CN111312807B - 硅基iv族合金条及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种硅基Ⅳ族合金条及其制备方法，该硅基Ⅳ族合金条包括：衬底和衬底上的GeSn合金条，可实现直接带隙；其制备方法包括：清洗衬底；将清洗后的衬底送入真空生长腔室，进行脱氢脱氧处理；调节衬底温度；在衬底上共同沉积Ge原子和Sn原子，开始GeSn薄膜的外延；Sn原子和Ge原子在薄膜表面自自组装生成GeSn合金条。本发明提供的该硅基Ⅳ族合金条及其制备方法，形成的GeSn合金可以实现直接带隙，并且具有硅基兼容的特性，在硅基光源、探测器件和逻辑器件制作等方面具有极大的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及硅基光电材料技术领域，尤其涉及一种硅基Ⅳ族合金条及其制备方法。
背景技术
实现硅基光电集成，是解决传统电互联功耗、时延、I/O等问题的重要手段。寻找一种与硅兼容的直接带隙半导体材料，实现硅基高效光源具有重大的意义及应用价值。目前，可实现硅基兼容的光电材料主要是IV族材料，而其中GeSn合金可通过调节Sn的组分实现直接带隙的转变。
在GeSn的外延中，需要克服以下难点：1)Sn与Ge具有较大的晶格失配；2)Sn在Ge中较低的平衡固溶度；3)Sn具有较低的表面自由能，容易形成表面分凝和偏析现象。因此，难以外延高组分且高质量的GeSn，无法满足高效硅基发光器件制作的需求。
发明内容
本发明的主要目的在于提出一种硅基IV族合金条及其制备方法，以至少部分解决以上技术问题。
有鉴于此，本发明一方面提供了一种硅基Ⅳ族合金条，包括：衬底和衬底上的GeSn合金条，实现直接带隙。
一些实施例中，该衬底为硅衬底、锗衬底或硅上的锗虚衬底；
一些实施例中，该衬底的晶向为(100)，(110)或(111)；
一些实施例中，该GeSn合金条的带隙范围为0-0.66eV；
一些实施例中，通过调控GeSn合金中Sn的组分来调节该带隙。
本发明另一方面提供了一种硅基Ⅳ族合金条的制备方法，该硅基Ⅳ族合金条为上述任一GeSn合金条，其制备方法包括：
清洗衬底；
进一步的，该清洗衬底包括：
用双氧水和浓硫酸的混合溶液、氨水和双氧水的混合溶液和去离子水依次进行超声清洗；
用氢氟酸进行表面处理或者用盐酸和双氧水的混合溶液进行表面处理，实现衬底表面的氢钝化或氧化。
将清洗后的衬底送入真空生长腔室，进行脱氢脱氧处理；
一些实施例中，该脱氢脱氧处理的温度为600-900℃，时间为4-6min。
调节衬底的温度；
一些实施例中，该步骤进一步包括：在衬底沉积Ge和Sn原子之前，将衬底的温度降至160-200℃。
在衬底上共同沉积Ge原子和Sn原子，开始GeSn薄膜的外延，在外延过程中，Ge原子和Sn原子在衬底表面自组装生成GeSn合金条；
一些实施例中，该GeSn薄膜的外延的方法包括采用分子束外延、磁控溅射、电子束蒸发或化学气相沉积中的一种或多种的组合。
本发明提供的该硅基IV族合金条及其制备方法，具有以下有益效果：
(1)GeSn合金条可以实现直接带隙，并且与硅基CMOS工艺兼容；
(2)条形结构更加有利于应力的释放，相对与同组分的GeSn薄膜，制备的GeSn合金条具有更好的晶体质量；
(3)本发明实现的GeSn合金条为硅基发光、探测和逻辑器件提供了一种新型材料，有望在硅基光电子领域发挥重大的作用。
附图说明
图1为本发明实施例中自组装GeSn合金条能带转变的示意图；
图2为本发明实施例中GeSn条形成过程的示意图；
图3为本发明实施例中GeSn条的显微镜照片；
图4为本发明实施例中X射线衍射(XRD)图。
图中：
Si(001)衬底1 Ge缓冲层2
GeSn薄膜3 GeSn条4
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
有鉴于此，本发明提供了一种新型自组装硅基IV族合金条，请参照图1，内容如下：
