化学汽相沉积过饱和稀土掺杂的半导体层制造技术

本发明专利技术公开了一种在衬底上制造掺稀土元素的外延半导体层的ＣＶＤ方法。本方法采用气相的硅烷或锗烷与稀土元素化合物。通过本方法，制造出单相的掺过饱和稀土元素的半导体层。优选的稀土元素是铒，而用ＣＶＤ淀积铒的较佳先质是铒的六氟乙酰丙酮化物、乙酰丙酮化物、四甲基庚二酮化物及氟辛二酮化物。本方法可用于制造包括硅衬底与掺铒外延硅薄膜的光电子器件。（*该技术在2013年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及利用气相的硅烷或锗烷和稀土元素化合物，在衬底上生产稀土元素掺杂的外延半导体层的CVD方法。通过本方法，产生了单相、稀土元素过饱和的稀土元素掺杂半导体层。本方法可用于制造包括硅衬底和掺铒的外延硅薄膜的光电子器件。近几年来，研究工作集中在实现硅光电子集成电路(OEICs)。可应用的领域将是芯片之间的互连、并行处理以及硅芯片上的集成光电子器件。而前面二项应用基本上需要在77K之上工作的光源和硅片上的探测器，但后一项应用要求光源在一定波长下工作，即约1.5μm，该波长处于光纤的吸收最小值处。1983年Ennen等人〔Appl.phys.lett.，943(1983)〕曾指出半导体材料中稀土元素离子的位能适于发展光发射二极管和激光器。制作这些器件的最佳选择物之一是掺铒的硅。铒的1.54μm的发光在硅的带隙之下，因此在硅中可以构成光波导。这个性质令人振奋地提供了用硅制备光学器件和在用硅制备的电路中集成电学与光学器件的可能性。通过克服硅间接跃迁的局限性，可将硅的成熟制造技术扩展到光通信领域。光通信中这个波长也变得极为重要，因为该波长相应于在光纤中传输最大，它也是IR-泵浦掺铒硅光放大器的输出波长。铒的1.54μm发光是内部4f跃迁的结果。而5s和5p壳层屏蔽了来自第1级主晶核作用的Er3+的4f轨道，因此，发光与主材料完全独立无关。该光跃迁出现在Er3+(4f″)的自旋轨道能级4I13/2→4I15/2之间。因主晶核晶场的影响弱，在硅中作为一种杂质的铒可望在室温下出现荧光。过去十年，已研究过了掺Er的硅的光致和电致发光、电特性和结构性质。然而，本专利技术之前，所有的掺Er硅都必须用硅块离子注入或MBE生长硅的低能离子注入来制作。注入后，样品要退火，既除去离子损伤又“激活”注入的铒。(对于可能形成Er杂质复合物来说，激活起到这些材料中的光学中心的作用)。在900℃退火温度下，得到的结果最好。可惜的是，900℃时，铒在硅中极限溶解度约为1.3×1018原子/cm3，而且退火结果形成ErSi2片晶，ErSi2在Er的浓度超过1.3×1018时从硅相中析出。因硅外延层内稀土元素的浓度愈高便可提供效率和功率愈大的器件，所以，需要有一种方法，能在900℃下生产高于目前极限溶解度的掺入水平。我们发现，通过避免高温退火而利用化学汽相淀积的非平衡性，可以制出超过掺杂剂平衡浓度的亚稳态的高掺杂材料。因而，采用超高真空化学汽相淀积(UHVCVD)法来淀积铒掺杂硅，掺铒浓度约为2×1019原子/cm3，比硅中铒的平衡固溶度高一个数量级。本专利技术的目的在于提供一种把高浓度的稀土元素，尤其是铒掺入外延硅层的方法。本专利技术的进一步目的在于提供一种制造含有高浓度铒的锗层的方法。本专利技术的又一个目的在于提供改进了输出与效率的光电子器件。上述这些与其它目的及特征是通过本专利技术的方法来实现的。