe的外延附生层之间的界面处产生的缺陷，特别是减少反相边界的形成，并且该方法在工业上是可应用的，也就是说直接大规模地(200mm和300mm衬底)实施并且具有高制造产率。

技术实现思路

[0015]能够克服这些缺点的方法是在[111]取向硅衬底上外延附生GaSe的方法，其特征在于，该方法包括：
[0016]-选择[111]取向硅衬底的步骤，所述衬底由在斜切(miscut)方向上切割硅棒而产生，所述斜切方向是三个[11-2]晶向(crystallographic directions)之一，斜切角(miscut angle)小于或等于0.1
°
，所获得的衬底表面形成邻位面 (vicinal surface)，所述邻位面具有多个台面(terraces)和在两个台面之间的至少一个台阶(step)；
[0017]-钝化步骤，其由在所述硅衬底的所述邻位面上沉积镓和硒的原子双层以形成由硅-镓-硒制成的钝化的邻位面组成，所述钝化的邻位面具有多个钝化台面和在两个钝化台面之间的至少一个钝化台阶；
[0018]-通过在钝化的邻位面上外延附生而形成二维GaSe层的步骤，所述形成步骤包括从每个钝化台阶成核的步骤，和从成核步骤中获得的核在所述钝化台面上横向生长的步骤。
[0019]表述“斜切角小于或等于0.1
°”
应理解为意指该斜切角的绝对值小于或等于0.1
°
，换言之，该斜切角在-0.1
°
和+0.1
°
之间，包括值-0.1
°
和+0.1
°
。
[0020]表述“横向生长”应理解为意指每个核从台阶在与所述台阶相反的方向上并沿着台面的主平面生长。
[0021]该方法将精确地选择已经根据精确规格切割的Si(111)衬底(允许获得邻位面)与用于外延生长GaSe的条件(自邻位面上的台阶通过排列允许2DGaSe的优先成核)相结合。
[0022]邻位面是这样的表面，在该表面上原子不再分布在平面中，而是以一组规则间隔的台阶组织，该台阶的高度是材料晶格中原子的两个连续平面之间的距离的倍数。该表面表现为一系列台面和台面之间的台阶。根据切割材料的条件，台阶理想地为直线和平行的。
[0023]因此，该方法包括从[111]取向硅的圆柱形棒选择[111]取向硅衬底。硅的[111]取向面是致密平面。通过沿着相对于致密[111]平面略微错向的晶面切割[111]取向硅的圆柱形棒(即其斜切角小于或等于0.1
°
)，从所述[111]取向硅的圆柱形棒获得衬底的邻位面。
[0024]选择步骤可以包括控制切割所选择衬底的这些规格的步骤。控制衬底的步骤可以
包括使用X射线衍射测量衬底的步骤，这使得可以获得衬底的错向特性(misorientation characteristic)。
[0025]必须进行切割以取向台阶的排列方向，从而可以在形成2D GaSe层的步骤中通过这些台阶确定2D Ga本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.在[111]取向硅衬底上外延附生GaSe的方法，其特征在于，所述方法包括：-选择[111]取向硅衬底的步骤，所述衬底由在斜切方向上切割硅棒(1)而产生，所述斜切方向是三个[11-2]晶向之一，斜切角(α)小于或等于0.1
°
，所获得的衬底的表面形成邻位面(2)，邻位面(2)具有多个台面(21)和在两个台面(21)之间的至少一个台阶(22)；-钝化步骤，其由在所述硅衬底的所述邻位面(2)上沉积镓和硒的原子双层以形成由硅-镓-硒(Si-Ga-Se)制成的钝化的邻位面(3)组成，所述钝化的邻位面具有多个钝化台面(31)和在两个钝化台面之间的至少一个钝化台阶(32)；-通过在钝化的表面(3)上外延附生而形成二维GaSe层的步骤，所述形成步骤包括从每个钝化台阶(32)成核的步骤，和从成核步骤中获得的核(41)在所述钝化台面(31)上横向生长的步骤。2.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括处理所述邻位面以使所述邻位面的所述台面(21)变平，直到在所述台面上获得基本上为零的粗糙度的步骤，所述处理步骤在衬底选择步骤之后和所述钝化步骤之前进行。3.根据权利要求2所述的方法，所述处理步骤由在高温、优选高于800℃下热处理所述硅衬底组成。4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，所述钝化步骤由用金属有机前体进行金属有机化学气相沉积(MOCVD)组成。5.根据权利要求4所述的方法，所述金属有机前体是三甲基镓(TMGa)和二异丙基硒化物(DIPSe)，TMGa的分压优选在1毫托和200毫托之间。6.根据权利要求4和5中任一项所述的方法，所述钝化步骤在400℃和650℃之间的温度下进行，并且进行2秒和30秒之间的持续时间。7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，所述成核步骤由用金属有机前体进行金属有机化学气相沉积组成，镓前体的...

【专利技术属性】
技术研发人员：M，
申请(专利权)人：国立科学研究中心格勒诺布尔阿尔卑斯大学，
类型：发明
国别省市：