CN104377279A - 大失配体系硅基无位错异质外延方法 - Google Patents
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Abstract
一种大失配体系无位错异质外延方法,包括以下步骤:步骤1:取一硅衬底;步骤2:清洗,将清洗干净的硅衬底装入高真空生长室中;步骤3:对硅衬底进行脱氧处理;步骤4:在硅衬底上生长金属催化剂;步骤5:退火;步骤6:在生长了金属催化剂的硅衬底上外延生长TV族半导体材料,完成制备。本发明可以进行大失配体系的无位错异质材料外延,解决了金催化剂杂质引入减小少子寿命的缺陷,同时还有利于降低制造成本,提高器件性能。
Description
技术领域
本发明涉及大失配体系半导体材料异质外延技术领域,特别是涉及一种采用金属锡(Sn)等作为催化剂,使用分子束外延(MBE)技术在Si衬底上外延生长高质量,无穿透位错的单晶锗(Ge)等材料的方法。
背景技术
异质外延技术是实现量子阱和超晶格结构的重要方法,一直以来都是学者们的研究热点(Science,317,355,2007;Phys.Rev.B,88,115312,2013;Appl.Phys.Lett.102,082110,2013;ACS Nano,8,3771,2014)。比如,量子阱和超晶格结构能够提供半导体能带阶跃变化和载流子限制效应,已广泛应用于多种半导体器件(Science,264,553,1994;Appl.Phys.Lett.40,939,1982;Opt.Express,22,A1164,2014;Adv.Mater.26,4173,2014),是能带工程中重要的研究内容。锗等IV族半导体材料与硅材料性质相似,与现有微电子工艺兼容,同时硅基锗材料是准直接带隙半导体,对应近红外光通讯波段,通过能带工程或其他途径能够使其满足高效硅基光电器件制作的要求。因此,实现锗等窄带隙材料在硅衬底上高质量异质外延至关重要。
硅和锗之间在室温下的晶格失配达到4.2%,这给高质量锗异质外延带来很大困难。目前锗,硅大失配体系异质外延的常见方法主要有两种:(1)、缓冲层技术。在硅衬底上先外延一层组分渐变锗硅缓冲层或是低温锗缓冲层,然后在缓冲层上生长高质量的锗薄膜(Appl.Phys.Lett.72,1718,1998;J.Appl.Phys.97,064907,2005)。该方法可以生长出晶格质量较好的锗外延层,位错密度最低可以达到106cm-2量级,但是缓冲层结构的引入使得材料外延及其复杂,也并没有从本质上解决大失配体系较高缺陷密度的缺点,难以实现规模化应用;(2)、利用低维结构的纳米尺寸效应,在纳米界面释放失配应变能,从而得到高质量的锗外延结构:当横向尺寸减小到临界尺寸以下时,可以在弹性应变范围内获得很厚的无位错异质外延层(Phys.Rev.B,74,121302,2006;J.Appl.Phys.97,114325,2005)。缺点是无位错纳米异质外延多利用金作为催化剂,容易引入金等深能级杂质,这在很多要求少子寿命的器件的应用上受到了很大的限制,难于满足多数半导体器件的要求。
本发明提出利用金属锡作为催化剂进行大失配体系异质外延,结合外延材料体系的表面能及纳米界面效应,从而可以进行大失配体系的无位错异质材料外延,解决了金催化剂杂质引入减小少子寿命的缺陷,同时还有利于降低制造成本,提高器件性能。
发明内容
鉴于上述问题,本发明的目的在于,提供了一种硅基大失配体系无位错异质外延的方法,从而可以进行大失配体系的无位错异质材料外延,解决了金催化剂杂质引入减小少子寿命的缺陷,同时还有利于降低制造成本,提高器件性能。
本发明提供一种大失配体系无位错异质外延方法,包括以下步骤:
步骤1:取一硅衬底;
步骤2:清洗,将清洗干净的硅衬底装入高真空生长室中;
步骤3:对硅衬底进行脱氧处理;
步骤4:在硅衬底上生长金属催化剂;
步骤5:退火;
步骤6:在生长了金属催化剂的硅衬底上外延生长IV族半导体材料,完成制备。
本发明的有益效果是:
1、本方法使用IV族材料锡作为金属催化剂,不会引入杂质深能级,有利于硅基光电子器件性能的提升,尤其是光电探测器等依赖于少数载流子寿命的光电器件;
2、本方法外延的材料晶体质量好,仅在异质外延处产生失配位错,穿透位错密度极低;
3、本方法不需要引入虚衬底,降低生产周期和生产成本;
4、本方法外延结构尺寸大,达到微米量级,器件制作可与常规微电子工艺兼容。
附图说明
为进一步说明本发明的技术内容,以下结合实施例及附图详细说明如后,其中:
图1是本发明的方法流程图;
图2是硅衬底上外延锗材料的透射电镜图像;
图3是硅衬底上外延锗材料的扫描电镜图像。
具体实施方式
请参阅图1所示,本发明提供一种大失配体系无位错异质外延方法,包括以下步骤:
步骤1:取一硅衬底,该硅衬底为〈111〉或〈110〉晶向。该晶向的硅衬底表面能低,使得到达硅衬底表面的外延材料的增原子向表面能高于硅衬底表面能的催化剂迁移,形成催化外延生长;
步骤2:清洗,将清洗干净的硅衬底装入高真空生长室中,所述硅衬底的清洗方法为改进的RCA清洗法,最后一步为加热的步骤,是将硅衬底放入H2O∶H2O2∶HCl=7∶2∶1溶液中,在硅衬底上氧化一层保护层。保护层使得硅衬底表面被氧原子钝化,硅氧键更稳定,避免在将硅衬底放入到高真空生长室的过程中产生表面粘污,影响外延生长的晶体质量;
