CN103065932A - 一种张应变Ge薄膜的制备方法及层叠结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种张应变Ge薄膜的制备方法及层叠结构，所述制备方法首先在GaAs衬底上分别外延出In_xGa_1-xAs层和顶层Ge薄膜，所述In_xGa_1-xAs层中In组分x为0﹤x≤1，并使所述In_xGa_1-xAs层的厚度不超过其生长在所述GaAs衬底上的临界厚度，使所述顶层Ge薄膜的厚度不超过其生长在所述In_xGa_1-xAs层上的临界厚度，以制备出Ge薄膜的样品；其次，对所述样品进行氦离子或氢离子注入，并使氦离子或氢离子的峰值分布在所述In_xGa_1-xAs层与GaAs衬底相结合的界面下10～1000nm；最后对所述样品进行快速热退火，退火后得到弛豫的In_xGa_1-xAs层和张应变Ge薄膜，进而达到了用低成本制备出具有张应变、高迁移率Ge薄膜，并能减小In_xGa_1-xAs缓冲层的厚度、降低其穿透位错密度的目的。

Description

一种张应变Ge薄膜的制备方法及层叠结构

技术领域

本发明涉及硅基光电集成领域，特别是涉及一种张应变Ge薄膜的制备方法及层叠结构。

背景技术

随着信息产业的发展，信息数据将海量增加，对信息计算、传输等技术在今后的发展也提出了更高的要求和挑战。其主要的解决途径之一就是将现有成熟的微电子和光电子结合，实现硅基光电集成，这将成为信息产业发展的重要方向之一。近十年来，由于重大的工业意义，硅基光电集成关键材料和器件的研究引起了国际科学界(如美国MIT、哈佛大学)和工业界(如Intel，ST)的严重关注，仅Intel公司对硅基光电子的研发就投入数十亿美元巨资。一旦突破，不仅可以实现芯片光互连、光电集成以及将来的光计算，而且在光通讯、光显示等领域具有重大的潜在应用前景，对我国的信息产业的发展具有重大意义。

光子集成回路(Photon Integrated Circuit，PIC)和光电子集成回路(Optic ElectronicsIntegrated Circuit，OEIC)不仅可以在大容量、高保密的光纤通信中应用，而且能在光学遥感、传感，光互联、光计算、光数据存储及光电显示等领域发挥重要作用。因而，硅基光电集成技术近年来发展迅速，具有优异性能的材料是这一发展的主要推动力。近年来，随着半导体器件尺寸的缩小，传统的体硅材料正接近其物理极限，具有高电子和空穴迁移率的应变Ge由于可以用作沟道材料从而改善这一问题而被广泛关注。

Ge的迁移率随张应变的增大而提高，为了得到高应变的Ge薄膜，目前采用的主要方法例如利用Si和Ge的热膨胀系数的差异来达到张应变，但是这种方法得到的Ge薄膜中张应力较小；还有一种方法就是在GaAs上先生长组分递增的In_xGa_1-xAs缓冲层，然后在In_xGa_1-xAs上外延Ge薄膜，由于In_xGa_1-xAs晶格常数较大，从而得到具有张应变的Ge薄膜，但是，该种方法由于要生长厚度大的缓冲层增加了成本，限制了应变Ge薄膜的进一步应用。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种张应变Ge薄膜的制备方法及层叠结构，以达到用低成本制备出具有张应变、高迁移率Ge薄膜，并能减小In_xGa_1-xAs缓冲层的厚度、降低其穿透位错密度的目的。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种张应变Ge薄膜的制备方法，其特征在于，所述方法至少包括以下步骤：1)提供一GaAs衬底，在所述GaAs衬底上分别外延出In_xGa_1-xAs层和顶层Ge薄膜，所述In_xGa_1-xAs层中In组分x为0＜x≤1，并使所述In_xGa_1-xAs层的厚度不超过其生长在所述GaAs衬底上的临界厚度，使所述顶层Ge薄膜的厚度不超过其生长在所述In_xGa_1-xAs层上的临界厚度，以制备出包含Ge薄膜的样品；2)对所述样品进行氦离子或氢离子注入，并使氦离子或氢离子的峰值分布在所述In_xGa_1-xAs层与GaAs衬底相结合的界面下10nm～1000nm；3)对所述样品进行快速热退火，退火后得到弛豫的In_xGa_1-xAs层和张应变Ge薄膜。

