CN106414816A - 在iv衬底上在低温下沉积晶层、尤其是光致发光iv‑iv层的方法,以及包含这种层的光电元器件 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于在IV‑衬底、尤其是硅衬底或锗衬底上单片式沉积IV‑IV层、尤其是GeSn或SiGeSn层的方法,所述层是单晶的、受激发光、由IV‑主族的多种元素组成并且具有小于106cm‑2的位错密度,该方法具有以下步骤:提供第一IV族元素(A)的氢化物,例如Ge2H6或Si2H6;提供第二IV族元素(B)的卤化物,例如SnCl4;加热所述衬底至衬底温度,所述衬底温度低于纯的氢化物或由所述氢化物形成的自由基的分解温度,并且高得足以使第一元素(A)和第二元素(B)的原子以晶体排列嵌入到所述表面中,其中所述衬底温度特别地处于300℃至475℃的范围;由惰性载气,特别是N2、Ar、He产生载气流,所述惰性载气尤其不是H2;将所述氢化物和所述卤化物以及由其形成的分解产物在最大300毫巴的总压力下输送至所述表面;沉积具有至少200nm的厚度的IV‑IV层或由同类的IV‑IV层组成的层序列,其中,所沉积的层尤其为SiyGe1‑x‑ySn层,x>0.08且y≤1。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于沉积特别是二元、三元或四元半导体晶体的方法,所述半导体晶体作为直接的电子能带跃迁的结果,例如通过施加电压或通过光耦合输入而激励的情况下发出可见光、红外光或紫外光。
本发明还涉及具有由这种晶体构成的层的光电元器件,以及具有这种元器件的集成电路。
本发明另外涉及在(尤其就其热力学平衡而言的)低温下沉积晶体的晶层。从“DEPOSITION OF HIGH QUALITY GaAs FILMS AT FAST RATES IN THE LP-CVD SYSTEM”,Journal of crystal grows 94(1989)607-612已知砷化镓层的沉积。将镓以氯化物形式并且砷以氢化物形式引入工艺腔中。生长速率随温度的下降并且随着总压力的下降而降低。生长速率对总压力的依赖性在约100毫巴时最小,并且对于更低的达10毫巴的总压力,生长速率升高多于10倍。
背景技术
采用硅技术制造了大量的技术应用的半导体元器件和尤其是集成电路,特别是逻辑电路或用于微处理器中的电路。对于所述应用,将硅衬底沉积在掺杂或未掺杂的硅层或氧化硅层上。尽管晶格常数彼此不同,但是还可以将其他IV-IV合金以结晶形式沉积在硅晶体上,例如锗或锗锡。迄今制备的IV-IV晶体的技术缺陷是缺乏直接电子能带跃迁。硅和锗、还有热力学稳定的锗锡或硅锡都不具备对于制造可光学激活的元器件如LED或激光有用的直接能带跃迁。
所认为的是,不带应变的锗锡-合金作为不处于热力学平衡的晶体,即,当锡浓度为至少约20%时,会具有直接能带跃迁。不过,锗锡合金中的平衡锡浓度为低于1%。所认为的是,在形成热力学亚稳态晶体的情况下锡浓度的增加会导致Γ-谷区域内的导带下降,所述导带下降强于L-谷中的导带下降。在Γ-Tal中则形成了使所述晶体具有所希望的光学性能的直接能带跃迁。
在Thin Solid Films 2013的“SiGeSn growth studies using reducedpressure chemical vapor deposition towards optoelectronic applications”(S.Wirths等,Thin Solid Films(2013),http://dx.doi.Org/10.1016/j.tsf.2013.10.078)中,介绍了锗锡或硅锗锡层在硅衬底或在锗缓冲层上的沉积。这里所沉积的45nm或65/100nm厚的层具有最大为11%的Sn含量,这些层未显示发光。所发现的是伪晶生长。这里所描述的实验在350℃至475℃的衬底温度下进行。作为工艺气体使用了Si2H6(60Pa)、Ge2H6(120Pa)和SnCl4(0.6Pa)。
在“Reduced Pressure CVD Growth of Ge and Ge1-xSnxAlloys”(ESC Journalof Solid State Science and Technology,2(5)N99-N102(2013))中描述了CVD反应器的实验结构,可用该CVD反应器将锗层沉积在硅衬底上或将锗锡层沉积在硅衬底上。
