CN202616233U - 张应变锗薄膜外延结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种张应变锗薄膜外延结构。该张应变锗薄膜外延结构包括衬底和依次层叠在所述衬底表面上的In_xGa_1-xAs缓冲层、含锗薄膜层；其中，0<x≤0.53。该张应变锗薄膜外延结构中的In_xGa_1-xAs缓冲层具有比含锗薄膜层大的晶格常数，且晶格常数随In组份的增加线性增加，使得生长在In_xGa_1-xAs缓冲层上的含锗薄膜层的张应变大，而且含锗薄膜层的张应变随着In含量的增加而增加，当In_xGa_1-xAs中的x为0.3时，其张应变高达到2.0%。

Description

张应变锗薄膜外延结构

技术领域

本实用新型属于半导体技术领域，具体的是涉及一种张应变锗薄膜外延结构。

背景技术

张应变能够改变半导体锗材料的能带结构，降低禁带宽度并提高载流子的迁移率。张应变锗薄膜在场效应晶体管、光电探测器、发光管以及激光器中得到了广泛的应用。

张应变锗薄膜的外延生长结构通常有两种，一是在Si衬底上生长Ge薄膜。由于Si的晶格常数比Ge的小，Ge薄膜中的张应变主要由Si和Ge热膨胀系数的不同而产生，由于热膨胀系数失配有限，且材料承受的温度最高必须低于其熔点，最大张应变仅能达到0.3%。二是在GeSn缓冲层上生长Ge薄膜。GeSn合金的晶格常数比Ge的大，共格生长在GeSn缓冲层上的Ge薄膜中的张应变随着Sn组份的增加而增加。然而，Ge和Sn的相互平衡固溶度都小于1%，并且Sn的表面自由能比Ge的小，Sn容易分凝到表面。制备高Sn组份、高质量GeSn缓冲层很困难。在GeSn缓冲层上生长Ge薄膜获得的张应变不足1.0%。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种锗薄膜张应变大的张应变锗薄膜外延结构。

本实用新型解决其技术问题采用的技术方案是：

一种张应变锗薄膜外延结构，包括衬底和依次层叠在所述衬底表面上的In_xGa_1-xAs缓冲层、含锗薄膜层；其中，0<x≤0.53。

优选地，所述In_xGa_1-xAs缓冲层包括互相层叠的In含量递变的递变层和In含量恒定的恒定层，所述递变层与所述衬底层叠，所述恒定层与含锗薄膜层层叠。

优选地，所述In_xGa_1-xAs缓冲层通过非共格生长与所述衬底层叠。

进一步优选地，所述In_xGa_1-xAs缓冲层的线位错密度低于10⁷cm^-2，表面粗糙度小于2纳米。

进一步优选地，所述In_xGa_1-xAs缓冲层的厚度大于0，小于5微米。

优选地，所述含锗薄膜层通过共格生长与所述In_xGa_1-xAs缓冲层层叠。

进一步优选地，所述含锗薄膜层的厚度为5～100纳米。

进一步优选地，所述含锗薄膜层为Si_1-yGe_y合金层或Ge_1-zSn_z层，其中，y=0.8～1或z=0～0.1。

更进一步优选地，所述含锗薄膜层为Ge单质层。

优选地，所述衬底为包括砷化镓晶圆或磷化铟晶圆。

上述张应变锗薄膜外延结构中的In_xGa_1-xAs缓冲层具有比含锗薄膜层大的晶格常数，且晶格常数随In组份的增加线性增加，使得生长在In_xGa_1-xAs缓冲层上的含锗薄膜层张应变大，而且含锗薄膜层的张应变随着In含量的增加而增加，当In_xGa_1-xAs中的x为0.3时，其张应变高达到2.0%。

附图说明

图1是本实用新型实施例一优选张应变锗薄膜外延结构的结构示意图；

图2是本实用新型实施例另一优选张应变锗薄膜外延结构的结构示意图；

图3是本实用新型实施例张应变锗薄膜外延结构中含锗薄膜层的张应变与In_xGa_1-xAs缓冲层中In的含量关系图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