步骤3:对硅衬底进行脱氧处理,该硅衬底脱氧时的温度为1000℃,时间为20min。脱氧处理是将在步骤2中清洗的过程中产生的表面氧化保护层去掉,露出新鲜的硅表面。通过氧化层保护和脱氧处理可以得到原子级洁净的硅表面,有利于得到高质量的外延材料,也有利于金属催化剂发生熟化,形成微米量级的颗粒,催化外延得到大尺寸的IV半导体材料;
步骤4:在硅衬底上生长金属催化剂,所述催化剂的生长采用分子束外延、磁控溅射或催化剂金属纳米颗粒分散方法,所述金属催化剂的材料为金属锡或金属铟,所述金属锡或金属铟催化剂生长时硅衬底温度低于230℃。金属锡或金属铟作为催化剂好处在于其与IV族半导体材料形成合金的固溶度较低,在退火后金属进入到硅衬底中,与表面薄层少量硅材料形成合金的金属较少,不易形成“钉扎”效应,使得金属催化剂可以沿着洁净的硅衬底表面移动,为后续的外延生长提供条件。同时,金属催化剂的表面能大于硅〈111〉或〈110〉衬底的表面能,使得到达硅衬底的外延材料增原子能够向催化剂迁移,形成催化外延生长;
步骤5:退火,该退火时硅衬底的温度与锗、锗锡、硅锗、硅锗锡或硅锡材料外延时的衬底温度相同,退火时间为5min。退火处理使得金属催化剂颗粒由固态转化为液态,同时发生熟化,形成微米量级的催化剂液滴。催化外延生长的机理为气-液-固(VLS)机理,催化剂只有在液态才能起到催化生长的作用;
步骤6:在生长了金属催化剂的硅衬底上外延生长IV族半导体材料,该IV族半导体材料的外延是采用的分子束外延、电子束蒸发或化学气相沉积的方法,外延生长时硅衬底的温度高于230℃,所述IV族半导体材料为锗、锗锡、硅锗、硅锗锡或硅锡,完成制备。外延生长温度高于230℃使得金属催化剂变为液态,这是VLS生长机理所要求的,同时生长温度越高外延材料的增原子在硅表面的迁移能力越强,平均自由程越大,越容易形成催化外延生长,但是当温度升高到一定程度时,催化剂蒸发越发严重,不利于催化外延生长。外延生长的时间越长,所得到的外延结构的长度越大(参阅图2、参阅图3)。
实施例
本发明提供一种大失配体系无位错异质外延方法,包括以下步骤:
步骤1:取一硅衬底,该硅衬底为〈111〉晶向;
步骤2:清洗,将清洗干净的硅衬底装入高真空生长室中,所述硅衬底的清洗方法为改进的RCA清洗法,最后一步为加热的步骤,是将硅衬底放入H2O∶H2O2∶HCl=7∶2∶1溶液中,在硅衬底上氧化一层保护层;
步骤3:对硅衬底进行脱氧处理,该硅衬底脱氧时的温度为1000℃,时间为20min;
步骤4:在硅衬底上生长金属锡,金属锡的生长采用分子束外延方法,所述金属锡催化剂生长时硅衬底温度为200℃;
步骤5:退火,该退火时硅衬底的温度为400℃,退火时间为5min;
步骤6:在生长了金属锡的硅衬底上外延生长锗材料,锗材料的外延是采用分子束外延方法,外延生长时硅衬底的温度是400℃,完成制备(参阅图2、参阅图3)。
以上所述的具体实施例,对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明,所应理解的是,以上所述仅为本发明的具体实施例而已,并不用于限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所做的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种大失配体系无位错异质外延方法,包括以下步骤:
步骤1:取一硅衬底;
步骤2:清洗,将清洗干净的硅衬底装入高真空生长室中;
步骤3:对硅衬底进行脱氧处理;
步骤4:在硅衬底上生长金属催化剂;
步骤5:退火;
步骤6:在生长了金属催化剂的硅衬底上外延生长IV族半导体材料,完成制备。
2.根据权利要求1所述的大失配体系无位错异质外延方法,其中硅衬底为<111>或<110>晶向。
3.根据权利要求1所述的大失配体系无位错异质外延方法,其中硅衬底的清洗方法为改进的RCA清洗法,是将硅衬底放入H2O∶H2O2∶HCl=7∶2∶1溶液中,在硅衬底上氧化一层保护层。
4.根据权利要求1所述的大失配体系无位错异质外延方法,其中催化剂的生长采用分子束外延、磁控溅射或催化剂金属纳米颗粒分散方法。
5.根据权利要求1所述的大失配体系无位错异质外延方法,其中IV族半导体材料的外延是采用的分子束外延、电子束蒸发或化学气相沉积的方法,外延生长时硅衬底的温度高于230℃。
6.根据权利要求5所述的大失配体系无位错异质外延方法,其中IV族半导体材料为锗、锗锡、硅锗、硅锗锡或硅锡。
7.根据权利要求1所述的大失配体系无位错异质外延方法,其中硅衬底脱氧时的温度为1000℃,时间为20min。
8.根据权利要求1所述的大失配体系无位错异质外延方法,其中金属催化剂的材料为金属锡或金属铟。
9.根据权利要求8所述的大失配体系无位错异质外延方法,其中金属锡或金属铟催化剂生长时硅衬底温度低于230℃。
10.根据权利要求1或4所述的大失配体系无位错异质外延方法,其中退火时硅衬底的温度与锗、锗锡、硅锗、硅锗锡或硅锡材料外延时的衬底温度相同,退火时间为5min。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20150225 |
|
RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |