CN115084308B - 锗衬底-砷化镓/锗异质结薄膜复合结构及其制法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种锗衬底‑砷化镓/锗异质结薄膜复合结构，其包括具有图形结构的锗衬底、位于所述锗衬底上的具有无原子台阶锗表面的锗层，以及位于所述锗层上的砷化镓层。本发明还提供一种制备本发明的锗衬底‑砷化镓/锗异质结薄膜复合结构的方法。本发明还提供本发明的锗衬底‑砷化镓/锗异质结薄膜复合结构或本发明的方法制得的锗衬底‑砷化镓/锗异质结薄膜复合结构在锗基III‑V族半导体光电器件中的应用。本发明的锗衬底‑砷化镓/锗异质结薄膜复合结构能够完全避免砷化镓/锗异质结构中反向畤的产生，进而实现无缺陷的异质结薄膜。本发明的制备方法简单，且能够实现大规模阵列式可控生长。
Description
技术领域
本发明属于材料领域。具体地，本发明涉及一种锗衬底-砷化镓/锗异质结薄膜复合结构及其制法和应用。
背景技术
III-V族半导体材料由于其优秀的光电性质，被广泛应用于半导体激光器、光电探测器和高迁移率晶体管器件。生长高质量的砷化镓/锗异质结薄膜，为在工艺成熟的IV族基底上直接外延砷化镓基光电器件提供了重要技术途径。砷化镓/锗薄膜结构由于其本身独特的能带排列和光吸收性质，被广泛应用于太阳能电池。得益于砷化镓的高电子迁移率和锗的高空穴迁移率，砷化镓/锗异质结也被应用于高效率互补式金属氧化物半导体(CMOS)器件。上述半导体器件的性能直接受到砷化镓/锗薄膜质量的影响，然而在锗上直接外延砷化镓存在反向畤(APD)问题。学界与工业界十分关注高效消灭反向畤的技术方法。
现有技术中，制备高质量砷化镓/锗异质结薄膜的主要方法是在斜切锗衬底上分子束外延(MBE)生长砷化镓，通过形成锗表面双原子台阶来抑制异质结界面反相畴的产生，诱导反向畤快速湮灭。该种方法需要先在锗衬底上进行退火形成双原子台阶，再利用表面迁移增强外延(MEE)方法生长砷化镓，且需要生长500nm以上厚度的砷化镓薄膜才能获得高质量的平整表面，其厚度与繁琐的步骤加大了制备工艺难度，限制了其在半导体领域的应用前景。
现有技术获得砷化镓/锗异质结薄膜，存在的问题主要包括：
1.砷化镓/锗异质结薄膜的异质结界面存在缺陷，进而影响器件的性能；
2.砷化镓/锗异质结薄膜中的砷化镓薄膜厚度非常厚，限制了其在超薄器件上的应用；
3.现有的制备砷化镓/锗异质结薄膜的方法的步骤繁琐，加大了时间成本和源材料成本。
因此，目前急需一种节约成本、制备方法简单且无缺陷的砷化镓/锗异质结薄膜。
发明内容
本发明的目的是提供一种锗衬底-砷化镓/锗异质结薄膜复合结构，该复合结构能够完全避免砷化镓/锗异质结构中反向畤的产生，进而实现无缺陷的异质结薄膜。本发明的另一目的是提供制备本发明的锗衬底-砷化镓/锗异质结薄膜复合结构的方法。本发明的又一目的是提供本发明的锗衬底-砷化镓/锗异质结薄膜复合结构在III-V族半导体光电器件中的应用。
本发明的上述目的是通过以下技术方案实现的。
在本发明上下文中，术语“方块状平台”包括正方体和长方体。
在本发明上下文中，术语“锗衬底的[1-10]方向”是指垂直于锗衬底的[110]方向的方向。
第一方面，本发明提供一种锗衬底-砷化镓/锗异质结薄膜复合结构，其包括具有图形结构的锗衬底、位于所述锗衬底上的具有无原子台阶锗表面的锗层，以及位于所述锗层上的砷化镓层。