本实用新型提供了一种锗薄膜张应变大的张应变锗薄膜外延结构。如图1、2所示，该张应变锗薄膜外延结构包括衬底1和依次生长在衬底1表面上的In_xGa_1-xAs缓冲层2、含锗薄膜层3；其中，0<x≤0.53。这样，该张应变锗薄膜外延结构中的In_xGa_1-xAs缓冲层2具有比含锗薄膜层3大的晶格常数，且晶格常数随In含量的增加呈线性增加，从而使得生长在In_xGa_1-xAs缓冲层2上的含锗薄膜层3张应变大。申请人将含锗薄膜层3的张应变与In_xGa_1-xAs缓冲层2中In的含量关系进行测试分析得知，分析结果见图3所示，该含锗薄膜层3的张应变随着In含量的增加而增加，如当x为0.3时，其张应变高达到2.0%。

优选地，如图2所示，作为本实用新型的实施例，上述实施例中的衬底1为砷化镓晶圆或磷化铟晶圆，该砷化镓晶圆或磷化铟晶圆更有利于In_xGa_1-xAs缓冲层2在其表面生长。该In_xGa_1-xAs缓冲层2包括互相层叠的In含量递变的递变层21和In含量恒定的恒定层22，该递变层21与衬底1层叠，恒定层22与含锗薄膜层3层叠。其中，该递变层21中的In含量递变可以使递减的递变，如当衬底1为InP衬底时，该递变层21中的In含量递变为递减的递变；该递变层21中的In含量递变还可以使递增的递变，如当衬底1为GaAs衬底时，该递变层21中的In含量递变为递增的递变。该该递变层21中的In摩尔含量递变速率优选为5～15%/微米。该优选的In_xGa_1-xAs缓冲层2结构能使得InGaAs缓冲层2中的晶体质量好，表现在位错密度低，表面平整。

进一步优选地，如图1、2所示，作为本实用新型的实施例，In_xGa_1-xAs缓冲层2是通过非共格生长在与衬底1表面上，以实现与衬底1的层叠，该In_xGa_1-xAs缓冲层2的线位错密度低于10⁷cm^-2（注：该线位错密度低于10⁷cm^-2表示的是在每平方厘米的面积上，含有10⁷个线位错），表面粗糙度小于2纳米，厚度大于0、小于5微米。其中，In_xGa_1-xAs缓冲层2是通过非共格生长，能有效的增大原子之间的间距和增大该缓冲层2中的晶格常数，从而增大含锗薄膜层3张应变；该优选的线位错密度和表面粗糙度能有效的改善张应变锗薄膜中的晶体质量和改善张应变锗薄外延结构的平整度，增大其应用范围。

优选地，如图1、2所示，作为本实用新型的实施例，上述实施例中的含锗薄膜层3通过共格生长与In_xGa_1-xAs缓冲层2层叠。其中，含锗薄膜层3的厚度优选为5～100纳米。含锗薄膜层3优选为Si_1-yGe_y合金层或Ge_1-zSn_z层，其中，y=0.8～1，z=0～0.1，更优选为Ge单质层，当锗薄膜层3为Si_1-yGe_y合金层，y=0.8～1时，含锗薄膜层3为高锗含量的Si_1-yGe_y合金层；当锗薄膜层3为Ge_1-zSn_z层，z=0～0.1时，含锗薄膜层3为高锗含量的Ge_1-zSn_z层。该优选的含锗薄膜层3能使得张应变锗薄膜外延结构具有优良的张应变。