新型硅基IV族合金条是在衬底上同时沉积Ge和Sn原子时，由于Sn的分凝和GeSn薄膜的应力释放自组装而成的GeSn合金条，通过对衬底温度的改变，可以实现对GeSn条中Sn组分的调控，从而使Γ能谷下降的速度大于L能谷下降的速度，最终实现直接带隙的GeSn合金材料。具体地：
本发明一实施例提供了一种新型自组装硅基IV族合金条，具体为GeSn合金条，该材料可实现直接带隙，且与硅基CMOS工艺兼容，有望在硅基光电子领域发挥重大的作用。
一些实施例中，该GeSn合金条的带隙范围为0-0.66eV。
一些实施例中，通过调控GeSn合金中Sn的组分来调节该带隙。
本实施例提供的该GeSn合金条，再请参照图1，其实现直接带隙的原理如下：
在Ge中引入Sn原子，可使得Γ能谷(直接带隙)下降的速度大于L能谷(间接带隙)下降的速度，进而成为直接带隙材料。
本发明另一实施例还提供了一种硅基IV族(具体地为GeSn)合金条的制备方法，其包括以下步骤：
步骤1：取衬底，对其进行清洗。具体地，该步骤包括：
首先用双氧水和浓硫酸的混合溶液、氨水和双氧水的混合溶液和去离子水依次进行超声清洗；
最后用稀释的氢氟酸进行表面处理，其目的是去除衬底表面的氧化层后，表面的悬挂键与氢成键，实现表面的氢钝化。
一些实施例中，其中稀释的HF也可替换为盐酸和双氧水的混合溶液，对此不受限制。
又一些实施例中，该衬底为硅衬底、锗衬底或硅上的锗虚衬底；该衬底的晶向为(100)，(110)或(111)。
步骤2：将清洗后的衬底快速送入高真空的生长腔室，之后进行脱氢脱氧处理。
一些实施例中，该脱氢脱氧处理的温度为600-900℃，时间为4-6min。
本实施例中，脱氢脱氧时的温度为850℃，时间为5min。脱氢脱氧的目的是露出洁净的衬底表面，有利于高质量自组装GeSn条在衬底表面的形成。
步骤3：调节衬底温度。具体地，该步骤进一步包括：
在衬底沉积Ge和Sn原子之前，将衬底的温度降至到180℃左右，优选地，将该温度保持在160-200℃之间。
步骤4：在衬底上共同沉积Ge、Sn原子，开始GeSn薄膜的外延，在外延过程中，Ge原子和Sn原子在衬底表面自组装生成GeSn合金条。
其中，GeSn条在GeSn薄膜的外延过程中可以完成自组装生长的原理是：由于Sn、Si和Ge之间存在较大的晶格失配，在Si衬底、Ge衬底和Ge的虚衬底上外延GeSn薄膜时，会在GeSn薄膜中引入较大的压应力。当GeSn薄膜的外延厚度超过临界厚度后，压应力的释放会导致薄膜质量的劣化，进一步在合适的外延温度下，GeSn薄膜的应力释放会导致Sn在薄膜的表面发生分凝，这些分凝出的Sn汇聚成Sn球并在薄膜的表面运动，吸收其运动路径上的GeSn薄膜材料，并在其后端生成高质量的GeSn合金条。
一些实施例中，该GeSn薄膜的外延方法可采用分子束外延、磁控溅射、电子束蒸发或化学气相沉积中的一种或其多种的组合。
本发明又一具体实施例提供了一种自组装GeSn合金条的制备方法，请参照图2-图4，包括以下步骤：
步骤1：取硅(001)衬底1，对其依次用双氧水和浓硫酸的混合溶液、氨水和双氧水的混合溶液和去离子水超声清洗各10min，最后用10％的氢氟酸溶液浸泡30s，最后用去离子水浸没冲洗6min，在去除表面的氧化硅后，实现表面氢钝化；
步骤2：将清洗后的硅片用匀胶机甩干后，送入高真空的生长腔室，进行脱氧脱氢处理，温度为850℃，时间为5min；
步骤3：将衬底温度调节到350℃，在衬底上沉积Ge原子，沉积厚度为90nm，后将衬底温度调节到700℃，继续在衬底上沉积Ge原子，沉积厚度为200nm，步骤3的目的是在Si衬底上外延Ge的虚衬底2，如图2中(a)；
步骤4：将衬底的温度调节到160℃；
步骤5：采用分子束外延的方法，在Ge的虚衬底2上共同沉积Ge和Sn原子，开始GeSn薄膜3的外延。GeSn薄膜3的应力释放会导致Sn在薄膜的表面发生分凝，这些分凝出的Sn汇聚成Sn球并在薄膜的表面运动，吸收其运动路径上的GeSn薄膜材料，并在其后端生成高质量的GeSn合金条4，如图2中(b)-(d)。