优选地，在本发明所述的锗衬底-砷化镓/锗异质结薄膜复合结构中，所述锗衬底的晶面为(001)晶面。
优选地，在本发明所述的锗衬底-砷化镓/锗异质结薄膜复合结构中，所述图形结构具有平行于所述锗衬底的[110]方向上的尺寸为1-8μm且平行于所述锗衬底的[1-10]方向上的尺寸为1-8μm的图形。
优选地，在本发明所述的锗衬底-砷化镓/锗异质结薄膜复合结构中，所述图形结构具有平行于所述锗衬底的[110]方向上的尺寸为4-5μm且平行于所述锗衬底的[1-10]方向上的尺寸为4-5μm的图形。
优选地，在本发明所述的锗衬底-砷化镓/锗异质结薄膜复合结构中，所述图形结构包括多个相同或者不同的图形。
优选地，在本发明所述的锗衬底-砷化镓/锗异质结薄膜复合结构中，所述图形结构包括周期性排列的或者非周期性排列的多个图形。
优选地，在本发明所述的锗衬底-砷化镓/锗异质结薄膜复合结构中，所述图形结构的相邻图形之间的上表面间距为200-5000nm。
优选地，在本发明所述的锗衬底-砷化镓/锗异质结薄膜复合结构中，所述图形结构中的图形是方块状平台、圆柱体平台、截头圆锥体平台或截头棱锥体平台。
优选地，在本发明所述的锗衬底-砷化镓/锗异质结薄膜复合结构中，当所述图形结构具有周期性排列的多个图形时，图形结构的周期为1200-15000nm，更优选为4000-6000nm。
优选地，在本发明所述的锗衬底-砷化镓/锗异质结薄膜复合结构中，所述图形结构的高度为50-300nm，更优选为80-120nm。
优选地，在本发明所述的锗衬底-砷化镓/锗异质结薄膜复合结构中，所述无原子台阶锗表面在平行于所述锗衬底的[110]方向上的尺寸为1-5μm且在平行于所述锗衬底的[1-10]方向上的尺寸为1-5μm。
优选地，在本发明所述的锗衬底-砷化镓/锗异质结薄膜复合结构中，所述无原子台阶锗表面在平行于所述锗衬底的[110]方向上的尺寸为3.5-5μm且在平行于所述锗衬底的[1-10]方向上的尺寸为3.5-5μm。
优选地，在本发明所述的锗衬底-砷化镓/锗异质结薄膜复合结构中，所述砷化镓层的厚度为20-120nm，更优选为100-120nm。
优选地，在本发明所述的锗衬底-砷化镓/锗异质结薄膜复合结构中，所述无原子台阶锗表面为c(4×2)重构表面。
优选地，在本发明所述的图形锗衬底-砷化镓/锗异质结薄膜复合结构中，具有锗层的图形结构的侧壁面的切线与无原子台阶锗表面的夹角为3°-15°，优选为5°-6°。
第二方面，本发明提供一种制备本发明的锗衬底-砷化镓/锗异质结薄膜复合结构的方法，其包括以下步骤：
(1)在锗衬底上形成图形结构；
(2)在具有图形结构的锗衬底表面上外延生长锗材料，以形成具有无原子台阶锗表面的锗层；
(3)在所述锗层上外延生长砷化镓层。
优选地，在本发明所述的方法中，所述步骤(1)中的在锗衬底上形成图形结构是通过包括如下步骤的方法进行的：
在所述锗衬底表面外延生长二氧化硅硬掩膜，然后在所述二氧化硅硬掩膜上旋涂抗刻蚀剂，之后利用激光直写技术在所述抗刻蚀剂上形成图形结构；
然后利用电感耦合等离子体反应离子刻蚀技术将位于所述抗刻蚀剂上的图形结构转移到所述二氧化硅硬掩膜上；
随后利用湿法腐蚀方法将位于所述二氧化硅硬掩膜上的图形结构转移到所述锗衬底上，最后利用氢氟酸去除所述二氧化硅硬掩膜。