该方法是一种在衬底上产生掺铒半导体层的方法，包括将选自锗烷、硅烷或其气相混合物的第1组分，和由气相铒的化合物组成的第2组分的混合物导入CVD室，并加热衬底，因而在衬底上形成淀积薄膜。该铒化合物在500℃时的蒸汽压大于10-6乇。在一个最佳实施例中，提供的氧原子源可以是外加的(例如NO)源，也可以是由稀土元素的自配合基体，从而，所得的硅或锗层含有铒与氧，此外还有半导体。当选择先质时，包括氧源，优选的先质是三(1，1，1，5，5，5-六氟-2，4-戊二酮(2-4pentanedionato)-O，O′)铒、三(2，4-戊二酮-O，O′)铒、三(1，1，1-三氟戊二酮-O，O′)铒、三(1，1，1-三氟-5，5-二甲基-2，4-己二酮-O，O′)铒，三(5，5-二甲基-2，4-己二酮-O，O′)铒、三(1-环丙基-4，4，4-三氟-1，3-丁二酮-O，O′)铒、三(2，2，6-三甲基-3，5-庚二酮-O，O′)铒、三(2，2，6-四甲基-3，5-庚二酮-O，O′)铒、三(1，1，1，5，5，6，6，7，7，7-十氟-2，4-庚二酮-O，O′)铒、三(2，2-二甲基-6，6，7，7，8，8，8-庚氟基-3，5-辛二酮)铒和三〔(2-苯基亚氨甲基)酚盐-O，N〕铒。当氧原子源为外加源时，例如氧化氮时，优选的先质是三(环戊二烯基)铒、三(五甲基环戊二烯基)铒、三(甲基环戊二烯基)铒、三(异丙基环戊二烯基)铒、双(环戊二烯基)铒卤化物、双(环戊二烯基)铒烷基物。在一个具体的优选方法中，硅烷或锗烷是SiH4、GeH4，而铒化物则是三(1，1，1，5，5，5-六氟-2，4-戊二酮-O，O′)铒〔Er(HFAC)3〕，且该掺铒半导体层含有远大于1019原子/cm3的铒，还附加至少1018原子/cm3的氧。衬底要加热到450°至800℃，最好为约650℃，并将气压保持在10至10-9乇。所供给的硅烷流量为1至100SCCM，当温度为650℃时，流量最好约为4SCCM。另一方面，本专利技术涉及一种光学有源的外延薄膜，包括硅、约8×1018至约8×1019原子/cm3的铒，最好含有1017至1019原子/cm3的氧，所述的薄膜基本上无铒的硅化物析出。另一方面，本专利技术涉及一种光电子器件，包括硅衬底及附着其上的外延硅薄膜。所述的薄膜含有约8×1018至约8×1019原子/cm3的铒，以及所述外延薄膜基本上无铒的硅化物析出。还有一个方面，本专利技术涉及一种化学汽相淀积方法，用于在衬底上产生掺稀土元素的硅层，该衬底包括通过热分解硅烷和稀土元素化合物的气态先质混合物来淀积所述的层。按照本方法，掺稀土的硅层可以含有基本上为单相的稀土元素，其浓度高于该稀土元素以单相存在于硅中的平衡浓度。另外，优选的气态先质混合物另外还包括氧原子源，这可以是稀土化合物自身。该稀土化合物最好选自由六氟乙酰丙酮化物、乙酰丙酮化物、四甲基庚二酮化物、氟辛二酮化物组成的一组，而稀土元素选自由铒、铽和铕组成的一组。附图说明图1是用于实施本专利技术的超高真空CVD装置的示意图。图2是本专利技术器件的光致发光输出的IR光谱。图1描绘了用于制造本专利技术薄膜的7.6cm直径的超高真空化学汽相淀积(UHVCVD)反应器。该反应器在设计上不同于Meyerson等人叙述过的最早的UHVCVD反应器。其不同点在于泵和装载晶片都使用反应器的同一端。这种修改就允许将加热了的先质的储存器1安装在反应器的相对一端。该储存器用一不长的直径12.7mm的不锈钢管12与反应器端部凸缘相连接。反应器由石英玻璃和不锈钢构成，利用凸缘、阀门与密封件一起组成高真空设备。反应器用外电阻加热元件(管式炉4)加热。淀积前和淀积期间，反应器用带有二级油泵9的150L/sec涡轮分子泵8抽真空。装料锁气室也用一涡轮分子泵10抽空，以便防止泵油的沾污。该反应器的基本气压低于10-9乇，而该装料锁气室在10分钟内可自大气压获得低于10-6乇的气压。根据本专利技术的方法，先质储存器1装着适量的稀土元素化合物并被抽空。在一个优选的实施例中，该稀土元素是铒，不过也可以用其它稀土元素，尤其是铽和铕。该稀土族元素包括元素57至71。这些稀土元素化合物要限制在必须能够在CVD能工作的温度和压力下供给CVD工艺所需的蒸汽。在实践意义上，这意味着稀土元素化合物在500℃下应表现出至少约10-6乇的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种在衬底上制造掺铒的半导体层的方法，其特征在于：将选自由气相的锗烷、硅烷及其混合物组成的一组材料中的第１组分和由气相的铒化合物组成的第２组分的混合物引入用于在一衬底上形成淀积薄膜的薄膜形成室中，并加热所述衬底，从而在所述衬底上形成淀积薄膜，所述铒化合物的蒸汽压在５００℃时大于１０↑［－６］乇。

【技术特征摘要】
US 1992-8-31 07/940,4161.一种在衬底上制造掺铒的半导体层的方法，其特征在于将选自由气相的锗烷、硅烷及其混合物组成的一组材料中的第1组分和由气相的铒化合物组成的第2组分的混合物引入用于在一衬底上形成淀积薄膜的薄膜形成室中，并加热所述衬底，从而在所述衬底上形成淀积薄膜，所述铒化合物的蒸汽压在500℃时大于10-6乇。2.根据权利要求1的方法，其特征在于将氧原子源引入所述的薄膜形成室，从而所述的半导体层含有所述的半导体、铒和氧。3.根据权利要求2的方法，其特征在于所述的氧原子源是所述的铒化合物。4.根据权利要求3的方法，其特征在于所述的铒化合物选自由三(1，1，1，5，5，5-六氟-2，4-戊二酮-O，O′)铒、三(2，4-戊二酮-O，O′)铒、三(1，1，1-三氟戊二酮-O，O′)铒、三(1，1，1-三氟-5，5-二甲基-2，4-己二酮-O，O′)铒。三(5，5-二甲基-2，4-己二酮-O，O′)铒、三(1-环丙基-4，4，4-三氟-1，3-丁二酮-O，O′)铒、三(2，2，6-三甲基-3，5-庚三酮-O，O′)铒、三(2，2，6-四甲基-3，5-庚二酮-O，O′)铒、三(1，1，1，5，5，6，6，7，7，7-十氟-2，4-庚二酮-O，O′)铒、三(2，2-二甲基-6，6，7，7，8，8，8-庚氟基-3，5-辛二酮)铒和三〔(2-苯基亚氨甲基)酚盐-O，N〕铒组成的一组。5.根据权利要求4的方法，其特征在于所述的硅烷或锗烷是SiH4，而所述的铒化合物是三(1，1，1，5，5，5-六氟-2，4-戊二酮-O，O′)铒。6.根据权利要求1的方法，其特征在于掺铒的半导体层含有多于1019原子/厘米3的铒。7.根据权利要求6的方法，其特征在于掺铒的半导体层还含有至少1018原子/厘米3的氧。8.根据权利要求1的方法，其特征在于所述的衬底被加热到450℃至800℃。9.根据权利要求2的方法，其特征在于所述的氧原子源是第3气体组分。10.根据权利要求9的方法，其特征在于所述的第3气体组分是氧化氮。11.根据权利要求9的方法，其特征在于所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：大卫B彼迟，
申请(专利权)人：国际商业机器公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]