至此，完成本实施例中GeSn合金条的制备，如图3所示，且条形结构更加有利于应力的释放，相对与同组分的GeSn薄膜，制备的GeSn合金条具有更好的晶体质量。
实验证明，在GeSn条的自组装过程中，Sn可以通过非平衡生长溶入Ge的晶格中，形成的GeSn合金可以实现直接带隙，在硅基光源、探测器件和逻辑器件制作等方面具有极大的应用前景。
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，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 (8)
1.一种硅基IV族合金条，其特征在于，包括：衬底和衬底上的GeSn合金条，实现直接带隙，其中，所述衬底为硅衬底、锗衬底或硅上的锗虚衬底，所述衬底的晶向为(100)，(110)或(111)；所述GeSn合金条为在衬底上同时沉积Ge原子和Sn原子时，由于Sn的分凝和GeSn薄膜的应力释放自组装而成的GeSn合金条，包括分凝出的Sn汇聚成Sn球并在薄膜的表面运动，吸收其运动路径上的GeSn薄膜材料，生成所述GeSn合金条。
2.根据权利要求1所述的硅基IV族合金条，其特征在于，所述GeSn合金条的带隙范围为0-0.66eV。
3.根据权利要求1所述的硅基IV族合金条，其特征在于，通过调控GeSn合金条 中Sn的组分来调节带隙。
4.一种硅基IV族合金条的制备方法，其特征在于，所述硅基IV族合金条为权利要求1至3中任一所述的GeSn合金条，其制备方法包括：
清洗衬底；
将清洗后的所述衬底送入真空生长腔室，进行脱氢脱氧处理；
调节所述衬底的温度；
在所述衬底上共同沉积Ge原子和Sn原子，开始GeSn薄膜的外延，在外延过程中，Ge原子和Sn原子在衬底表面自组装生成GeSn合金条，包括分凝出的Sn汇聚成Sn球并在薄膜的表面运动，吸收其运动路径上的GeSn薄膜材料，生成所述GeSn合金条。
5.根据权利要求4所述的硅基IV族合金条的制备方法，其特征在于，所述清洗衬底包括：
用双氧水和浓硫酸的混合溶液、氨水和双氧水的混合溶液和去离子水依次进行超声清洗；
用氢氟酸进行表面处理或者用盐酸和双氧水的混合溶液进行表面处理，实现所述衬底表面的氢钝化或氧化。
6.根据权利要求4所述的硅基IV族合金条的制备方法，其特征在于，所述脱氢脱氧处理的温度为600-900℃，时间为4-6min。
7.根据权利要求4所述的硅基IV族合金条的制备方法，其特征在于，所述调节真空生长腔室中所述衬底的温度包括：
在所述衬底沉积Ge和Sn原子之前，将所述衬底的温度降至160-200℃。
8.根据权利要求4所述的硅基IV族合金条的制备方法，其特征在于，所述GeSn薄膜的外延的方法包括采用分子束外延、磁控溅射、电子束蒸发或化学气相沉积中的一种或多种的组合。
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| 绝缘衬底上锡诱导锗低温晶化制备锗锡纳米晶薄膜的研究;陈宁利;《中国优秀硕士学位论文全文数据库 工程科技Ⅰ辑》;20181015;全文 * |
| 锡自催化生长的硅基无位错锗锡条;余凯 等;《第十二届全国硅基光电子材料及器件研讨会会议论文集》;20170531;第46-47页 * |
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| Publication number | Publication date |
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| CN111312807A (zh) | 2020-06-19 |
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