优选地，在本发明所述的方法中，所述步骤(2)中的外延生长锗材料是通过包括如下步骤的方法进行的：
采用分子束外延生长技术于500-690℃，优选670-690℃下，在具有图形结构的锗衬底表面上外延生长锗层。
优选地，在本发明所述的方法中，所述步骤(3)中的外延生长砷化镓层是通过包括如下步骤的方法进行的：
采用分子束外延生长技术于460-580℃，优选560-580℃下，生长速率为0.06-1nm/s，优选为0.06-0.07nm/s下，在所述锗层上外延生长砷化镓层。
第三方面，本发明提供本发明的锗衬底-砷化镓/锗异质结薄膜复合结构或本发明的方法制得锗衬底-砷化镓/锗异质结薄膜复合结构在锗基III-V族半导体光电器件中的应用。
在本发明的具体实施方案中，所述步骤(1)中的在锗衬底上形成图形结构是通过包括如下步骤的方法进行的：在所述锗衬底表面外延生长二氧化硅薄膜硬掩膜，在硬掩膜上旋涂抗刻蚀剂(聚甲基丙烯酸甲酯，PMMA)，利用激光直写技术在所述抗刻蚀剂上形成周期性凹槽结构；然后利用电感耦合等离子体反应离子刻蚀技术将周期性凹槽结构转移到所述二氧化硅硬掩膜上，随后利用氧等离子体去除所述硬掩膜表面上的残余抗刻蚀剂；然后利用湿法腐蚀方法将周期性凹槽结构转移到所述锗衬底，最后利用氢氟酸浸泡漂洗去除所述二氧化硅硬掩膜。
本发明具有如下有益效果：
(1)在本发明提供的锗衬底-砷化镓/锗异质结薄膜复合结构中，砷化镓/锗异质结薄膜的界面处不存在原子台阶，这完全阻止了反向畤的产生。完美的异质结界面使得界面缺陷相关的堆垛层错和穿透位错也被避免。本发明提供的锗衬底-砷化镓/锗异质结薄膜复合结构实现了无缺陷的砷化镓/锗异质结薄膜，有利于相关光电器件的性能提高。
(2)本发明利用锗衬底上的图形结构，实现了锗衬底上无缺陷砷化镓/锗异质结薄膜的有序生长。本发明的制备方法简单，且能够实现大规模阵列式可控生长，同时有利于高性能锗基III-V族半导体光电器件的制备以及其阵列式集成。
(3)在本发明提供的锗衬底-砷化镓/锗异质结薄膜复合结构中，砷化镓/锗异质结薄膜的厚度减小到数十纳米尺度下依然能保持好的材料质量，这有利于高性能结构极薄器件的制备，并且为实现砷化镓/锗量子阱结构中的拓扑相变提供可能。本发明提供的锗衬底-砷化镓/锗异质结薄膜复合结构中超薄的砷化镓/锗异质结薄膜的特性对于工业界来说也降低了材料成本，并且降低了器件集成难度。
附图说明
以下，结合附图来详细说明本发明的实施方案，其中：
图1是本发明实施例1的步骤(1)中制备的表面具有周期性平台结构和凹槽结构的锗衬底的扫描电子显微镜图。
图2是本发明实施例1的步骤(2)中锗衬底表面外延生长锗层，形成无原子台阶锗表面后的表面扫描隧道显微镜图；插图为原子分辨扫描隧道显微镜图。
图3是本发明实施例1制备的砷化镓/锗异质结薄膜的表面原子力显微镜图。
图4a是本发明实施例1制备的砷化镓/锗异质结薄膜结构的截面透射电子显微镜图。
图4b是本发明实施例1制备的砷化镓/锗异质结薄膜结构的异质结界面处高分辨率透射电子显微镜图。
图5是本发明实施例1制备的砷化镓/锗异质结薄膜的扫描电子显微镜电子通道衬度成像图。
图6是本发明实施例2的步骤(2)中锗衬底表面外延生长锗层，形成无原子台阶锗表面后的表面原子力显微镜图；插图为原子分辨扫描隧道显微镜图。
图7是本发明实施例3制备的砷化镓/锗异质结薄膜的表面原子力显微镜图。
图8a是本发明实施例4制备的砷化镓/锗异质结薄膜上形成的铟砷量子点发光材料的原子力显微镜图。