另外现有技术还包括以下出版物,这些出版物描述了不发光的GeSn层的沉积:
,,Band engineering and growth of tensile strained Ge/(Si)GeSnheterostructures for tunnel field effect transistors"(Applied Physics Letters102,192103(2013)),
,,Tensely strained GeSn alloys as optical gain media"(Applied PhysicsLetters 103,192110(2013)),
,,Low temperature RPCVD epitaxial growth of Si1-xGex using Si2H6andGe2H6"(Solid-State Electronics 83(2013)2-9),
,,Epitaxial Growth of Ge1-xSnx by Reduced Pressure CVD Using SnC14andGe2H6"(ECS Transactins,50(9)885-893(2012)The Electrochemical Society)。
在DE 10 2004 034 103 A1中描述了用于沉积含硅和锗的层或层序列的设备。从US 6,200,893预先已知在CVD过程中使用自由基。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于,在低温下尤其其热力学平衡之外沉积晶体,尤其是沉积光学有源或可激活的IV半导体层,以便实现光学有源元器件在硅衬底上的单片集成。
该技术问题通过权利要求中给出的本发明解决。
本发明的第一方面涉及一种用于沉积结晶半导体层的方法。该半导体层应至少由一种或多种元素组成。所述一种或多种元素作为气态原料的组分与惰性载气一起供入到CVD反应器的工艺腔中。第一气态原料可以是氢化物,例如CH3、SiH4、Si2H6、AsH3、PH3或NH3。第二气态原料可以是氯化物,SiCl4、GeCl4、CC14、SnCl4、GaCl4、InCl4或A1C14。载气可为N2、Ar、He,但是不应是H2。用于实施该方法的设备优选地具有例如以莲蓬头形式的进气机构。该进气机构具有一个或多个气体分配室,所述气体分配室分别具有大量的出气口,这些出气口通入到工艺腔中。工艺气体可以经由这些出气口流入到工艺腔中。进气机构被冷却,以避免原料在这里分解。沉积过程在低压范围内进行,即在低于300毫巴,低于200毫巴,低于100毫巴或优选地在60毫巴下进行。由第一原料产生自由基。这可以以在文献中描述的方式实现,例如通过等离子体、热丝(Heiβdraht)或高频激活的方式实现。然而优选地如下产生自由基:第一工艺气体在进入到所述进气机构中或进入到工艺腔中时从处于大气压力之上的高压降低至低压,其中,所述低压对应于工艺腔中的总压力,其小于300毫巴。例如,Ge2H6或Si2H6可以分解为锗烷或硅烷自由基(GeH3*或SiH3*)。由于工艺腔中的低的分压而降低了反向反应速率,因此供入至工艺腔中的载气将自由基输送至被加热至衬底温度的半导体衬底的表面。因为在气相中不存在H2或仅存在最少限度的H2,所以缺少为形成GeH4或SiH4所需的反应参数。因此在气相中产生了非常稀少的自由基。衬底温度低于纯的自由基的分解温度。其结果是,在不混合氯化物的情况下只有1nm/h以及更少的极低的生长。然而根据本发明,将氯化物与自由基一起输送至衬底表面。在那里进行自由基与氯化物之间的第一反应。在该放热反应过程中释放反应热,所述反应热造成所述层或所述衬底的表面上的局部温度升高。所述表面因此在发生第一反应之处具有这样的温度,该温度足以分解第一原料以及尤其是足以分解由此产生的游离自由基。在所述第一反应中产生气态的反应产物,该反应产物用载气导出。作为非气态反应产物,第一和第二元素余留在所述表面上。在由第一反应的反应热起动的第二反应中,自由基分解成挥发性反应产物和第一元素,所述挥发性反应产物用载气输送出。作为这两个同时发生的反应的结果,第一元素和第二元素的原子被吸附在衬底表面上。