CN103065933B - 一种直接带隙Ge薄膜的制备方法及层叠结构 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种直接带隙Ge薄膜的制备方法及层叠结构，所述制备方法是首先在GaAs衬底上分别外延出InxGa1-xAs层和Ge层，其中，0.223﹤x≤1，并使InxGa1-xAs层的厚度不超过其生长在GaAs衬底上的临界厚度，使Ge层的厚度不超过其生长在InxGa1-xAs层上的临界厚度，以制备出Ge薄膜的样品；接着，对样品进行氦离子或氢离子注入，并使离子的峰值分布在所述InxGa1-xAs层与GaAs衬底相结合的界面下10nm～1000nm，然后对样品进行快速热退火以得到弛豫的InxGa1-xAs层和张应变Ge薄膜；依据InxGa1-xAs层的弛豫度得出InyGa1-yAs中In组分y，并在Ge层上外延出InyGa1-yAs层以减少样品中的缺陷密度，最后在InyGa1-yAs层上再外延顶层Ge薄膜，并使顶层Ge薄膜的厚度不超过其生长在所述InyGa1-yAs层上的临界厚度，以制备出直接带隙Ge薄膜。
Description
技术领域
本发明涉及硅基光电集成领域，特别是涉及一种直接带隙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。
诚如业内所知的，当Ge薄膜中张应变大于1.4％，由间接带隙材料变成了直接带隙材料，可以用来做激光发射器，同时由于Ge与Si可以有效的集成，从而提高了一种低成本的实现片上光电集成的途径。
为了得到具有直接带隙的Ge薄膜，人们从不同途径进行了探索，例如利用Ge和Si的热膨胀系数的差异直接在Si上外延可以得到张应变的Ge薄膜，但应变只有0.3％左右；再例如，利用III-V族组分递增的缓冲层做虚拟衬底，可以得到较大应变的Ge薄膜，但是，由于III-V外延需要用生长速度慢的MBE(分子束外延)或MOCVD(金属有机化合物化学气相沉积)，而且组分递增的缓冲层一般厚度较大，增加了成本。
因而，如何提供一种直接带隙Ge薄膜所需的低厚度、低位错密度虚拟衬底的制备技术，实已成为本领域从业者亟待解决的问题。
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直接带隙Ge薄膜的制备方法及层叠结构，以制备出所需的低厚度、低位错密度虚拟衬底。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种直接带隙Ge薄膜的制备方法，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InxGa1-xAs层和Ge层，所述InxGa1-xAs层中In组分x为0.223＜x≤1，并使所述InxGa1-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Ge层的厚度不超过其生长在所述InxGa1-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InxGa1-xAs层与GaAs衬底相结合的界面下10nm～1000nm，然后对所述样品进行快速热退火，退火后得到弛豫的InxGa1-xAs层和张应变Ge薄膜；3)测量所述InxGa1-xAs层的弛豫度，依据所述弛豫度得出InyGa1-yAs中In组分y，并在所述Ge层上外延出InyGa1-yAs层，以进一步减少所述样品中的缺陷密度，然后在所述InyGa1-yAs层上再外延出一顶层Ge薄膜，并使所述顶层Ge薄膜的厚度不超过其生长在所述InyGa1-yAs层上的临界厚度，以制备出直接带隙Ge薄膜。
在本发明直接带隙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InxGa1-xAs层和Ge层；所述InxGa1-xAs层厚度小于100nm。
在本发明直接带隙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。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。
在本发明直接带隙Ge薄膜的制备方法的步骤3)中，测量所述InxGa1-xAs层的弛豫度为R，则所述InyGa1-yAs中In组分y＝x×R。
本发明还提供一种包含直接带隙Ge薄膜的层叠结构，其特征在于，所述层叠结构包括：GaAs衬底；外延生长在所述GaAs衬底上的InxGa1-xAs层；外延生长在所述InxGa1-xAs层上的Ge层；外延生长在所述Ge层上的InyGa1-yAs层；以及外延生长在所述InyGa1-yAs层上的顶层Ge薄膜，其中，所述InxGa1-xAs层及InyGa1-yAs层中的In组分x及y的取值范围为，0.223＜y＜x≤1。所述InxGa1-xAs层厚度小于100nm。
如上所述，本发明的一种直接带隙Ge薄膜的制备方法及层叠结构，具有以下有益效果：
本发明首次提出用InxGa1-xAs衬底结合离子注入方法实现直接带隙Ge薄膜的制备，制备的Ge薄膜张应变大，为直接带隙，可用于光电器件；且本发明制备的直接带隙Ge薄膜中InxGa1-xAs层穿透位错密度低，厚度薄，成本低，再者，本发明通过外延生长第二层InxGa1-xAs，进一步降低位错密度。
附图说明
图1显示为本发明直接带隙Ge薄膜的制备方法中完成步骤一呈现的结构示意图。
图2显示为本发明直接带隙Ge薄膜的制备方法中离子注入的示意图。
图3显示为本发明的包含直接带隙Ge薄膜的层叠结构示意图。
元件标号说明
1 层叠结构
11 GaAs衬底
12 InxGa1-xAs层
13 Ge层
14 InyGa1-yAs层
15 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，本发明提供一种直接带隙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InxGa1-xAs层12和Ge层13，所述InxGa1-xAs层12中In组分x为0.223＜x≤1，并使所述InxGa1-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Ge层13的厚度不超过其生长在所述InxGa1-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InxGa1-xAs层12和Ge层13；所述InxGa1-xAs层12厚度小于100nm。
