[發(fā)明專利]基于GeSiC選擇外延的直接帶隙改性Ge材料及其制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201610487258.8
• 申請日: 2016-06-28
• 公開（公告）號(hào): CN107546299B
• 公開（公告）日: 2019-05-10
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 曹世杰;宋建軍;苗淵浩;宣榮喜;胡輝勇;張鶴鳴
• 申請（專利權(quán)）人: 西安電子科技大學(xué)
• 主分類號(hào): H01L33/00
• 分類號(hào): H01L33/00;H01L33/34
• 代理公司: 西安嘉思特知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 61230
• 代理人: 劉長春

本發(fā)明涉及一種基于GeSiC選擇外延的直接帶隙改性Ge材料及其制備方法。該制備方法包括：選取Si襯底；生長第一Ge層；生長第二Ge層；利用刻蝕工藝對(duì)第二Ge層進(jìn)行刻蝕形成位于中間位置的多個(gè)Ge臺(tái)階；在第二Ge層表面淀積Si₃N₄材料，選擇性刻蝕Si₃N₄材料，保留多個(gè)Ge臺(tái)階的Si₃N₄材料形成Si₃N₄阻擋層；在第二Ge層表面利用化學(xué)氣相淀積法生長Ge_0.73Si_0.24C_0.03合金材料；去除Si₃N₄阻擋層，以形成直接帶隙改性Ge材料。本發(fā)明提供了一種Ge_1?x?ySi_xC_y選擇外延致Ge直接帶隙半導(dǎo)體的實(shí)現(xiàn)方法，由于Ge的晶格常數(shù)大于Ge_1?x?ySi_xC_y的晶格常數(shù)，因此利用晶格失配致應(yīng)力原理，在刻蝕出的Ge四周選擇性外延Ge_1?x?ySi_xC_y，將對(duì)中心區(qū)域Ge半導(dǎo)體引入雙軸張應(yīng)力。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及集成電路技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于GeSiC選擇外延的直接帶隙改性Ge材料及其制備方法。

背景技術(shù)

光電集成是將光學(xué)元件和電子器件(集成電路)集成在一起，以期同時(shí)實(shí)現(xiàn)信息的傳輸和處理。從集成形式來講，光電集成可以分為混合集成和單片集成。其中，成本低，產(chǎn)量高且器件性能穩(wěn)定和可靠的單片集成方式備受矚目，而高度成熟的硅基半導(dǎo)體加工工藝和集成電路系統(tǒng)為硅基單片光電集成的發(fā)展提供了便利條件。

硅材料具有間接帶隙半導(dǎo)體的特點(diǎn)，其發(fā)光效率很低，因此關(guān)鍵在于尋找方法來突破硅低輻射復(fù)合速率的限制，進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新，發(fā)展新型的工藝技術(shù)和半導(dǎo)體材料，進(jìn)一步提高單片光電集成的性能，以適應(yīng)信息化高速發(fā)展的需求。近年來，具有拉伸應(yīng)變的鍺的發(fā)現(xiàn)使硅基光電集成方向的研究有了很大的進(jìn)展。

Ge為間接帶隙半導(dǎo)體，改性可致其轉(zhuǎn)變?yōu)橹苯訋栋雽?dǎo)體。改性情況下Ge載流子遷移率顯著高于Si載流子遷移率，應(yīng)用于電子器件，工作速度高、頻率特性好；應(yīng)用于光子器件，轉(zhuǎn)換效率高，發(fā)光效率可與Ⅲ-Ⅴ族半導(dǎo)體相當(dāng)。同時(shí)，直接帶隙改性Ge涉及光電集成的各重要元件(光源、光調(diào)制器、光探測器、電子器件)甚至均可在同一有源層集成于同一芯片上，為高速器件與電路提供了又一新的技術(shù)發(fā)展途徑。因此，有關(guān)直接帶隙改性Ge的相關(guān)研究已成為了當(dāng)前國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)和重點(diǎn)。特別地，如何制備和實(shí)現(xiàn)直接帶隙改性Ge材料備受關(guān)注。

為了實(shí)現(xiàn)直接帶隙Ge，需要首先從理論原理上給出Ge發(fā)生帶隙轉(zhuǎn)化的條件。請參見圖1，圖1為理論分析中晶向(001)的雙軸張/壓應(yīng)變Ge導(dǎo)帶各能級(jí)隨應(yīng)力變化關(guān)系圖，依據(jù)廣義胡克定律和形變勢原理，在雙軸張應(yīng)力達(dá)到約2.4GPa時(shí)，由于Γ谷的收縮速率比L谷快，兩者的能量差會(huì)相繼減小直到Ge變成直接帶隙半導(dǎo)體材料。根據(jù)應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系，當(dāng)應(yīng)力為2.4GPa時(shí)，相對(duì)應(yīng)變張量約為1.7％～2.0％。

然而，單純施加應(yīng)力作用時(shí)所需強(qiáng)度過大，目前常見外延技術(shù)工藝很難實(shí)現(xiàn)2.4GPa的雙軸應(yīng)力，工藝實(shí)現(xiàn)難度大。如Si襯底上先外延Ge，退火過程中再利用Si與Ge不同的熱膨脹系數(shù)，可使Ge外延層獲得0.3％的拉伸應(yīng)變，但仍無法使Ge轉(zhuǎn)化為直接帶隙半導(dǎo)體材料，還需配合重?fù)诫s才僅實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)直接帶隙Ge。

因此，解決直接帶隙改性Ge材料制備技術(shù)，已成為本領(lǐng)域亟待突破的技術(shù)問題。

發(fā)明內(nèi)容

因此，為解決現(xiàn)有技術(shù)存在的技術(shù)缺陷和不足，本發(fā)明提出一種基于GeSiC選擇外延的直接帶隙改性Ge材料及其制備方法。

具體地，本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例提出的一種基于GeSiC選擇外延的直接帶隙改性Ge材料的制備方法，包括：