本实用新型张应变锗薄膜外延结构可以经由以下步骤制备获得，同时请参见图1：

S01.衬底的准备：准备GaAs或者InP晶圆衬底1，采用化学方法清洗GaAs或者InP晶圆表面，去除金属、有机物等杂质，传入生长室；

S02.In_xGa_1-xAs（0<x≤0.53）缓冲层2的生长：在生长在衬底1上生长In_xGa_1-xAs（0<x≤0.53）缓冲层2；由于In_xGa_1-xAs（0<x≤0.53）缓冲层2的晶体质量直接决定了含锗薄膜层3的质量，为了高质量张应变含锗薄膜层3的生长，生长在衬底1上的In_xGa_1-xAs（0<x≤0.53）缓冲层2的应变应完全或者大部分弛豫，线位错密度低于10⁷cm^-2，表面粗糙度小于2纳米，In_xGa_1-xAs（0<x≤0.53）缓冲层2的厚度小于5微米；当衬底1为GaAs晶圆时，In_xGa_1-xAs（0<x≤0.53）缓冲层2中的In_xGa_1-xAs的x可以从0开始逐步提高In的组份，直到满足所需；当衬底1为InP晶圆时，In_xGa_1-xAs（0<x≤0.53）缓冲层2时，由于In的含量为0.53的InGaAs晶格常数与InP的匹配，可以从0.53开始逐步降低In的组份，直到满足所需；另外，In_xGa_1-xAs（0<x≤0.53）缓冲层2的生长设备包括金属氧化物化学气相沉积MOCVD、分子束外延MBE；生长源为TMGa、TMIn和AsH₃，或者为In、Ga和As固态源；

S03.含锗薄膜层3的生长。在In_xGa_1-xAs（0<x≤0.53）缓冲层2外表面生长含锗薄膜层3；为了保证共格生长，含锗薄膜层3的生长温度在300-500度；含锗薄膜层3的厚度由张应变的大小决定，张应变较大时，厚度应较薄，如含锗薄膜层3的厚度5～100纳米；含锗薄膜层3的生长设备包括超高真空化学气相沉积UHVCVD、金属氧化物化学气相沉积MOCVD、分子束外延MBE，生长源为GeH₄、Ge₂H₆、IBGe，或者Si、Ge和Sn固态源。

具体地，作为本实用新型一优选实施例，该张应变锗薄膜外延结构包括依次层叠的GaAs衬底1、In_xGa_1-xAs（0<x≤0.3）缓冲层2和含锗薄膜层3，其结构参见图2。其中，缓冲层2包括互相层叠的In摩尔含量按照10%/微米逐渐递增的递变层21和In含量恒定的恒定层22，该递变层21与GaAs衬底1层叠，恒定层22与锗薄膜3层叠，递变层21厚度为3微米，恒定层22的厚度为1微米；锗薄膜3的厚度为10纳米。经测定，该优选实施例中张应变锗薄膜外延结构中锗薄膜3张应变为2.0%。

该优选实施例中的张应变锗薄膜外延结构制备方法如下：

S11.衬底的准备：选取GaAs衬底，经过化学方法清洗后传入MBE生长室；

S12.In_xGa_1-xAs（x=0～0.3）缓冲层2的生长：以生长源为In、Ga和As固态源，首先在600℃同质生长一层100纳米的GaAs层以获得清洁的生长表面；接着在500℃下以In_xGa_1-xAs中的x从0开始逐渐增长到0.3在GaAs层表面生长厚度为3微米的递变层21，通过增加In:(Ga+In)的束流比逐步提高In的组份，In摩尔含量增长率为10%/微米，随后以In_xGa_1-xAs中的x为0.3在递变层21表面生长厚度为1微米的In摩尔含量恒定的恒定层22，这样获得的表层In组份为In_0.3Ga_0.7As恒定层22，应变弛豫度达到90%以上，线位错密度低于10⁷cm^-2，表面粗糙度小于2纳米。

S13.含锗薄膜层3的生长：采用MBE设备在恒定层22上生长含锗薄膜层3，生长源为Ge固态源。生长温度为400℃，厚度为10纳米。由于生长温度低于热力学平衡温度，Ge薄膜在InGaAs缓冲层上是共格生长的，应变没有弛豫，这样获得的Ge薄膜张应变将为2.0%。