在本发明张应变Ge薄膜的制备方法的步骤1)中，系通过分子束外延工艺或金属有机化合物化学气相沉淀工艺在所述GaAs衬底上分别外延出In_xGa_1-xAs层和顶层Ge薄膜。所述In_xGa_1-xAs层厚度小于1nm～1um。

在本发明张应变Ge薄膜的制备方法的步骤2)中，注入氦离子或氢离子的能量为10KeV～150KeV。当注入离子为氦离子时，注入氦离子的剂量为1E14cm^-2～1E16cm^-2；当注入离子为氢离子时，注入氢离子的剂量为1E14cm^-2～4E16cm^-2。

在本发明张应变Ge薄膜的制备方法的步骤3)中，于所述步骤3)中，所述退火的升温时间小于30s，退火温度700℃～1100℃，退火时间为30s～600s。

本发明还提供一种包含张应变Ge薄膜的层叠结构，其特征在于，包括：GaAs衬底；外延生长在所述GaAs衬底上的In_xGa_1-xAs层；以及外延生长在所述In_xGa_1-xAs层上的顶层Ge薄膜，所述In_xGa_1-xAs层中In组分x为0＜x≤1。所述In_xGa_1-xAs层厚度小于1nm～1um。

如上所述，本发明的张应变Ge薄膜的制备方法及层叠结构，具有以下有益效果：

本发明提供了一种具有张应变、高迁移率Ge薄膜及其制备方法，该方法系利用离子注入结合退火的方式实现In_xGa_1-xAs衬底的弛豫和Ge薄膜的应变，不但达到了减小In_xGa_1-xAs缓冲层的厚度、降低其穿透位错密度的目的，还降低了制备的成本。

附图说明

图1显示为本发明的包含张应变Ge薄膜的层叠结构示意图。

图2显示为本发明的张应变Ge薄膜的制备方法中离子注入的示意图。

元件标号说明

1层叠结构

11GaAs衬底

12In_xGa_1-xAs层

13顶层Ge薄膜

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图1至图3。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

如图所示，本发明提供一种张应变Ge薄膜的制备方法，至少包括以下步骤：

请参阅图1，提供一GaAs衬底11，在所述GaAs衬底11上分别外延出In_xGa_1-xAs层12和顶层Ge薄膜13，所述In_xGa_1-xAs层12中In组分x为0＜x≤1，并使所述In_xGa_1-xAs层12的厚度不超过其生长在所述GaAs衬底11上的临界厚度，使所述顶层Ge薄膜13的厚度不超过其生长在所述In_xGa_1-xAs层12上的临界厚度，以制备出Ge薄膜的样品。于本实施例中，系通过分子束外延工艺(MBE)或金属有机化合物化学气相沉淀工艺(MOCVD)在所述GaAs衬底11上分别外延出In_xGa_1-xAs层12和顶层Ge薄膜13；所述In_xGa_1-xAs层厚度小于1nm～1um。。

需要说明的是，一般来说，晶体薄膜只要生长在与其晶格不匹配(晶格常数或者热膨胀系数不同)的衬底上面时，如果保持外延薄膜平行于生长平面的晶格参数与衬底的相同，其中就一定存在应变；随着生长薄膜厚度的增大，外延薄膜中积累的应力也增大，当大到一定的程度就会产生晶面的滑移而产生位错(失配位错)，同时释放出应力。因此，为了保存外延薄膜中的应变，不致因产生失配位错而得到释放，薄膜的厚度就应当小于某一个临界值，这个临界值就是临界厚度。所以，由于外延薄膜的组分不同，下面的衬底种类不同，薄膜的应变也都将相应有所不同，从而其临界厚度也就不一样。对于上述实施例中所述的GaAs上生长的In_xGa_1-xAs来说，In组分x的取值越大，所述In_xGa_1-xAs的临界厚度值也越小，具体值也可以参照J.W.Mattews等的理论模型得到，换言之，临界厚度的概念应为本领域技术人员所熟知，在此不予赘述。

请参阅图2，对所述样品进行氦离子或氢离子注入(图示中箭头所示方向)，并使氦离子或氢离子的峰值分布在所述In_xGa_1-xAs层12与GaAs衬底11相结合的界面下10nm～1000nm，于本实施例中，当注入离子为氦离子时，注入氦离子的剂量为1E14cm^-2～1E16cm^-2；于另一实施例中，当注入离子为氢离子时，注入氢离子的剂量为1E14cm^-2～4E16cm^-2。