该衬底位于从下方例如通过加热灯加热的承受器。该承受器距离莲蓬头的出气面约1至2cm。衬底温度低于之前提及的上限值,因此纯的氢化物或纯的自由基在所述表面上不会分解,而是仅通过之前提及的链反应被分裂为其组分。衬底温度足够高(其优选处于300℃至450℃的范围),以确保由这两个化学反应带来的非挥发性反应产物的表面迁移性。在自由基和卤化物之间的第一反应的反应热对表面迁移性的提高具有重要贡献。所述一种或多种元素的被吸附在所述表面上的原子因此可以在所述表面上略微移动短的时间和距离,以在晶格中找到能量有利的嵌入位置。局部的表面温度这样高,使得第一元素和第二元素的原子以晶体排列在所述表面中嵌入。因为该层的表面比衬底热,确切地说所述表面的温度高于衬底温度,所以抑制了否则在衬底温度下出现的表面粗糙度。不发生无定形化。对于本文开始引用的文献中所报道的实验,薄的Si-GeSn-层被沉积在Ge-层上。在那里所述的工艺条件下将相对薄(45nm或85nm厚)的层沉积在硅衬底或锗-伪-衬底上。由于GeSn晶体的晶格常数与Ge晶体的相对大的差异,在所述沉积时出现了所生长的材料的晶体的四方扭曲。垂直于生长方向的平面晶格常数与衬底的立方晶格常数匹配。平行于生长方向延伸的竖直的晶格常数增大。本文开始提及的先前研究中观察到了随着层厚的增加而更粗糙的表面。在与那里所应用的Si衬底的界面上观察到晶格失配位错的形成以及高密度的线位错(或称为线缺陷),该线位错延伸穿过整个85nm的层直到表面。在用于GeSn生长的低的生长温度下,在表面上吸附的气态原料分子或其分解产物的表面迁移性大幅降低,这导致大的粗糙度和最后导致所观察到的无定形化。令人惊奇的是已经发现,借助于根据本发明的自由基辅助生长方法,不会发生原本预期的“外延击穿”,特别是当使用Ge缓冲层时。对于在临界层厚之上的层厚,所述层开始驰豫,该驰豫可增加高达80%或更多,优选地增加超过80%。线位错的密度降低至小于106cm-2或105cm-2。这些晶格失配位错被定位在界面附近的小的范围(10nm至20nm)。原先预期的线位错或螺纹位错不可确定。仅在与界面邻接10nm至20nm的区域中观察到明显的晶格失配位错,其中直接与边界层邻接地观察到Ge缓冲层中的位错。驰豫机制尤其在至少层厚200nm的层中观察到,这些层被沉积在缺陷少的Ge-缓冲层上,其中Ge-缓冲层被沉积在Si(001)-衬底上。缓冲层的沉积和IV-IV层的沉积二者均可在总体工艺中以相继的工艺步骤在CVD反应器的工艺腔中进行,而无需中间打开工艺腔。基本上,层生长至少200nm,优选地至少300nm。根据本发明的方法使用反应性气源(自由基)的反应热来局部加热所述层表面。晶体生长在非平衡状态下进行。所述非平衡状态在某种程度上被冻结,因为作为高的温度梯度的结果,由化学反应产生的局部热在短时间内在该晶体中消散。作为第一气态原料可使用上文提及的V主族的氢化物。作为第二气态原料,优选地使用上文提及的III-主族的卤化物。还设成,使用VI主族元素的氢化物和II-主族元素的卤化物,特别是氯化物。特别优选地还使用该方法来将IV-IV层沉积在IV-IV衬底上。优选地,这两种气态原料包含两种彼此不同的元素,例如Ge和Sn。作为第一气态原料则使用Si2H6,必要时还有SiH4或Ge2H6,必要时还有GeH4。作为第二原料使用IV-主族元素的卤化物,例如溴化物、碘化物或氯化物。优选地使用SnCl4。将SnCl4和Ge2H6或Si2H6经由被冷却的进气机构导入至工艺腔中。工艺腔的总压力具有这样的值,在该值下Ge2H6、但优选地还有Si2H6主要被分裂为自由基。借助惰性载气,特别是N2,优选地不含H2,来将这些自由基与氯化物一起输送至衬底表面。这些分子吸附在所述表面上。在自由基和氯化物之间发生放热的表面反应,其中释放出HCl和能量。所述能量激活自由基的进一步分裂和该表面的局部加热,使得Ge原子和Sn原子具有足以呈单晶地被嵌入至晶体中的表面迁移性。已观察到,当存在形成自由基的先决条件并且沉积了在临界厚度以上的层厚时,在Sn含量大于8%的情况下已然产生光致发光层。从间接能带跃迁到直接能带跃迁的能带跃迁的变化当Ge或SiGe中的Sn含量取决于应变地为大于8%,尤其地大于10%时发生。对于无应变的GeSn所需的最大的Sn含量为14%或20%。氢化物、尤其是Ge2H6在工艺腔中的分压在60Pa至120Pa的范围。将卤化物,尤其是SnCl4以这样的流量供入到工艺腔中,使得分压大约为氢化物分压的0.1%至5%,尤其是0.03Pa至1.25Pa。光学活性层的沉积优选在驰豫的Ge-缓冲层上进行。生长速率为10nm/min至50nm/min。然而,所述两种气态原料都也可包含同样的元素,例如C、Si、Ge。第一气态原料因此可为烃,硅氢化合物或锗氢化合物。第二气态原料可为氯化碳、氯化硅或氯化锗。在本发明的该实施变型中,CH3自由基例如可以与CCl4在衬底表面上反应并且形成金刚石层。因此,元素半导体、例如硅或锗半导体能够在低温下沉积。