图8b是本发明实施例4制备的砷化镓/锗异质结薄膜上形成的铟砷量子点发光材料的高分辨率原子力显微镜图。
图9是本发明实施例4制备的砷化镓/锗异质结薄膜上形成的铟砷量子点发光材料的荧光光谱。
图10是对比例1的步骤(2)中锗衬底表面外延生长锗层，其表面的扫描隧道显微镜图。
图11是对比例1制备的砷化镓/锗异质结薄膜的表面原子力显微镜图。
图12是对比例2的步骤(2)中锗衬底表面外延生长锗层，其表面的扫描隧道显微镜图。
图13是对比例2制备的砷化镓/锗异质结薄膜的表面原子力显微镜图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述，给出的实施例仅为了阐明本发明，而不是为了限制本发明的范围。
实施例1
本实施例用于说明本发明的锗衬底-砷化镓/锗异质结薄膜复合结构及其制备方法。
(1)在锗(001)衬底上获得具有周期性的平台与凹槽结构：
在锗(001)衬底表面利用等离子体增强化学气相沉积技术外延生长200nm二氧化硅薄膜硬掩膜，然后在硬掩膜上旋涂抗刻蚀剂(PMMA)，之后利用激光直写技术在所述抗刻蚀剂上形成周期性凹槽结构，凹槽线宽500nm。然后利用电感耦合等离子体反应离子刻蚀技术，使用三氟甲烷/氦气混合气体等离子体刻蚀二氧化硅，将周期性凹槽结构转移到所述二氧化硅硬掩膜上。利用氧等离子体去除所述硬掩膜表面上的残余抗刻蚀剂，随后利用湿法腐蚀方法将周期性凹槽结构转移到所述锗衬底，以形成上表面为4μm的正方形且高度为80nm的长方体。最后利用氢氟酸浸泡漂洗去除所述二氧化硅硬掩膜。
(2)采用分子束外延生长技术在周期性平台结构的锗(001)衬底上外延生长40nm锗层，生长温度为500℃，形成具有无原子台阶锗表面的锗层。
(3)采用分子束外延生长技术在上述锗层上外延生长120nm砷化镓层，生长速率为0.06nm/s，生长温度为580℃，形成无缺陷砷化镓/锗异质结薄膜。
图1是本发明实施例1的步骤(1)中制备的表面具有周期性平台结构和凹槽结构的锗衬底的扫描电子显微镜图。图1示出了实施例1的步骤(1)制备了具有周期性的方块状平台的锗衬底。方块状平台的上表面为正方形。正方形的边长为4μm且方块状平台的间距为500nm。图1还示出了实施例1的步骤(1)制备的表面具有周期性平台结构和凹槽结构的周期为4500nm，凹槽结构的方向为[110]与[1-10]方向。
图2是本发明实施例1的步骤(2)中锗衬底表面外延生长锗层，形成无原子台阶锗表面后的表面扫描隧道显微镜图；插图为原子分辨扫描隧道显微镜图。图2示出了实施例1的步骤(2)制备得到了具有无原子台阶锗表面的锗层，其中无原子台阶锗表面的尺寸大小为3.5×3.5μm2。插图示出了无原子台阶锗表面具有c(4×2)表面重构。
图3是本发明实施例1制得的砷化镓/锗异质结薄膜的表面原子力显微镜图。图3示出了实施例1制得的无缺陷的砷化镓/锗异质结薄膜结构，其表面粗糙度均方根值(RMS)为0.176nm。
图4a是本发明实施例1制备的砷化镓/锗异质结薄膜结构的截面透射电子显微镜图。图4b是本发明实施例1制备的砷化镓/锗异质结薄膜结构的异质结界面处高分辨率透射电子显微镜图。图4a示出了图形结构上的砷化镓/锗异质结薄膜中不存在反向畤，材料厚度均一，异质结界面清晰，并且无明显缺陷。图4b示出了异质结界面处晶体结构非常完美，没有任何缺陷。
