CN101928990A

CN101928990A - GeSn合金的外延生长方法

Info

Publication number: CN101928990A
Application number: CN2009100883916A
Authority: CN
Inventors: 成步文; 薛春来; 左玉华; 汪巍; 胡炜玄; 苏少坚; 白安琪; 薛海韵
Original assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Current assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Priority date: 2009-06-26
Filing date: 2009-06-26
Publication date: 2010-12-29

Abstract

一种GeSn合金的外延生长方法，包括如下步骤：步骤1：将一Sn固体金属作为Sn源材料置入真空腔的Sn固体源炉中；步骤2：将一衬底置入分子束外延源炉的真空腔的加热器上，对真空腔抽真空，对衬底加热；步骤3：对Sn固体金属加热，使Sn固体金属熔化，蒸发产生Sn的原子，打开挡板，使Sn原子到达衬底表面；步骤4：向分子束外延源炉的真空腔内通入含有Ge的化合物气体，使Ge原子淀积到衬底表面，完成GeSn合金的外延生长。

Description

GeSn合金的外延生长方法

技术领域

本发明涉及半导体薄膜材料的制备技术，更具体地说，本发明涉及到半导体异质薄膜材料的外延生长方法。

背景技术

以Si为基础的微电子技术经过几十年的迅猛发展，已经渗入到国民经济、国家安全和人们日常生活的每一个角落，在信息高科技领域独领风骚，成为信息化时代的最重要支柱。然而，从未来信息化社会对信息传输容量、计算处理速度、存储能力以及灵活性、安全性的迫切需求等角度来看，以电子作为信息载体的微电子技术受到瓶颈效应的限制已经呈现出一定的局限性。用不具有荷电性的光子作为信息载体的光子学技术在信息传输容量和速度、信息安全保障、交叉互连密度、串扰抑制等很多方面比微电子技术具有明显的优势，是信息高科技领域的另一强大支柱。光子学既是微电子技术的补充，又是她的发展，实现微电子技术和光子学技术的融合是未来信息技术发展的必由之路。在光子技术与微电子技术的渗透融合中，主要的解决途径之一就是将现有成熟的硅微电子技术与光子学技术结合，实现硅基光电集成，所以，硅基光子学技术的研究成为目前重要的前沿研究课题。

但是Si是间接带隙材料，因而发光效率低，带边光吸收系数小；Si是高对称性材料，其线性电光效应为零；这些都严重地制约了它在光电子领域的发展，成为硅基光电子集成的主要障碍。突破这些障碍需要人们在硅基材料的设计和生长、能带工程和掺杂工程的应用、新型硅基光电子器件等方面开展创新性的理论和实验研究。

在硅基异质材料生长方面，现在比较熟悉并得到很好应用的是SiGe(锗硅)合金材料。另外同属IV族的GeSn合金近年受到人们的关注，其主要特点是当Sn的含量大于15％左右时，GeSn将由间接带转变为直接带结构，有利于制备硅基高效发光器件。另外其带隙可以在0-0.66eV间进行调控，可以覆盖从近红外到甚长波长光范围，在这一宽范围光电子器件应用方面有很好的应用前景。所以GeSn成为硅基光电子研究中的新的人们课题。

但是Ge和Sn原子比Si原子大很多，Sn在Ge中的固熔度很小，Sn的偏析很严重，Sn容易发生相变，所以在Si衬底上生长高质量GeSn合金材料是一项具有很大挑战性的工作。人们主要采用固体源的分子束外延(MBE)方法和气体源的超高真空化学汽相淀积方法(UHVCVD)方法开展了GeSn材料的生长研究工作，取得了一些进展，但还是非常初步的一些结果。用固体源的MBE方法生长GeSn时，会遇到Sn偏析的严重问题，虽然采用Ar等来抑制Sn的表面分凝，但效果不是很好。采用气体源的UHVCVD生长时，采用烷类气体为源，由于H的存在，可以有效抑制Sn的分凝，但Sn源SnH₄和SnD₄获得很困难，而且不稳定，给UHV/CVD方法生长带来困难。所以有必要寻求一种新的GeSn合金材料的外延生长方法，以便制备出高质量的GeSn材料。

本发明就是为了提供制备高质量GeSn合金材料的生长方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种GeSn合金材料的制备方法。本发明的核心思想是采用固体源和气体源相结合的方法，采用MBE生长模式和CVD生长模式相混合的一种生长模式，生长GeSn合金材料。其中Sn源采用容易获得的Sn固体源，而Ge采用GeH4或Ge2H6或者其它气体源，从而可以解决源材料获得难的问题，同时由于气体源的应用而抑制Sn的表面偏析，生长出高质量的GeSn合金材料。

本发明提供一种GeSn合金的外延生长方法，包括如下步骤：

步骤1：将一Sn固体金属作为Sn源材料置入真空腔的Sn固体源炉中；

步骤2：将一衬底置入分子束外延源炉的真空腔的加热器上，对真空腔抽真空，对衬底加热；

步骤3：对Sn固体金属加热，使Sn固体金属熔化，蒸发产生Sn的原子，打开挡板，使Sn原子到达衬底表面；

步骤4：向分子束外延源炉的真空腔内通入含有Ge的化合物气体，使Ge原子淀积到衬底表面，完成GeSn合金的外延生长。

其中对Sn固体金属加热，是采用电阻加热或电子束加热。

其中含有Ge的化合物气体是GeH₄或Ge₂H₆。

其中生长GeSn合金时，Sn固体金属和Ge的化合物气体为同时使用。

其中生长GeSn合金时，Sn固体金属和Ge的化合物气体为交替使用。

其中用于生长GeSn合金的衬底材料是半导体材料硅。

其中用于生长GeSn合金的衬底的材料是表面覆盖有二氧化硅或氮化硅介质的半导体材料。

附图说明

为进一步说明本发明的具体技术内容，以下结合实施例及附图详细说明如后，其中：

图1是本发明的一种GeSn合金材料生长方法实施过程中所用的真空腔结构示意图。其中11为真空腔，12为衬底加热器，22为衬底材料，GeSn合金将生长在衬底22上，13是Sn的固体源炉，源炉13有一挡板14，15是Ge的化合物气体喷口，Ge的化合物气体将从15进入真空腔，17是真空腔的抽气口，由阀门控制与真空泵的连通或断开，气体由真空泵从17处抽出。

具体实施方式

下面结合附图1举例说明本发明的实施方法：

本发明一种GeSn合金的外延生长方法，包括如下步骤：

步骤1：将一Sn固体金属作为Sn源材料置入真空腔的Sn固体源炉13中。Sn金属应该是高纯材料，以保证生长材料的纯度和质量。

步骤2：将一衬底22置入分子束外延系统的真空腔11的加热器12上，利用抽气口17对真空腔11抽真空，对衬底22加热。其中用于生长GeSn合金的衬底22材料是半导体材料硅或其它半导体半导体材料，也可以是表面覆盖有二氧化硅或氮化硅介质的半导体材料。衬底22在置入真空腔前必须保证原子级的表面清洁。衬底22的加热器12加热衬底22时，可以对衬底22进行除气，也可以除去衬底22表面的薄氧化层，获得原子级清洁的新鲜表面。

步骤3：对Sn固体源炉13中的Sn固体金属加热，使Sn固体金属熔化，蒸发产生Sn的原子，打开挡板14，使Sn原子到达衬底22表面。其中对Sn固体金属加热，可以采用电阻加热或电子束加热的方式进行。挡板14的开闭可以控制蒸发的Sn源材料是否射向衬底。

步骤4：向分子束外延源炉的真空腔11内通入含有Ge的化合物材料的气体，该含有Ge的化合物材料的气体由Ge的化合物气体喷口15喷出，使含Ge化合物分子达到衬底22表面，并在表面分解，使Ge淀积到衬底22表面，完成GeSn合金的外延生长，其中含有Ge的化合物材料是GeH₄或Ge₂H₆。含有Ge的化合物材料的气体可以是纯的GeH₄或Ge₂H₆源气体或者是用H₂、Ar、N₂等稀释的气体。

生长GeSn合金时，Sn固体金属和Ge的化合物材料的两个气体源可以同时使用，从而使Sn和Ge同时淀积到衬底22上。

生长GeSn合金时，Sn固体金属和Ge的化合物材料的气体也可以交替使用，使Sn和Ge交替淀积到衬底22表面，之后它们在热作用下会相互融合，形成SnGe合金，图1中还包括一个与外界连接的接口16。

本发明的核心思想是采用固体源和气体源相结合的方法，采用MBE生长模式和CVD生长模式相混合的一种生长模式，抑制Sn的偏析，生长出高质量的GeSn合金材料。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的申请专利权利；同时以上的描述，对于熟知本技术领域的专门人士应可明了及实施，因此其它未脱离本发明所揭示的精神下所完成的等效改变或修饰，均应包含在本发明的权利要求范围中。

Claims

1.一种GeSn合金的外延生长方法，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的GeSn合金的外延生长方法，其中对Sn固体金属加热，是采用电阻加热或电子束加热。

3.根据权利要求1所述的GeSn合金的外延生长方法，其中含有Ge的化合物气体是GeH₄或Ge₂H₆。

4.根据权利要求1所述的GeSn合金的外延生长方法，其中生长GeSn合金时，Sn固体金属和Ge的化合物气体为同时使用。

5.根据权利要求1所述的GeSn合金的外延生长方法，其中生长GeSn合金时，Sn固体金属和Ge的化合物气体为交替使用。

6.根据权利要求1所述的GeSn合金的外延生长方法，其中用于生长GeSn合金的衬底材料是半导体材料硅。

7.根据权利要求1所述的GeSn合金的外延生长方法，其中用于生长GeSn合金的衬底的材料是表面覆盖有二氧化硅或氮化硅介质的半导体材料。