本发明另外涉及具有层结构的元器件,该层结构具有用上文提及的方法所沉积的层,特别是GeSn-或SiGeSn-层。Sn含量为至少8%,优选地至少10%,或在8%至20%,优选地10%至14%的范围。层厚度大于200nm,优选地大于300nm。所述层体积内的位错密度,即,在与相对于缓冲层的界面相邻10nm至20nm的区域之外的位错密度小于106cm-2或105cm-2。仅在直接与缓冲层相邻的区域中,该层具有较高的位错密度。在所述界面附近10nm至20nm的区域中存在特别地阶梯状的位错,然而只是在低程度上的螺纹状或线状位错。该层具有能量为约450meV的直接能带跃迁并且能够在光学激励或电激励后光致发光。
本发明还涉及集成电路,特别是MOS电路,其具有单片结构的集成电路,其中特别地使用Si衬底作为衬底。根据本发明,在衬底上或在施加于该衬底上的缓冲层上施加GeSn-或含有GeSn的层序列,其中特别地设成,该层序列具有布设在两个SiGeSn层之间的GeSn层。这种集成电路具有大量的已知元器件,例如晶体管、电容器以及导电层和电绝缘层。根据本发明,围绕光学活性元器件地来增添该集成电路,这些光学活性元器件被单片地沉积在同样的衬底上,从而在这种集成电路中既可以使用电流也可以使用光来进行信息传播。
本发明还涉及用于沉积由III-和V-主族的元素构成的单晶的、受激发光的层的方法。在衬底如蓝宝石衬底、硅衬底或III-V-衬底上沉积III-V层,特别地GaN层。该层可具有<106cm-2的位错密度。该方法类似于上文给出的关于沉积IV-IV层的方法步骤进行。首先,提供第五主族元素的氢化物,该氢化物可为NH3或NH2R,其中R为有机残基,例如C4H9(叔丁基)。III-主族元素的卤化物被提供,例如GaCl4。将衬底加热至低于先前表示为氢化物的化合物的分解温度的衬底温度,该化合物包含V-主族元素。衬底温度另外还低于由该氢化物构成的自由基的分解温度,但是高得足以使III-主族元素和V主族元素的原子以晶体排列被嵌入到所形成的层的表面中,其中该衬底温度特别地处于300℃至475℃的范围。由惰性载气产生了载气流,该惰性载气可以是N2、Ar、He,但不应为H2。氢化物和卤化物以及由此产生的分裂产物被输送至衬底表面。这优选地在最大300毫巴的总压力下实现。所沉积的是III-V层或由同类的层构成的层序列。层厚应为至少200nm。该方法之所以这样进行,是因为由所述氢化物形成了自由基。在使用NH3时,这例如可通过分裂成NH2和H进行。在使用NH2R时,这可通过有机残基R的断开进行。这样形成的自由基在第一反应中放热地与III-主族元素的卤化物在所述表面上反应。作为反应产物生成了V-主族原子和III-主族元素的原子。这些原子余留在所述表面上。在第二反应中,自由基与第一反应同时地通过接收在第一反应中释放的热而发生吸热反应。
附图说明
接下来借助附阐述本发明的细节。其中,
图1示出了剖切CVD反应器得到的剖面,CVD反应器正如可在沉积这些层中使用的那样;
图2a示出了Sn含量为8%的GeSn-半导体的电能带结构;
图2b示出了Sn含量为13%的GeSn-半导体的电能带结构;
图3a示出了Sn含量为8%的GeSn-半导体的光致发光光谱;
图3b示出了Sn含量为9.6%的GeSn-半导体的光致发光光谱;
图3c示出了Sn含量为11.1%的GeSn-半导体的光致发光光谱;
图3d示出了Sn含量为12.6%的GeSn-半导体的光致发光光谱;
图4示出了根据本发明的层序列的实施例;
图5示出了按照图1的关于沉积GaN的图示。
具体实施方式
