專利名稱：在Si襯底上分子束外延生長GeSn合金的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體薄膜材料的制備技術(shù)，更具體地說，本發(fā)明提供一種在Si襯底 上外延生長GeSn合金的方法。
背景技術(shù)：
Si是現(xiàn)代微電子技術(shù)的基礎(chǔ)。Si微電子技術(shù)由于具有工藝成熟、價格便宜、源材 料豐富等優(yōu)勢，在現(xiàn)代電子信息社會中具有難以取代的地位。Si微電子技術(shù)發(fā)展到今天，已 經(jīng)滲透國民經(jīng)濟、國家安全和人們?nèi)粘Ｉ钪械姆椒矫婷?，比如目前世界?0%以上的電 子器件和電路都是以Si為基礎(chǔ)的。然而，微電子技術(shù)采用電子作為信息載體，具有其自身 的一些限制，難以滿足未來信息化社會對信息傳輸容量、處理速度、存儲能力以及靈活性、 安全性的迫切需求。用不具有荷電性的光子作為信息的載體的光子學(xué)技術(shù)有望滿足未來信 息化的這一要求。光子學(xué)技術(shù)在信息傳輸容量和速度、信息安全保障、交叉互連密度、串?dāng)_ 抑制等方面比微電子技術(shù)具有明顯的優(yōu)勢，是信息高技術(shù)領(lǐng)域的另一強大支柱。光子學(xué)技 術(shù)既是微電子技術(shù)的補充，又是它的發(fā)展，實現(xiàn)微電子技術(shù)和光子學(xué)技術(shù)的融合是為了信 息技術(shù)發(fā)展的必由之路。在光子技術(shù)與微電子技術(shù)的的滲透融合中，主要的解決途徑之一 就是將現(xiàn)有成熟的Si微電子技術(shù)為光子學(xué)技術(shù)結(jié)合，實現(xiàn)Si基光電集成，所以，Si基光子 學(xué)技術(shù)的研究成為目前重要的前沿研究課題。但是，由于Si是間接帶隙半導(dǎo)體，其發(fā)光效率極低，帶邊光吸收系數(shù)較??；另外， Si是高對稱性材料，其線性光電效應(yīng)幾乎為零；這些都嚴重地制約了它在光電子領(lǐng)域的發(fā) 展，成為Si基光電子集成的主要障礙。突破這些障礙需要人們在Si基材料的設(shè)計和生長、 能帶工程和摻雜工程的應(yīng)用、新型Si基光電子器件等方面開展創(chuàng)新性的理論和實驗研究。GeSn合金是一種有望在Si基光電集成方面得到廣泛應(yīng)用的IV族新材料，具有十 分重要的研究意義。首先，GeSn合金在Sn的含量高于大約11%時將成為一種直接帶隙的 半導(dǎo)體材料，因此GeSn合金有望在Si基激光器或者高效發(fā)光器件等方面得到重要的應(yīng)用。 其次，GeSn合金的帶隙在0至0. 67eV之間連續(xù)可調(diào)，可以覆蓋從近紅外到甚長波長的范圍， 在紅外光電子器件方面有很好的應(yīng)用前景。另外，GeSn合金具有較小的載流子有效質(zhì)量， 沒有極性光學(xué)散射，可能具有很高的電子遷移率，因此有望在Si基高速電子器件方面得到 應(yīng)用。由于具有上述的應(yīng)用前景，GeSn合金已經(jīng)逐漸成為Si基光電子學(xué)中的一個新的研
J Ll ^^ O但是，GeSn合金薄膜的生長卻存在著許多困難。首先，Ge和Sn之間的相互平衡固 溶度都小于1%，并且Sn比Ge具有更小的表面自由能，從而使得在材料生長的過程中，Sn 非常容易分凝到表面上。其次，雖然Sn與Si和Ge同屬于IV元素，但是，與Si和Ge不同的 是，常見的Sn并不是具有金剛石結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體(α-Sn，俗稱“灰錫”)，而是具有體心四方 結(jié)構(gòu)的金屬(β-Sn，俗稱“白錫”)。當(dāng)溫度高于13. 2°C時，Sn將發(fā)生從α相到β相的轉(zhuǎn) 變。另外，Ge和α -Sn的晶格常數(shù)分別為為0. 56579nm和0. 64892nm，二者的晶格常數(shù)差高 達14. 7%。因此，在Si或者Ge上生長GeSn時將存在比較大的晶格失配，從而不利于GeSn合金薄膜的生長。到目前為止，人們主要采用分子束外延(MBE)法和超高真空化學(xué)氣相沉積法 (UHV-CVD)法來研究GeSn合金的生長。雖然這兩種方法各自都取得了一些結(jié)果，但是還都 是比較初步的。采用UHV-CVD法生長雖然得到了目前最好的GeSn材料，但是材料的質(zhì)量還 不夠好，還達不到器件級材料的水平，并且所采用的Sn源-SnD4難以制備；而MBE生長的材 料熱穩(wěn)定性比較差，Sn易于分凝；所以，GeSn合金的材料生長有待新技術(shù)和方法的突破。本發(fā)明就是為了提供一種制備高質(zhì)量GeSn合金材料的外延生長方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提供一種制備高質(zhì)量GeSn合金材料的外延生長方法。