具体地，作为本实用新型又一优选实施例，该张应变锗薄膜外延结构包括依次层叠的InP衬底1、In_xGa_1-xAs（x=0.53～0.3）缓冲层2和锗薄膜层3，其结构参见图2。其中，缓冲层2包括互相层叠的In摩尔含量按照10%/微米逐渐递减的递变层21和In含量恒定的恒定层22，该递变层21与InP衬底1层叠，恒定层22与含锗薄膜层3层叠，递变层21厚度为2.3微米，恒定层22的厚度为1微米；含锗薄膜层3的厚度为10纳米。经测定，该优选实施例中张应变锗薄膜外延结构中锗薄膜3张应变为2.0%。

该优选实施例中的张应变锗薄膜外延结构制备方法如下：

S21.衬底的准备：选取InP衬底，经过化学方法清洗后传入MOCVD生长室；

S22.In_xGa_1-xAs（x=0.53～0.3）缓冲层2的生长：以生长源为TMGa、TMIn、PH3和AsH3，首先在600℃同质生长一层100纳米的InP以获得清洁的生长表面；接着在600℃下生长In_xGa_1-xAs中的x从0.53开始逐渐降低到0.3在GaAs层表面生长厚度为2.3微米的递变层21，通过增加In:(Ga+In)的束流比逐步降低In的组份，In摩尔含量降低率为10%/微米，随后以In_xGa_1-xAs中的x为0.3在递变层21表面生长厚度为1微米的In摩尔含量恒定的恒定层22，这样获得的表层In组份为In_0.3Ga_0.7As恒定层22，应变弛豫度达到90%以上，线位错密度低于10⁷cm^-2，表面粗糙度小于2纳米；

S23.含锗薄膜层3的生长：最后采用MBE设备在恒定层22上生长含锗薄膜层3，生长源为Ge固态源。生长温度为400℃，厚度为10纳米。由于生长温度低于热力学平衡温度，Ge薄膜层3在恒定层22上是共格生长的，应变没有弛豫，这样获得的Ge薄膜张应变将为2.0%。

以上仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种张应变锗薄膜外延结构，包括衬底和依次层叠在所述衬底表面上的In_xGa_1-xAs缓冲层、含锗薄膜层；其中，0<x≤0.53。

2.如权利要求1所述的张应变锗薄膜外延结构，其特征在于：所述In_xGa_1-xAs缓冲层包括互相层叠的In含量递变的递变层和In含量恒定的恒定层，所述递变层与所述衬底层叠，所述恒定层与含锗薄膜层层叠。

3.如权利要求1或2所述的张应变锗薄膜外延结构，其特征在于：所述In_xGa_1-xAs缓冲层通过非共格生长与所述衬底层叠。

4.如权利要求3所述的张应变锗薄膜外延结构，其特征在于：所述In_xGa_1-xAs缓冲层的线位错密度低于10⁷cm^-2，表面粗糙度小于2纳米。

5.如权利要求3所述的张应变锗薄膜外延结构，其特征在于：所述In_xGa_1-xAs缓冲层的厚度大于0，小于5微米。

6.如权利要求1或2所述的张应变锗薄膜外延结构，其特征在于：所述含锗薄膜层通过共格生长与所述In_xGa_1-xAs缓冲层层叠。

7.如权利要求6所述的张应变锗薄膜外延结构，其特征在于：所述含锗薄膜层的厚度为5～100纳米。

8.如权利要求6所述的张应变锗薄膜外延结构，其特征在于：所述含锗薄膜层为Si_1-yGe_y合金层或Ge_1-zSn_z层，其中，y=0.8～1，z=0～0.1。

9.如权利要求8所述的张应变锗薄膜外延结构，其特征在于：所述含锗薄膜层为Ge单质层。

10.如权利要求1或2所述的张应变锗薄膜外延结构，其特征在于：所述衬底为砷化镓晶圆或磷化铟晶圆。

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