图1粗略示出了剖切CVD反应器得到的剖切面,正如其用于实施该方法或者用于沉积根据本发明的元器件的层的那样。未示出的是用于提供工艺气体即Si2H6和Ge2H6以及SnCl4以及作为惰性气体的N2的外部供气装置。该反应器具有气密的对外封闭的壳体,其内部可借助真空装置抽真空或可调节至0毫巴至1000毫巴范围的总压力。在反应器壳体中存在莲蓬头形式的进气机构1。在此,其涉及被供给工艺气体和惰性气体的气体分配室。图1示出了仅具有一个气体分配体积空间的进气机构1。但是也可以设成,将所述三种工艺气体彼此分开地经由各一个气体分配室导入至布设在进气机构1下方的工艺腔3中。这通过进气机构1的出气面的出气口2实现。
工艺腔3的底部由石墨-承受器5形成,其距离出气面约1cm至2cm。在承受器5上存在一个或多个Si衬底4。
在承受器5下方存在加热器6,例如加热灯,以将承受器5加热至例如300℃至400℃的工艺温度。
为了表明本发明的实质,示例性阐述了四个实验。四个层A、B、C、D的生长参数可从下面插入的表中得到。
使用N2作为载气。然而,SnCl4鼓泡器用H2作为载气驱动,以将气态SnCl4导入反应器中。可见,层A和C以同样的生长参数制备。然而这里要考虑的是,由于在CVC设备中的漂移,尤其在SnCl4源中的漂移,实际的SnCl4流量可以不同。通过鼓泡器造成的在H2载气流量中的SnCl4的稀释比例为约10%并且经历这样的漂移,该漂移尤其取决于液态原料在源容器中的填充状态。
在Si(001)-衬底上首先沉积Ge-缓冲层。Ge-缓冲层具有高品质的表面。其涉及少缺陷的Ge-缓冲层,该缓冲层的表面粗糙度在0.25nm的范围。Ge-缓冲层的沉积通过将Ge2H6导入工艺腔中实现。
在四个不同实验中,在Ge2H6流量400sccm,总流量2000sccm,总压力60毫巴的情况下,在Ge-缓冲层上沉积由Ge1-xSnx构成的层,其中,Sn含量为8%、9.6%、11.1%或12.6%。所述沉积在不同温度下进行,其中生长温度对Sn嵌入具有影响。生长速率在17nm/min和49nm/min之间变化。沉积的层具有约200nm的厚度。
图2a和2b示出了Ge1-xSnx晶体的能带结构,其中图2a示出Sn含量为8%的晶体的能带结构,图2b示出了Sn含量为13%的能带结构。图2a示出了直接带隙(Γ谷)具有大于间接带隙(L谷)的能量。随着Sn含量不断升高,间接带隙(L谷)和直接带隙(Γ谷)都移向较低的能量,其中直接能带跃迁的带隙的能量更强烈地下降,从而在8%的Sn含量和13%的Sn含量之间的范围,能带跃迁从间接转换为直接。因为能带结构不仅取决于Sn含量,而且还取决于晶格应变,所以不能指定临界Sn含量。
图3a至3d示出了具有彼此不同的Sn含量的层的光致发光光谱。可以得知,在20°K时分别地,Sn含量为8%的层A仅显示低的光致发光,Sn含量为9.6%的层B显示已然可识别的光致发光,Sn含量为11.1%的层C显示明显的光致发光,Sn含量为12.6%的层D显示强烈的光致发光。
图4示出了由层厚至少200nm的层序列13、14、15构成的发光层结构的实施例。从图4中所示的层序列例如可制造激光元器件,该激光元器件可单片地集成至电路中,该电路被单片地施加在硅-衬底11上。在硅-衬底11上首先沉积Ge-缓冲层12。随后在Ge-缓冲层12上沉积所述层序列的经p-掺杂的第一层SiGeSn 13。其上沉有源的GeSn层14。最后,在有源层14上沉积n-掺杂的SiGeSn层15。Sn含量(x值)处于0.1和0.14之间的范围。Si含量(y-值)处于0和0.2之间的范围。对于该方法,将Ge2H6从压力超过1000毫巴的储备容器中与N2一起供入到进气机构1中。Ge2H6和GeH3*根据以下平衡反应处于热力学平衡。
Ge2H6→2GeH3 *
虽然在储备容器中该平衡反应的左侧占主导,但是该方法被这样引导,使得在工艺腔中该平衡反应的右侧占主导。由于气体从大气压以上的压力向低于大气压的压力的气动膨胀而实现了将Ge2H6分解成GeH3*。在该实施例中该膨胀在60毫巴后进行。
此外将SnCl4导入到工艺腔中。用N2作为载气向衬底4的表面输送SnCl4和GeH3*,衬底4位于经加热的承受器5上并且具有350℃至390℃的表面温度。SnCl4和GeH3*吸附在该表面上并且在那里彼此发生放热反应。
4Geh3 *+3SnCl4→4Ge+3Sn+12HCl+能量