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InxGa1-xAs来说，In组分x的取值越大，所述InxGa1-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InxGa1-xAs层12与GaAs衬底11相结合的界面下10nm～1000nm，然后对所述样品进行快速热退火，退火后得到弛豫的InxGa1-xAs层12和张应变Ge薄膜。其中，注入氦离子或氢离子的能量为10KeV～150KeV；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；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。
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。于本实施例中，所述退火的升温时间小于30s，同理，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。
请参阅图3，测量所述InxGa1-xAs层12的弛豫度，依据所述弛豫度得出InyGa1-yAs中In组分y，并在所述Ge层上外延出InyGa1-yAs层14，以进一步减少所述样品中的缺陷密度，然后在所述InyGa1-yAs层14上再外延出一顶层Ge薄膜15，并使所述顶层Ge薄膜15的厚度不超过其生长在所述InyGa1-yAs层14上的临界厚度，以制备出直接带隙Ge薄膜。
于本实施例中，将测量的所述InxGa1-xAs层12的弛豫度定义为R，依据所述弛豫度R得出InyGa1-yAs中In组分y，即y＝x×R，亦就是说，0.223＜y＜x≤1。在具体的实施方式中，计算所述InxGa1-xAs层12的弛豫度R的具体手段为，将ar定义为InxGa1-xAs有效晶格常数；将a⊥定义为InxGa1-xAs生长方向晶格常数；将a||定义为InxGa1-xAs生长平面晶格常数；将a0定义为衬底GaAs衬底的晶格常数，则，所述InxGa1-xAs层的弛豫度R可以依据公式：R＝(a||-a0)/(ar-a0)得出。
本发明还提供一种包含直接带隙Ge薄膜的层叠结构，请参阅图3，显示为本发明的包含直接带隙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InxGa1-xAs层12；外延生长在所述InxGa1-xAs层12上的Ge层13；外延生长在所述Ge层13上外延出InyGa1-yAs层14；以及外延生长在所述InyGa1-yAs层14上的顶层Ge薄膜15，其中，所述InxGa1-xAs层12及InyGa1-yAs层14中的In组分x及y的取值范围为，0.223＜y＜x≤1。所述InxGa1-xAs层12厚度小于100nm。
具体地，所述InxGa1-xAs层12中In组分x为0.223＜x≤1，所述InxGa1-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Ge层13的厚度不超过其生长在所述InxGa1-xAs层12上的临界厚度。在实际的实施方式中，所述InyGa1-yAs层14中的In组分y的具体取值将依据测量的所述InxGa1-xAs层12的弛豫度R和所述InxGa1-xAs层12中的In组分x的乘积得出，即y＝x×R，亦就是说，0.223＜y＜x≤1。
综上所述，本发明首次提出用InxGa1-xAs衬底结合离子注入方法实现直接带隙Ge薄膜的制备，制备的Ge薄膜张应变大，为直接带隙，可用于光电器件；且本发明制备的直接带隙Ge薄膜中InxGa1-xAs层穿透位错密度低，厚度薄，成本低，再者，本发明通过外延生长第二层InxGa1-xAs，进一步降低位错密度。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)
1.一种直接带隙Ge薄膜的制备方法，其特征在于，所述制备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InxGa1-xAs层和Ge层，所述InxGa1-xAs层中In组分x为0.223﹤x≤1，并使所述InxGa1-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Ge层的厚度不超过其生长在所述InxGa1-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InxGa1-xAs层与GaAs衬底相结合的界面下10nm～1000nm，然后对所述样品进行快速热退火，退火后得到弛豫的InxGa1-xAs层和张应变Ge薄膜；
3)测量所述InxGa1-xAs层的弛豫度，依据所述弛豫度得出InyGa1-yAs中In组分y，并在所述Ge层上外延出InyGa1-yAs层，以进一步减少所述样品中的缺陷密度，然后在所述InyGa1-yAs层上再外延出一顶层Ge薄膜，并使所述顶层Ge薄膜的厚度不超过其生长在所述InyGa1-yAs层上的临界厚度，以制备出直接带隙Ge薄膜；
于所述步骤3)中，测量所述InxGa1-xAs层的弛豫度为R，则所述InyGa1-yAs中In组分y＝x×R。
2.根据权利要求1所述的直接带隙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InxGa1-xAs层和Ge层。
3.根据权利要求1所述的直接带隙Ge薄膜的制备方法，其特征在于：于所述步骤1)中，所述InxGa1-xAs层厚度小于100nm。
4.根据权利要求1所述的直接带隙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所述的直接带隙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所述的直接带隙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所述的直接带隙Ge薄膜的制备方法，其特征在于：于所述步骤2)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。
8.一种包含直接带隙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InxGa1-xAs层；
外延生长在所述InxGa1-xAs层上的Ge层；
外延生长在所述Ge层上外延出InyGa1-yAs层；以及
外延生长在所述InyGa1-yAs层上的顶层Ge薄膜，其中，所述InxGa1-xAs层及InyGa1-yAs层中的In组分x及y的取值范围为，0.223﹤y﹤x≤1；所述InyGa1-yAs中In组分y是依据所述InxGa1-xAs层的弛豫度得出的；其中，测量所述InxGa1-xAs层的弛豫度为R，则所述InyGa1-yAs中In组分y＝x×R。
9.根据权利要求8所述的包含直接带隙Ge薄膜的层叠结构，其特征在于：所述InxGa1-xAs层厚度小于100nm。
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