图5是本发明实施例1制备的砷化镓/锗异质结薄膜的扫描电子显微镜电子通道衬度成像图。图5示出了图形结构上的砷化镓/锗异质结薄膜中无穿透位错、堆垛层错等界面缺陷相关位错，晶格结构完美，并且无缺陷。
实施例2
本实施例用于说明本发明步骤(2)中的锗衬底上大尺寸无原子台阶锗表面锗层及其制备方法构造。
(1)在锗(001)衬底上获得具有周期性的平台与凹槽结构：
在锗(001)衬底表面利用等离子体增强化学气相沉积技术外延生长200nm二氧化硅薄膜硬掩膜，然后在硬掩膜上旋涂抗刻蚀剂(PMMA)，之后利用激光直写技术在所述抗刻蚀剂上形成周期性凹槽结构，凹槽线宽2um。然后利用电感耦合等离子体反应离子刻蚀技术，使用三氟甲烷/氦气混合气体等离子体刻蚀二氧化硅，将周期性凹槽结构转移到所述二氧化硅硬掩膜上。利用氧等离子体去除所述硬掩膜表面上的残余抗刻蚀剂，随后利用湿法腐蚀方法将周期性凹槽结构转移到所述锗衬底，以形成上表面为5μm的正方形且高度为80nm的长方体。最后利用氢氟酸浸泡漂洗去除所述二氧化硅硬掩膜。
(2)采用分子束外延生长技术在周期性平台结构的锗(001)衬底上外延生长40nm锗层，生长温度为680℃，形成具有无原子台阶锗表面的锗层。
图6是本发明实施例2的步骤(2)中锗衬底表面外延生长锗层，形成无原子台阶锗表面后的表面原子力显微镜图；插图为原子分辨扫描隧道显微镜图。图6示出了实施例2的步骤(2)制备得到了具有无原子台阶锗表面的锗层，其中无原子台阶锗表面的尺寸大小为5×5μm2。插图示出了无原子台阶锗表面具有c(4×2)表面重构。
实施例3
本实施例用于说明本发明的锗衬底-砷化镓/锗异质结薄膜复合结构及其制备方法。
(1)在锗(001)衬底上获得具有周期性的平台与凹槽结构：
在锗(001)衬底表面利用等离子体增强化学气相沉积技术外延生长200nm二氧化硅薄膜硬掩膜，然后在硬掩膜上旋涂抗刻蚀剂(PMMA)，之后利用激光直写技术在所述抗刻蚀剂上形成周期性凹槽结构，凹槽线宽500nm。然后利用电感耦合等离子体反应离子刻蚀技术，使用三氟甲烷/氦气混合气体等离子体刻蚀二氧化硅，将周期性凹槽结构转移到所述二氧化硅硬掩膜上。利用氧等离子体去除所述硬掩膜表面上的残余抗刻蚀剂，随后利用湿法腐蚀方法将周期性凹槽结构转移到所述锗衬底，以形成上表面为2μm的正方形且高度为80nm的长方体。最后利用氢氟酸浸泡漂洗去除所述二氧化硅硬掩膜。
(2)采用分子束外延生长技术在周期性平台结构的锗(001)衬底上外延生长40nm锗层，生长温度为500℃，形成具有无原子台阶锗表面的锗层。
(3)采用分子束外延生长技术在上述锗层上外延生长40nm砷化镓层，生长速率为0.06nm/s，生长温度为580℃，形成无缺陷砷化镓/锗异质结薄膜。
图7是本发明实施例3制备的砷化镓/锗异质结薄膜的表面原子力显微镜图。图7示出了制得的厚度超薄的无缺陷砷化镓/锗异质结薄膜结构，其尺寸大小2×2μm2，表面粗糙度均方根值为0.233nm。
实施例4
本实施例用于说明本发明的锗衬底-砷化镓/锗异质结薄膜复合结构在III-V族铟砷量子点荧光发光器件上的应用。
(1)在锗(001)衬底上获得具有周期性的平台与凹槽结构：