在该反应中生成的HCl被载气从工艺腔3中输送出。所释放的能量导致该表面的局部加热。Ge和Sn原子保持吸附在该表面上。
由于该表面温度局部升高,可发生以下吸热的分解反应:
2GeH3 *+能量→2Ge+3H2
平行地还可发生未离解的Ge2H6的以下分解反应:
Ge2H6+能量→2Ge+3H2
在此生成的氢气被载气输送出。该表面被局部加热至这样的温度,使得Ge和Sn原子具有的表面迁移性高得足以呈单晶地形成晶体。在工艺温度(350℃至390℃)下,这样沉积的晶体具有这样的晶体结构,该晶体结构远离热力学平衡(作为Sn含量为最大1%的替代,Sn含量可高达20%)
如果另外还将Si组分一同引入工艺腔中,则这在使用Si2H6作为原料的情况下实现,其类似于先前描述的机理被分解为经吸附的Si原子。
所沉积的层具有以下组成:
SiyGe1-x-ySnx
0.08≤x≤0.14
0≤y≤0.2
根据本发明,层14或层序列13、14、15应当具有至少200nm,优选至少300nm的最小层厚d。对于以15nm/min至50nm/min的生长速率沉积的这种层厚,层体积中的位错密度,确切地说在厚度为10nm至20nm的相对于缓冲层12的边界区域之上的位错密度,处于最大105cm-2至106cm-2。在所述边界区域中,即在该层或层序列的第一个10nm至20nm中,位错密度完全可以具有更高的值。然而,螺纹状或线状位错在这里具有5x 106cm-2的最大密度。
在本发明的变型中,通过低温外延可沉积单质半导体,例如金刚石层、硅层或锗层。为沉积金刚石层,CH3*与CCl4反应成金刚石。为沉积硅层,SiH3*与SiCl4反应成硅,并且为沉积锗层,GeH3*与GeCl4反应成锗。
接下来参照图5来描述另一实施例,其中,来自储备容器的NH3在超过1000毫巴的压力下与NH2一同被供入到进气机构1中。以热的方式,但是还可以使用其他适合方式,例如等离子体发生器或其他供能装置,按照以下反应来制备自由基NH2*:
NH2→NH2 *+H
另外通过进气机构1将GaCl4供入到工艺腔中。
在该方法的一个变型中,作为NH3的替代,将NH2R供入到工艺腔中,因为该工艺气体能够以低的能量被转化为自由基NH2*。在此,R为有机残基,例如C4H9。
NH2R→NH2 *+R
在第一反应中NH2*与氯化镓按照以下反应方程式发生放热反应:
2NH2*+GaCl4→2N+Ca+4HC1+能量
该反应中释放出的能量促进了以下给出的平行反应:
NH2*+能量→N+H2,
其中生成了单质氮。在第一放热反应中生成的单质镓和在第二吸热反应中生成的单质氮处于该表面上。这些单个原子可以找到该层中的能量有利的嵌入位置,从而生成外延式单晶GaN层。该层可被沉积在蓝宝石衬底、硅衬底或III-V型衬底上。
根据本发明,在气相反应中生成的自由基到达该表面并且首先在那里相互反应。
前述实施方式用来阐述由本申请概括的发明,本发明至少通过以下特征组合分别独立地扩展了现有技术,即:
一种用于沉积单晶的由第一元素A和第二元素B构成的半导体层的方法,其中,将第一元素A作为第一气态原料的组分,尤其是氢化物的组分,并且第二元素B作为第二气态原料的组分,尤其是卤化物的组分,与由惰性气体构成的载气,特别是N2、Ar、He一起供入到CVD反应器的工艺腔3中,其中由所述第一原料形成自由基,将所述自由基与第二原料引至半导体衬底的表面,该半导体衬底被加热至比纯的自由基的分解温度低的衬底温度,其中,所述自由基在第一反应中与第二原料、特别地与卤化物在所述表面上发生放热反应,其中作为反应产物,第一元素A的原子和第二元素B的原子保留在所述表面上并且所述自由基在与第一反应同时的第二反应中通过接收在第一反应中释放的热而发生吸热分解,其中第一元素A的原子保留在所述表面上,其中衬底温度足够高,以使第一元素A和第二元素B的原子以晶体排列在该表面上嵌入。
一种方法,其特征在于,第一元素A是V-主族的元素,例如,砷、磷、锑、或氮,第二元素B是III-主族的元素,例如,铝、镓或铟,或者第一元素是IV-主族的元素,例如,碳、硅或锗,第二元素(B)是IV-主族的元素,例如,碳、硅、锗或锡,或者第一元素(A)是VI-主族的元素,第二元素(B)是II-主族的元素。
一种方法,其特征在于,所述自由基通过将第一气态原料供入工艺腔中时从大于1000毫巴的压力到小于300毫巴的工艺腔压力的气动降压来产生。
一种用于在IV族衬底、尤其是硅衬底或锗衬底上单片式沉积IV-IV层、尤其是GeSn或SiGeSn层的方法,所述层是单晶的、受激发光、由IV-主族的多种元素组成并且具有小于106cm-2的位错密度,该方法具有以下步骤:
-提供第一IV族元素A的氢化物,例如Ge2H6或Si2H6;
-提供第二IV族元素B的卤化物,例如SnCl4;
-加热所述衬底至衬底温度,所述衬底温度低于纯的氢化物或由所述氢化物形成的自由基的分解温度,并且高得足以使第一元素A和第二元素B的原子以晶体排列嵌入到所述表面中,其中所述衬底温度特别地处于300℃至475℃的范围;
-由惰性载气,特别是N2、Ar、He产生载气流,所述惰性载气尤其不是H2;
-将所述氢化物和所述卤化物以及由其形成的分解产物在最大300毫巴的总压力下输送至所述表面;
-沉积具有至少200nm的厚度的IV-IV层或由同类的IV-IV层组成的层序列,其中,所沉积的层尤其为SiyGe1-x-ySn层,x>0.08且y≤1。
一种方法,其特征在于,所述氢化物为Ge2H6和/或Si2H6并且以60Pa至120Pa的分压供入到工艺腔中。
一种方法,其特征在于,所述卤化物为SnCl4并且以所述氢化物分压的0.1%至5%的分压,特别地以0.03Pa至1.25Pa的分压供入到工艺腔中。
一种方法,其特征在于,将所述层或所述层序列沉积在被施加于Si-衬底上的Ge-缓冲层上。
一种方法,其特征在于,所述衬底温度处于350℃至390℃的范围。
一种方法,其特征在于,所述层或层序列的沉积以15nm/min至50nm/min的生长速率进行。
光电子元器件,例如激光器、光电二极管、光电传感器、光电元件、光导等,其具有被外延地沉积在IV衬底,特别地Ge-或Si-衬底上的IV-IV层,尤其是GeSn-或SiGeSn层,该层是单晶的、受激发光、由IV-主族的多种元素的合金组成并且具有小于106cm-2的位错密度,其中所述层或具有所述层的由多个同类的IV-IV层组成的层序列具有至少200nm,优选地至少300nm的厚度。
一种方法或一种光电元器件,其特征在于,所述层为GeSn层或SiGeSn层并且Sn含量处于8%至20%的范围,优选地大于10%,特别优选地处于10%至14%的范围。
一种方法或一种光电元器件,其特征在于,所述层具有大于80%的驰豫度和/或位错密度小于105cm-2和/或晶格缺陷位置被限于与衬底或与缓冲层的边界层附近的区域,特别地限于与所述边界层相邻10nm至20nm的区域。
一种方法或一种光电元器件,其特征在于,所述层序列是布设在两个SiGeSn层之间的GeSn层。
单片式施加的集成电路,特别地微处理器,其特征在于被单片地施加在衬底或缓冲层上的根据权利要求10至13之一所述的光电子元器件。
所有公开的特征(单独地,但也可以彼此组合)都是本发明必不可少的特征。在本申请的公开中,相关联的/所附的优先权文件(在先申请的副本)的公开内容在此也被全部包括,也为了将这些文件的特征并入本申请的权利要求中。从属权利要求通过它们的特征凸显了对现有技术的独立的发明改进,特别是以便在这些权利要求的基础上进行分案申请。
附图标记单
1 进气机构
2 出气口
3 工艺腔
4 衬底
5 承受器
6 加热器
7 ----------
8 ----------
9 ----------
10 ----------
11 硅-衬底
12 Ge-缓冲层
13 层序列
14 层序列
15 层序列
d 层厚度
Claims (16)
1.用于沉积单晶的由至少第一元素(A)和第二元素(B)构成的半导体层的方法,其中,将第一元素(A)作为第一气态原料的组分,尤其是氢化物的组分,并且第二元素(B)作为第二气态原料的组分,尤其是卤化物的组分,与由惰性气体构成的载气,特别是N2、Ar、He一起供入到CVD反应器的工艺腔(3)中,其中由所述第一原料形成自由基,将所述自由基与第二原料引至半导体衬底的表面,所述半导体衬底被加热至比纯的自由基的分解温度低的衬底温度,其中,所述自由基在第一反应中与第二原料、特别地与卤化物在所述表面上发生放热反应,其中作为反应产物,第一元素(A)的原子和第二元素(B)的原子保留在所述表面上并且所述自由基在与第一反应同时的第二反应中通过接收在第一反应中释放的热而发生吸热分解,其中第一元素(A)的原子保留在所述表面上,其中衬底温度足够高,以使第一元素(A)和第二元素(B)的原子以晶体排列在所述表面上嵌入。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,第一元素(A)是V-主族的元素,例如,砷、磷、锑、或氮,第二元素(B)是III-主族的元素,例如,铝、镓或铟,或者第一元素(A)是IV-主族的元素,例如,碳、硅或锗,第二元素(B)是IV-主族的元素,例如,碳、硅、锗或锡,或者第一元素(A)是VI-主族的元素,第二元素(B)是II-主族的元素。