本發(fā)明提供一種在Si襯底上分子束外延生長GeSn合金的方法，包括如下步驟步驟1 在Si襯底上生長一層第一 Ge材料層；步驟2 在第一 Ge材料層上生長一層第二 Ge材料層；步驟3 在第二 Ge材料層上生長一層第一 GeSn合金層；步驟4 在第一 GeSn合金層上生長一層第二 GeSn合金層，完成材料的生長。其中第一 Ge材料層的生長溫度小于400°C。其中第二 Ge材料層的生長溫度大于400°C。其中步驟1和步驟2中的第一、第二 Ge材料層是以固體Ge為源材料，采用分子束 外延方法生長生長的。其中步驟1和步驟2中的第一、第二 Ge材料層是以GeH4和Ge2H6的Ge和H的化 合物為源材料，采用化學(xué)氣相沉積方法生長的。其中第一 GeSn合金層采用分子束外延方法生長，生長溫度為50_150°C。其中第二 GeSn合金層采用分子束外延方法生長，生長溫度為150-300°C。本發(fā)明還提供一種在Si襯底上分子束外延生長GeSn合金的方法，包括如下步 驟步驟1 在Si襯底上生長一層第一 GeSn合金層；步驟2 在第一 GeSn合金層上生長一層第二 GeSn合金層，完成材料的生長。其中第一 GeSn合金層采用分子束外延方法生長，生長溫度為50-150°C。其中第二 GeSn合金層采用分子束外延方法生長，生長溫度為150-300°C。


為進一步說明本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容，以下結(jié)合實施例及附圖詳細說明如后，其中圖1是在Si襯底上生長的高質(zhì)量的Ge材料上采用低高溫兩步法生長GeSn合金 的材料截面示意圖。圖2是在Si襯底上采用低高溫兩步法生長GeSn合金的材料截面示意圖。
具體實施例方式請參閱附圖1，為本發(fā)明的第一實施例，本發(fā)明為一種低高溫兩步法生長Si基 GeSn合金的方法。包括如下步驟
步驟1 在Si襯底11上生長一層第一 Ge材料層12，該第一 Ge材料層12的生長 溫度小于400°C ；步驟2 在第一 Ge材料層12上生長一層第二 Ge材料層13，該第二 Ge材料層13 的生長溫度大于400°C ；其中該第一、第二Ge材料層是以固體Ge為源材料，采用分子束外延方法生長生長 的；其中第一、第二 Ge材料層是以GeH4和Ge2H6的Ge和H的化合物為源材料，采用化學(xué)氣 相沉積方法生長的；步驟3 在第二 Ge材料層13上生長一層第一 GeSn合金層14，該第一 GeSn合金層 14采用分子束外延方法生長，生長溫度為50-150°C ；步驟4 在第一 GeSn合金層14上生長一層第二 GeSn合金層15，該第二 GeSn合金 層15采用分子束外延方法生長，生長溫度為150-300°C，完成材料的生長。請參閱圖2，為本發(fā)明的第二實施例，本發(fā)明還提供一種在Si襯底上分子束外延 生長GeSn合金的方法，包括如下步驟步驟1 在Si襯底21 (相當(dāng)于第一實施例的Si襯底11)上生長一層第一 GeSn合 金層22 (相當(dāng)于第一實施例的第一 GeSn合金層14)，該第一 GeSn合金層22采用分子束外 延方法生長，生長溫度為50-150°C ；步驟2 在第一 GeSn合金層22上生長一層第二 GeSn合金層23 (相當(dāng)于第一實施 例的第二 GeSn合金層15)，該第二 GeSn合金層23采用分子束外延方法生長，生長溫度為 150-300°C，完成材料的生長。第一實施例請再參閱附圖1，本發(fā)明為一種低高溫兩步法生長Si基GeSn合金的方法。包括如 下步驟步驟1 在Si襯底11上，采用固體Ge材料作為Ge源，利用分子束外延系統(tǒng)沉積 一層厚度50nm的第一 Ge材料層12，該第一 Ge材料層12的生長溫度為200°C ；第一層Ge 材料12也可以采用GeH4和Ge2H6等Ge和H的化合物作為源材料，利用超高真空化學(xué)氣相 沉積方法來生長，生長溫度為330°C，厚度為60nm ；該層Ge材料是應(yīng)變弛豫，并且表面比較 平整的，適合用來作為Si上生長Ge薄膜的緩沖層；步驟2 在第一 Ge材料層12上，采用固體Ge材料作為Ge源，利用分子束外延系 統(tǒng)沉積一層厚度250nm的第二 Ge材料層13，生長溫度為500°C ；第二 Ge材料層13也可以 采用GeH4和Ge2H6的Ge和H的化合物作為源材料，利用超高真空化學(xué)氣相沉積方法來生長， 生長溫度為630°C，厚度為300nm ；該層Ge薄膜具有很高的晶體質(zhì)量，并且表面平整，在該層 Ge薄膜上生長GeSn合金，可以使減小晶格失配，有利于GeSn合金的外延生長；步驟3 在第二 Ge材料層13上，分別采用固體Ge材料和固體Sn材料作為Ge源 和Sn源，利用分子束外延系統(tǒng)沉積一層厚度為25nm的第一 GeSn合金層14，生長溫度為 IOO0C ；步驟4 在第一 GeSn合金層14上，分別采用固體Ge材料和固體Sn材料作為Ge源 和Sn源，利用分子束外延系統(tǒng)沉積一層厚度為300nm的第二 GeSn合金層15，生長溫度為 180 "C。第二實施例