在锗(001)衬底表面利用等离子体增强化学气相沉积技术外延生长200nm二氧化硅薄膜硬掩膜，然后在硬掩膜上旋涂抗刻蚀剂(PMMA)，之后利用激光直写技术在所述抗刻蚀剂上形成周期性凹槽结构，凹槽线宽500nm。然后利用电感耦合等离子体反应离子刻蚀技术，使用三氟甲烷/氦气混合气体等离子体刻蚀二氧化硅，将周期性凹槽结构转移到所述二氧化硅硬掩膜上。利用氧等离子体去除所述硬掩膜表面上的残余抗刻蚀剂，随后利用湿法腐蚀方法将周期性凹槽结构转移到所述锗衬底，以形成上表面为4μm的正方形且高度为80nm的长方体。最后利用氢氟酸浸泡漂洗去除所述二氧化硅硬掩膜。
(2)采用分子束外延生长技术在周期性平台结构的锗(001)衬底上外延生长40nm锗层，生长温度为500℃，形成具有无原子台阶锗表面的锗层。
(3)采用分子束外延生长技术在上述锗层上外延生长40nm砷化镓层，生长速率为0.06nm/s，生长温度为580℃，形成无缺陷砷化镓/锗异质结薄膜。
(4)采用分子束外延生长技术在上述砷化镓/锗异质结薄膜上通过依次生长1.5nm铟镓砷薄膜，0.81nm铟砷薄膜和6nm铟镓砷薄膜(铟：镓组分摩尔比为17：83)，外延生长出自组装铟砷量子点发光材料。形成平台结构上的铟砷量子点荧光发光器件。
图8a是本发明实施例4制备的砷化镓/锗异质结薄膜上形成的铟砷量子点发光材料的原子力显微镜图。图8b是本发明实施例4制备的砷化镓/锗异质结薄膜上形成的铟砷量子点发光材料的高分辨率原子力显微镜图。图8a示出了实施例4制备得到了平台结构上的无缺陷铟砷量子点荧光发光材料，其尺寸大小4×4μm2。图8b示出了制备得到的铟砷量子点密度分布与形状大小均一，密度为4.5×1010/cm2，横向尺寸50nm，高度10nm。
图9是本发明实施例4制备的砷化镓/锗异质结薄膜上形成的铟砷量子点发光材料的荧光光谱。图9示出了实施例4制备得到了高质量铟砷量子点荧光发光材料，其荧光光谱主峰位于1280nm波长。
对比例1
本对比例用于说明本发明的锗衬底-砷化镓/锗异质结薄膜复合结构中锗衬底上图形结构尺寸大于8μm时，步骤(2)中无原子台阶锗表面无法获得，导致高质量无缺陷砷化镓/锗异质结薄膜无法形成。
(1)在锗(001)衬底上获得具有周期性的平台与凹槽结构：
在锗(001)衬底表面利用等离子体增强化学气相沉积技术外延生长200nm二氧化硅薄膜硬掩膜，然后在硬掩膜上旋涂抗刻蚀剂(PMMA)，之后利用激光直写技术在所述抗刻蚀剂上形成周期性凹槽结构，凹槽线宽500nm。然后利用电感耦合等离子体反应离子刻蚀技术，使用三氟甲烷/氦气混合气体等离子体刻蚀二氧化硅，将周期性凹槽结构转移到所述二氧化硅硬掩膜上。利用氧等离子体去除所述硬掩膜表面上的残余抗刻蚀剂，随后利用湿法腐蚀方法将周期性凹槽结构转移到所述锗衬底，以形成上表面为10μm的正方形且高度为80nm的长方体。最后利用氢氟酸浸泡漂洗去除所述二氧化硅硬掩膜。
(2)采用分子束外延生长技术在周期性平台结构的锗(001)衬底上外延生长40nm锗层，生长温度为500℃。
(3)采用分子束外延生长技术在上述锗层上外延生长120nm砷化镓层，生长速率为0.06nm/s，生长温度为580℃，形成砷化镓/锗异质结薄膜。
图10是本发明对比例1的步骤(2)中锗衬底表面外延生长锗层，表面的扫描隧道显微镜图。图10示出了平行于所述锗衬底的[110]方向上的尺寸大于8μm且平行于所述锗衬底的[1-10]方向上的尺寸大于8μm时，无原子台阶锗表面的锗层无法获得。