3.根据前述权利要求之一所述的方法,其特征在于,所述自由基通过将第一气态原料供入工艺腔中时从大于1000毫巴的压力到小于300毫巴的工艺腔压力的气动降压来产生。
4.一种用于在IV-衬底、尤其是硅衬底或锗衬底上单片式沉积IV-IV层、尤其是GeSn或SiGeSn层的方法,所述层是单晶的、受激发光、由IV-主族的多种元素组成并且具有小于106cm-2的位错密度,该方法具有以下步骤:
-提供第一IV族元素(A)的氢化物,例如Ge2H6或Si2H6;
-提供第二IV族元素(B)的卤化物,例如SnCl4;
-加热所述衬底至衬底温度,所述衬底温度低于纯的氢化物或由所述氢化物形成的自由基的分解温度,并且高得足以使第一元素(A)和第二元素(B)的原子以晶体排列嵌入到所述表面中,其中所述衬底温度特别地处于300℃至475℃的范围;
-由惰性载气,特别是N2、Ar、He产生载气流,所述惰性载气尤其不是H2;
-将所述氢化物和所述卤化物以及由其形成的分解产物在最大300毫巴的总压力下输送至所述表面;
-沉积具有至少200nm的厚度的IV-IV层或由同类的IV-IV层组成的层序列,其中,所沉积的层尤其为SiyGe1-x-ySn层,x>0.08且y≤1。
5.根据权利要求1至4之一所述的方法,其特征在于,所述氢化物为Ge2H6和/或Si2H6并且以60Pa至120Pa的分压供入到工艺腔中。
6.根据权利要求1至5之一所述的方法,其特征在于,所述卤化物为SnCl4并且以所述氢化物分压的0.1%至5%的分压,特别地以0.03Pa至1.25Pa的分压供入到工艺腔中。
7.根据权利要求1至6之一所述的方法,其特征在于,将所述层或所述层序列沉积在被施加于Si-衬底上的Ge-缓冲层上。
8.根据权利要求1至7之一所述的方法,其特征在于,所述衬底温度处于350℃至390℃的范围。
9.根据权利要求1至8之一所述的方法,其特征在于,所述层或层序列的沉积以15nm/min至50nm/min的生长速率进行。
10.一种光电子元器件,例如激光器、光电二极管、光电传感器、光电元件、光导或类似元器件,其具有被外延地沉积在IV-衬底,特别地Ge-或Si-衬底上的IV-IV层,尤其是GeSn-或SiGeSn层,该层是单晶的、受激发光、由IV-主族的多种元素的合金组成并且具有小于106cm-2的位错密度,其中所述层或具有所述层的由多个同类的IV-IV层组成的层序列具有至少200nm,优选地至少300nm的厚度。
11.根据权利要求1至9之一所述的方法或者根据权利要求10所述的光电子元器件,其特征在于,所述层为GeSn层或SiGeSn层并且Sn含量处于8%至20%的范围,优选地大于10%,特别优选地处于10%至14%的范围。
12.根据前述权利要求之一所述的方法或者根据权利要求10或11所述的光电子元器件,其特征在于,所述层具有大于80%的驰豫度和/或位错密度小于105cm-2和/或晶格缺陷位置被限于衬底或缓冲层的边界层附近的区域,特别地限于与所述边界层相邻10nm至20nm的区域。
13.根据前述权利要求之一所述的方法或者根据权利要求10至12之一所述的光电子元器件,其特征在于,所述层序列是布设在两个SiGeSn层之间的GeSn层。
14.一种施加在衬底上的集成电路,特别地微处理器,其特征在于被单片地施加在衬底或与所述衬底形成单片式复合体的缓冲层上的根据权利要求10至13之一所述的光电子元器件。
15.根据权利要求1至4之一所述的方法,其特征在于,氢化物为NH3或NH2R,其中R为有机残基,卤化物为GaCl4。
16.一种方法或元器件,其特征在于前述权利要求之一所述的一个或多个特征。
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