[發明專利]Ge/Si虛襯底材料及其制備方法

在審

• 申請號: 201610728747.8
• 申請日: 2016-08-25
• 公開（公告）號: CN107785408A
• 公開（公告）日: 2018-03-09
• 發明（設計）人: 魏青;宋建軍;蔡麗瑩;胡輝勇;宣榮喜;舒斌;張鶴鳴
• 申請（專利權）人: 西安電子科技大學
• 主分類號: H01L29/06
• 分類號: H01L29/06;H01L29/161;H01L21/02
• 代理公司: 西安嘉思特知識產權代理事務所(普通合伙)61230
• 代理人: 劉長春

技術領域

本發明涉及集成電路技術領域，特別涉及一種Ge/Si虛襯底材料及其制備方法。

背景技術

隨著微電子、光電子技術的發展，新材料、新技術不斷涌現。與Si材料相比，Ge材料目前已成為光電領域研究發展的一個重要方向，因其具有以下優異的物理性質：

1)Ge的載流子遷移率遠大于Si的載流子遷移率。用Ge半導體替換Si半導體作為互補型金屬氧化物半導體(CMOS)場效應晶體管(FET)的溝道材料，可顯著提升晶體管的速度與頻率特性；

2)Ge屬于窄禁帶半導體，直接與間接帶隙能量差為136meV，適于發展紅外探測器和激光器；

3)Ge的晶格常數與GaAs相差較小，生長在Si襯底上的Ge外延層可作為緩沖層，用于III-V族半導體材料的生長及Si襯底上III-V器件的集成。特別的，Ge近紅外區域吸收系數高，使得Ge非常適合作虛襯底和高達30％轉化效率的III-V族多結太陽能電池的底部電池。

同時，Si材料仍有Ge材料無法比擬的優勢，如Si在地殼中儲量巨大，獲取方便且便宜。而且，與Ge相比，Si的機械強度和熱性質更好等。因此，開發可兼具Si與Ge優勢的技術應用潛力巨大。

Si襯底上直接外延Ge的(Ge/Si)虛襯底技術應運而生，其兼具Si與Ge的技術優勢，尤其可與現有Si工藝兼容，是當前光電領域內研究發展的重點和熱點。

然而，由于Si與Ge之間存在4.2％的晶格失配，Ge/Si虛襯底技術實現難度大。從Si襯底上直接外延所獲Ge外延層主要技術指標來看：

1)Ge外延層表面粗糙度大，不利于后續Ge緩沖層上III-V族異質結構生長；

2)Ge外延層位錯密度高，光電器件應用時，器件性能發生退化。

因此，開發并優化Si襯底上制備高質量Ge外延層工藝具有重要的應用價值。

發明內容

因此，為解決現有技術存在的技術缺陷和不足，本發明提出一種Ge/Si虛襯底材料及其制備方法。

具體地，本發明一個實施例提出的一種Ge/Si虛襯底材料的制備方法，包括：

S101、選取單晶Si襯底；

S102、在275℃～325℃溫度下，利用CVD工藝在所述單晶Si襯底上生長40～50nm的第一Ge籽晶層；

S103、在500℃～600℃溫度下，利用CVD工藝在在所述第一Ge籽晶層表面生長150～250nm的第二Ge主體層；

S104、利用CVD工藝在所述第二Ge主體層表面上淀積150nm SiO₂層；

S105、將包括所述單晶Si襯底、所述第一Ge籽晶層、所述第二Ge主體層及所述SiO₂層的整個襯底材料加熱至700℃，連續采用激光工藝晶化所述整個襯底材料，其中，激光波長為808nm，激光光斑尺寸10mm×1mm，激光功率為1.5kW/cm²，激光移動速度為25mm/s；

S106、自然冷卻所述整個襯底材料；

S107、利用干法刻蝕工藝刻蝕所述SiO₂層，得到所述Ge/Si虛襯底材料。

本發明另一個實施例提出的一種Ge/Si虛襯底材料，包括：單晶Si襯底、第一Ge籽晶層及第二Ge主體層；其中，所述Ge/Si虛襯底材料由上述實施例所述的方法制備形成。

本發明另一個實施例提出的一種所述Ge/Si虛襯底材料的制備方法，包括：

選取Si襯底；

在第一溫度下，所述Ge襯底表面生長第一Ge籽晶層；

在第二溫度下，在所述第一Ge籽晶層表面生長第二Ge主體層；

加熱整個襯底，并利用激光工藝對整個襯底進行晶化，所述激光工藝的參數包括：激光波長為808nm，激光光斑尺寸10mm×1mm，激光功率為1.5kW/cm²，激光移動速度為25mm/s；

冷卻形成所述Ge/Si虛襯底材料。

在發明的一個實施例中，所述第一溫度小于所述第二溫度。

在發明的一個實施例中，所述第一溫度的范圍為275℃～325℃；所述第二溫度的范圍為500℃～600℃。

在發明的一個實施例中，在所述第一Ge籽晶層表面生長第二Ge主體層之后，還包括：

在所述第二Ge主體層表面生長SiO₂層；

相應地，冷卻形成所述Ge/Si虛襯底材料，包括：