一种Ge/Si衬底及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种Ge/Si衬底，其包括依次层叠设置的Si衬底、Si缓冲层和Ge薄膜，所述Ge薄膜通过外延法生长在所述Si缓冲层上，其中所述Ge薄膜的空穴迁移率大于1000cm2/Vs。本发明专利技术提供的Ge/Si衬底中，Ge薄膜表面平整，单晶质量高，晶格可以完全弛豫，空穴载流子迁移率大于1000cm2/Vs，最高可达1300cm2/V

【技术实现步骤摘要】
一种Ge/Si衬底及其制备方法


[0001]本专利技术涉及一种具有高迁移率的Ge/Si衬底及其制备方法，更具体的说，涉及到Si衬底上直接外延高质量Ge生长条件的优化和对Ge/Si界面及薄膜内缺陷的调控，包括衬底的处理、缓冲层的生长、Ge生长温度的优化以及原位退火过程。

技术介绍

[0002]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。Ge/Si材料可以作为硅基高速电子器件研究的新材料，它是硅基长波长光电探测器的首选材料。
[0003]另外，锗与GaAs材料晶格匹配，Ge/Si衬底可以作为硅基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。
[0004]但是由于锗和硅的晶格失配度在4％以上，Ge/Si衬底技术实现难度大。从Si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：
[0005]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；
[0006]2)Ge外延层位错密度高，在光电器件的应用中，使得器件性能发生退化。
[0007]虽然目前关于位错密度和粗糙度的改善取得了很大的进展，但是获得的Ge薄膜空穴迁移率与Ge体块相差非常大，而迁移率是衡量一个材料质量好坏的关键指标，其数值直接体现了材料的纯度和单晶度等性能。早在1989年Kataoka等人对Si上不同温度外延的Ge薄膜进行电学研究，他们发现Ge薄膜的迁移率都不超高400cm2/Vs，同时发现退火后Ge薄膜迁移率反而降低到了100cm2/Vs，他们认为原因是退火在提高晶体质量的同时会产生一些岛状形貌增加载流子浓度。另外Zhou等人证明低温Ge层在较高的生长温度时(350℃)获得的Ge薄膜的空穴迁移率会更高一些(550cm2/Vs)。Chen等人在Si上外延的Ge薄膜的空穴迁移率为280cm2/Vs，当在中间插入低温的Si
0.75
Ge
0.25
/Si超晶格缓冲层时可以将外延Ge薄膜的空穴迁移率提高到450cm2/Vs。所以对Ge/Si衬底迁移率的提高是一个亟待解决的问题。
[0008]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实用价值。
[0009]在目前硅衬底上外延锗，有三种常见的方法：1.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；2.利用选择性区域生长(selective area growth，SAG)的技术。该技术需要先对衬底进行构图，然后再进行外延横向生长；3.“两步法生长”，即首先在低温(300-400℃)生长一层薄的Ge籽晶层(30-100nm)，以限制Ge原子的迁移，从而防止Ge的三维岛状成核；然后在高温(600-850℃)生长厚的Ge膜，以实现更高的生长速率和更好的Ge结晶度。前两种方法由于成本和工艺复杂性都不适合广泛的应用。第三种方法是目前常见的方法，但是获得的Ge/Si衬底迁移率并不高，同时位错密度和表面粗糙度依然需要进一步改善。