然后对所述样品进行快速热退火，退火后得到弛豫的In_xGa_1-xAs层12和张应变Ge薄膜。所述退火的升温时间小于30s，换言之，所述的快速热退火即从室温升温至700℃～1100℃的升温时间小于30s，退火温度700℃～1100℃，退火时间为30s～600s。

本发明还提供一种包含张应变Ge薄膜的层叠结构，请参阅图1，显示为本发明的包含张应变Ge薄膜的层叠结构示意图，如图所示，所述层叠结构1包括：GaAs衬底11；外延生长在所述GaAs衬底11上的In_xGa_1-xAs层12；外延生长在所述In_xGa_1-xAs层12上的顶层Ge薄膜13。所述In_xGa_1-xAs层12中In组分x为0＜x≤1，所述In_xGa_1-xAs层12的厚度不超过其生长在所述GaAs衬底11上的临界厚度，所述顶层Ge薄膜13的厚度不超过其生长在所述In_xGa_1-xAs层12上的临界厚度。于本实施例中，系通过分子束外延工艺(MBE)或金属有机化合物化学气相沉淀工艺(MOCVD)在所述GaAs衬底11上分别外延出In_xGa_1-xAs层12和顶层Ge薄膜13；所述In_xGa_1-xAs层厚度小于1nm～1um。

综上所述，本发明提供了一种具有张应变、高迁移率Ge薄膜及其制备方法，该方法系利用离子注入结合退火的方式实现In_xGa_1-xAs衬底的弛豫和Ge薄膜的应变，不但达到了减小InxGal-xAs缓冲层的厚度、降低其穿透位错密度的目的，还降低了制备的成本。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (9)

1.一种张应变Ge薄膜的制备方法，其特征在于，所述方法至少包括以下步骤：

1)提供一GaAs衬底，在所述GaAs衬底上分别外延出In_xGa_1-xAs层和顶层Ge薄膜，所述In_xGa_1-xAs层中In组分x为0＜x≤1，并使所述In_xGa_1-xAs层的厚度不超过其生长在所述GaAs衬底上的临界厚度，使所述顶层Ge薄膜的厚度不超过其生长在所述In_xGa_1-xAs层上的临界厚度，以制备出Ge薄膜的样品；

2)对所述样品进行氦离子或氢离子注入，并使氦离子或氢离子的峰值分布在所述In_xGa_1-xAs层与GaAs衬底相结合的界面下10nm～1000nm；

3)对所述样品进行快速热退火，退火后得到弛豫的In_xGa_1-xAs层和张应变Ge薄膜。

2.根据权利要求1所述的张应变Ge薄膜的制备方法，其特征在于：于所述步骤1)中，系通过分子束外延工艺或金属有机化合物化学气相沉淀工艺在所述GaAs衬底上分别外延出In_xGa_1-xAs层和顶层Ge薄膜。

3.根据权利要求1所述的张应变Ge薄膜的制备方法，其特征在于：于所述步骤1)中，所述In_xGa_1-xAs层厚度小于1nm～1um。

4.根据权利要求1所述的张应变Ge薄膜的制备方法，其特征在于：于所述步骤2)中，注入氦离子或氢离子的能量为10KeV～150KeV。

5.根据权利要求4所述的张应变Ge薄膜的制备方法，其特征在于：于所述步骤2)中，注入氦离子的剂量为1E14cm^-2～1E16cm^-2。

6.根据权利要求4所述的张应变Ge薄膜的制备方法，其特征在于：于所述步骤2)中，注入氢离子的剂量为1E14cm^-2～4E16cm^-2。

7.根据权利要求5或6所述的张应变Ge薄膜的制备方法，其特征在于：于所述步骤3)中，所述退火的升温时间小于30s，退火温度700℃～1100℃，退火时间为30s～600s。

8.一种包含张应变Ge薄膜的层叠结构，其特征在于，包括：

GaAs衬底，

外延生长在所述GaAs衬底上的In_xGa_1-xAs层；以及

外延生长在所述In_xGa_1-xAs层上的顶层Ge薄膜，所述In_xGa_1-xAs层中In组分x为0＜x≤1。

9.根据权利要求9所述的包含张应变Ge薄膜的层叠结构，其特征在于：所述In_xGa_1-xAs层厚度小于1nm～1um。

Images