图11是本发明对比例1制备的砷化镓/锗异质结薄膜的表面原子力显微镜图。图11示出了对比例1制备的砷化镓/锗异质结薄膜的表面具有环形闭合的反向畤结构。
对比例2
本对比例用于说明本发明的锗衬底-砷化镓/锗异质结薄膜复合结构中，步骤(2)中锗表面具有原子台阶时，高质量无缺陷砷化镓/锗异质结薄膜无法形成。
(1)在锗(001)衬底上获得具有周期性的平台与凹槽结构：
在锗(001)衬底表面利用等离子体增强化学气相沉积技术外延生长200nm二氧化硅薄膜硬掩膜，然后在硬掩膜上旋涂抗刻蚀剂(PMMA)，之后利用激光直写技术在所述抗刻蚀剂上形成周期性凹槽结构，凹槽线宽500nm。然后利用电感耦合等离子体反应离子刻蚀技术，使用三氟甲烷/氦气混合气体等离子体刻蚀二氧化硅，将周期性凹槽结构转移到所述二氧化硅硬掩膜上。利用氧等离子体去除所述硬掩膜表面上的残余抗刻蚀剂，随后利用湿法腐蚀方法将周期性凹槽结构转移到所述锗衬底，以形成上表面为4μm的正方形且高度为80nm的长方体。最后利用氢氟酸浸泡漂洗去除所述二氧化硅硬掩膜。
(2)采用分子束外延生长技术在周期性平台结构的锗(001)衬底上外延生长40nm锗层，构造具有原子台阶的表面。
(3)采用分子束外延生长技术在上述锗层上外延生长120nm砷化镓层，生长速率为0.06nm/s，生长温度为580℃，形成砷化镓/锗异质结薄膜。
图12是本发明对比例2的步骤(2)中锗衬底表面外延生长锗层，表面的扫描隧道显微镜图。图12示出了锗表面有原子台阶的锗层。
图13是本发明对比例2制备的砷化镓/锗异质结薄膜的表面原子力显微镜图。图13示出了对比例2制备的砷化镓/锗异质结薄膜的表面具有大量无规则反向畤结构。
Claims (23)
1.一种锗衬底-砷化镓/锗异质结薄膜复合结构，其包括具有图形结构的锗衬底、位于所述锗衬底上的具有无原子台阶锗表面的锗层，以及位于所述锗层上的砷化镓层；
其中，所述图形结构具有周期性的平台与凹槽结构；
所述锗衬底的晶面为(001)晶面。
2.根据权利要求1所述的锗衬底-砷化镓/锗异质结薄膜复合结构，其中，所述图形结构具有平行于所述锗衬底的[110]方向上的尺寸为1-8μm且平行于所述锗衬底的[1-10]方向上的尺寸为1-8μm的图形。
3.根据权利要求2所述的锗衬底-砷化镓/锗异质结薄膜复合结构，其中，所述图形结构具有平行于所述锗衬底的[110]方向上的尺寸为4-5μm且平行于所述锗衬底的[1-10]方向上的尺寸为4-5μm的图形。
4.根据权利要求1所述的锗衬底-砷化镓/锗异质结薄膜复合结构，其中，所述图形结构的相邻图形之间的上表面间距为200-5000nm。
5.根据权利要求1所述的锗衬底-砷化镓/锗异质结薄膜复合结构，其中，所述图形结构中的平台是方块状平台、圆柱体平台、截头圆锥体平台或截头棱锥体平台。
6.根据权利要求1所述的锗衬底-砷化镓/锗异质结薄膜复合结构，其中，图形结构的周期为1200-15000nm。
7.根据权利要求6所述的锗衬底-砷化镓/锗异质结薄膜复合结构，其中，图形结构的周期为4000-6000nm。
8.根据权利要求1所述的锗衬底-砷化镓/锗异质结薄膜复合结构，其中，所述图形结构的高度为50-300nm。
9.根据权利要求8所述的锗衬底-砷化镓/锗异质结薄膜复合结构，其中，所述图形结构的高度为80-120nm。
10.根据权利要求1所述的锗衬底-砷化镓/锗异质结薄膜复合结构，其中，所述无原子台阶锗表面在平行于所述锗衬底的[110]方向上的尺寸为1-5μm且在平行于所述锗衬底的[1-10]方向上的尺寸为1-5μm。