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下面結(jié)合附圖2舉例說明本發(fā)明的另一種實施方法。請再參閱圖2所示，本發(fā)明一種在Si襯底上分子束外延生長GeSn合金的方法，包 括如下步驟步驟1 在Si襯底21上，分別采用固體Ge材料和固體Sn材料作為Ge源和Sn源， 利用分子束外延系統(tǒng)沉積一層厚度為25nm的第一 GeSn合金層22，生長溫度為100°C ；步驟2 在第一 GeSn合金層22上，分別采用固體Ge材料和固體Sn材料作為Ge源 和Sn源，利用分子束外延系統(tǒng)沉積一層厚度為300nm的第二 GeSn合金層23，生長溫度為 180 "C。以上所述，僅為本發(fā)明中的具體實施方式
，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任 何熟悉該技術(shù)的人在本發(fā)明所揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變換或替換，都應(yīng)涵蓋在 本發(fā)明的包含范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書的保護范圍為準。
權(quán)利要求
一種在Si襯底上分子束外延生長GeSn合金的方法，包括如下步驟步驟1在Si襯底上生長一層第一Ge材料層；步驟2在第一Ge材料層上生長一層第二Ge材料層；步驟3在第二Ge材料層上生長一層第一GeSn合金層；步驟4在第一GeSn合金層上生長一層第二GeSn合金層，完成材料的生長。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在Si襯底上外延生長GeSn合金的方法，其中第一Ge材料層 的生長溫度小于400°C。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在Si襯底上外延生長GeSn合金的方法，其中第二Ge材料層 的生長溫度大于400°C。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在Si襯底上外延生長GeSn合金的方法，其中步驟1和步驟 2中的第一、第二 Ge材料層是以固體Ge為源材料，采用分子束外延方法生長生長的。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在Si襯底上外延生長GeSn合金的方法，其中步驟1和步驟 2中的第一、第二 Ge材料層是以GeH4和Ge2H6的Ge和H的化合物為源材料，采用化學(xué)氣相 沉積方法生長的。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在Si襯底上外延生長GeSn合金的方法，其中第一GeSn合金 層采用分子束外延方法生長，生長溫度為50-150°C。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在Si襯底上外延生長GeSn合金的方法，其中第二GeSn合金 層采用分子束外延方法生長，生長溫度為150-300°C。
8.一種在Si襯底上分子束外延生長GeSn合金的方法，包括如下步驟步驟1 在Si襯底上生長一層第一 GeSn合金層；步驟2 在第一 GeSn合金層上生長一層第二 GeSn合金層，完成材料的生長。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的在Si襯底上外延生長GeSn合金的方法，其中第一GeSn合金 層采用分子束外延方法生長，生長溫度為50-150°C。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的在Si襯底上外延生長GeSn合金的方法，其中第二GeSn合 金層采用分子束外延方法生長，生長溫度為150-300°C。
全文摘要
本發(fā)明提供一種在Si襯底上分子束外延生長GeSn合金的方法，包括如下步驟步驟1在Si襯底上生長一層第一Ge材料層；步驟2在第一Ge材料層上生長一層第二Ge材料層；步驟3在第二Ge材料層上生長一層第一GeSn合金層；步驟4在第一GeSn合金層上生長一層第二GeSn合金層，完成材料的生長。
文檔編號C30B23/02GK101962802SQ201010231169
公開日2011年2月2日 申請日期2010年7月14日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月14日
發(fā)明者左玉華, 張廣澤, 成步文, 汪巍, 王啟明, 白安琪, 胡煒玄, 蘇少堅, 薛春來 申請人:中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所