技术实现思路

[0010]本专利技术的目的是提供一种具有高迁移率的Ge/Si衬底及其制备方法。这种制备方
法制备工艺更简单，成本更低。
[0011]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：
[0012]本专利技术提供一种Ge/Si衬底，所述Ge/Si衬底包括依次层叠设置的Si衬底、Si缓冲层和Ge薄膜，所述Ge薄膜通过外延法生长在所述Si缓冲层上，其中所述Ge薄膜的空穴迁移率大于1000cm2/Vs。
[0013]在本专利技术的一些实施方案中，Ge薄膜的空穴迁移率为1200-1300cm2/Vs。
[0014]在本专利技术的一些实施方案中，Ge薄膜和Si缓冲层的界面上具有周期性排布的90
°
失配位错阵列。
[0015]在本专利技术的一些实施方案中，Ge薄膜包括具有原子级平坦表面形貌的Ge薄膜。
[0016]在本专利技术的一些实施方案中，Ge薄膜包括穿透位错密度为107/cm2量级或小于107/cm2的Ge薄膜。
[0017]在本专利技术的一些实施方案中，Ge薄膜的厚度为小于1微米，进一步地，Ge薄膜的厚度为400-600nm。
[0018]在本专利技术的一些实施方案中，Si缓冲层的厚度为小于100nm，进一步地，Si缓冲层的厚度为20-50nm。
[0019]本专利技术还提供制备本专利技术的Ge/Si衬底的方法，所述方法包括：
[0020]步骤1，获取(100)晶面的Si衬底；
[0021]步骤2，将所述(100)晶面的Si衬底用化学试剂预处理后，对经过所述预处理的所述(100)晶面的Si衬底进行表面处理；
[0022]步骤3，通过分子束外延的方法，使得在经所述表面处理后的所述(100)晶面的Si衬底之上生长一层Si缓冲层；
[0023]步骤4，在100℃-600℃之间的温度下，在所述Si缓冲层上直接外延生长Ge薄膜；
[0024]步骤5，对得到的所述Ge薄膜进行原位退火。
[0025]在本专利技术的一些实施方案中，在步骤2中，表面处理在500℃-600℃之间的温度进行。
[0026]在本专利技术的一些实施方案中，表面处理的进行时间为5-10分钟。
[0027]在本专利技术的一些实施方案中，Si缓冲层的生长温度为400℃-700℃。
[0028]在本专利技术的一些实施方案中，在步骤4中，Ge薄膜生长温度为100℃-300℃。
[0029]在本专利技术的一些实施方案中，Ge薄膜的生长速率为
[0030]在本专利技术的一些实施方案中，退火温度为300℃-900℃。在本专利技术的一些实施方案中，退火温度为500℃-700℃。在本专利技术的一些实施方案中，退火温度为700℃-800℃。
[0031]在本专利技术的一些实施方案中，退火时间为10-30min。
[0032]优选地，在步骤2中，所用化学试剂为氢氟酸。
[0033]本专利技术在硅衬底上外延生长锗，并提供了具有高迁移率的Ge/Si衬底的制备方法，具有以下优势：
[0034](1)通过本专利技术方法制备得到的锗薄膜表面平整，单晶质量高，晶格可以完全弛豫，空穴载流子迁移率大于1000cm2/Vs，最高可达1300cm2/V
·
s，在目前报道的Ge/Si衬底空穴迁移率中是最高的，可以极大的推动Si基Ge光子技术的发展，另外可以代替锗衬底，用于相关材料的外延生长及后续的材料和器件的集成。
[0035](2)本专利技术方法处理的硅(100)衬底可达到原子级别平整度。
[0036](3)在本专利技术方法中使用低温生长具有三个优点，第一，在低温外延的生长过程中会在外延层中引入许多点缺陷，这些点缺陷主要是由空位团簇组成的，它们往往会成为形核的位点，保证外延的顺利进行，另外很重要的是这些空位团簇也是位错的湮灭中心，在原位退火中会发挥重要的作用。第二，在以往的研究中我们发现在较高的生本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种Ge/Si衬底，所述Ge/Si衬底包括依次层叠设置的Si衬底、Si缓冲层和Ge薄膜，所述Ge薄膜通过外延法生长在所述Si缓冲层上，其中所述Ge薄膜的空穴迁移率大于1000cm2/Vs。2.根据权利要求1所述的Ge/Si衬底，其中所述Ge薄膜的空穴迁移率为1200-1300cm2/Vs。3.根据权利要求1所述的Ge/Si衬底，其中所述Ge薄膜和所述Si缓冲层的界面上具有周期性排布的90
°
失配位错阵列。4.根据权利要求1所述的Ge/Si衬底，其中所述Ge薄膜包括具有原子级平坦表面形貌的Ge薄膜。5.根据权利要求1所述的Ge/Si衬底，其中所述Ge薄膜包括穿透位错密度为107/cm2量级或小于107/cm2的Ge薄膜。6.根据权利要求1所述的Ge/Si衬底，其中所述Ge薄膜的厚度为小于1微米。7.根据权利要求1所述的Ge/Si衬底，其中所述Ge薄膜的厚度为400-600nm。8.根据权利要求1所述的Ge/Si衬底，其中所述Si缓冲层的厚度为小于100nm。9.根据权利要求1所述的Ge/Si衬底，其中所述Si缓冲层的厚度为20-50nm。10.一种制备如权利要求1所述的Ge/Si衬底的方法，所述方法包括：步骤1，获取(100)晶...

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