11.根据权利要求10所述的锗衬底-砷化镓/锗异质结薄膜复合结构，其中，所述无原子台阶锗表面在平行于所述锗衬底的[110]方向上的尺寸为3.5-5μm且在平行于所述锗衬底的[1-10]方向上的尺寸为3.5-5μm。
12.根据权利要求1所述的锗衬底-砷化镓/锗异质结薄膜复合结构，其中，所述砷化镓层的厚度为20-120nm。
13.根据权利要求12所述的锗衬底-砷化镓/锗异质结薄膜复合结构，其中，所述砷化镓层的厚度为100-120nm。
14.根据权利要求1所述的锗衬底-砷化镓/锗异质结薄膜复合结构，其中，所述无原子台阶锗表面为c(4×2)重构表面。
15.根据权利要求1所述的锗衬底-砷化镓/锗异质结薄膜复合结构，其中，具有锗层的图形结构的侧壁面的切线与无原子台阶锗表面的夹角为3°-15°。
16.根据权利要求15所述的锗衬底-砷化镓/锗异质结薄膜复合结构，其中，具有锗层的图形结构的侧壁面的切线与无原子台阶锗表面的夹角为5°-6°。
17.一种制备权利要求1-16中任一项所述的锗衬底-砷化镓/锗异质结薄膜复合结构的方法，其包括以下步骤：
(1)在锗衬底上形成图形结构；
(2)在具有图形结构的锗衬底表面上外延生长锗材料，以形成具有无原子台阶锗表面的锗层；
(3)在所述锗层上外延生长砷化镓层。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述步骤(1)中的在锗衬底上形成图形结构是通过包括如下步骤的方法进行的：
在所述锗衬底表面外延生长二氧化硅硬掩膜，然后在所述二氧化硅硬掩膜上旋涂抗刻蚀剂，之后利用激光直写技术在所述抗刻蚀剂上形成图形结构；
然后利用电感耦合等离子体反应离子刻蚀技术将位于所述抗刻蚀剂上的图形结构转移到所述二氧化硅硬掩膜上；
随后利用湿法腐蚀方法将位于所述二氧化硅硬掩膜上的图形结构转移到所述锗衬底上，最后利用氢氟酸去除所述二氧化硅硬掩膜。
19.根据权利要求17所述的方法，其中，所述步骤(2)中的外延生长锗材料是通过包括如下步骤的方法进行的：
采用分子束外延生长技术于500-690℃下，在具有图形结构的锗衬底表面上外延生长锗层。
20.根据权利要求17所述的方法，其中，所述步骤(2)中的外延生长锗材料是通过包括如下步骤的方法进行的：
采用分子束外延生长技术于670-690℃下，在具有图形结构的锗衬底表面上外延生长锗层。
21.根据权利要求17所述的方法，其中，所述步骤(3)中的外延生长砷化镓层是通过包括如下步骤的方法进行的：
采用分子束外延生长技术于460-580℃下，生长速率为0.06-1nm/s下，在所述锗层上外延生长砷化镓层。
22.根据权利要求17所述的方法，其中，所述步骤(3)中的外延生长砷化镓层是通过包括如下步骤的方法进行的：
采用分子束外延生长技术于560-580℃下，生长速率为0.06-0.07nm/s下，在所述锗层上外延生长砷化镓层。
23.权利要求1-16中任一项所述的锗衬底-砷化镓/锗异质结薄膜复合结构或权利要求17-22中任一项所述的方法制得的锗衬底-砷化镓/锗异质结薄膜复合结构在锗基III-V族半导体光电器件中的应用。
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