[發(fā)明專利]在[111]取向硅襯底上外延附生硒化鎵(GaSe)的方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202011101740.6
• 申請日: 2020-10-15
• 公開（公告）號: CN112670158A
• 公開（公告）日: 2021-04-16
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: M·馬丁;T·巴龍
• 申請（專利權(quán)）人: 原子能和輔助替代能源委員會;國立科學(xué)研究中心;格勒諾布爾阿爾卑斯大學(xué)
• 主分類號: H01L21/02
• 分類號: H01L21/02
• 代理公司: 永新專利商標(biāo)代理有限公司 72002
• 代理人: 于輝;楊仁海

本發(fā)明涉及在[111]取向硅襯底上外延附生GaSe的方法，其包括：?選擇[111]取向硅襯底的步驟，所述襯底由在斜切方向上切割硅棒(1)而產(chǎn)生，所述斜切方向是三個[11?2]晶向之一，斜切角(α)小于或等于0.1°，所獲得的襯底的表面形成鄰位面(2)，鄰位面(2)具有多個臺面(21)和在兩個臺面(21)之間的至少一個臺階(22)；?鈍化步驟，其由在所述硅襯底的所述鄰位面(2)上沉積鎵和硒的原子雙層以形成由硅?鎵?硒(Si?Ga?Se)制成的鈍化的鄰位面(3)組成，所述鈍化的鄰位面具有多個鈍化臺面(31)和在兩個鈍化臺面之間的至少一個鈍化臺階(32)；?通過在鈍化的表面(3)上外延附生而形成二維GaSe層的步驟，所述形成步驟包括從每個鈍化臺階(32)成核的步驟，和從成核步驟中獲得的核(41)在所述鈍化臺面(31)上橫向生長的步驟。本發(fā)明還涉及利用外延附生方法獲得的結(jié)構(gòu)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明的技術(shù)領(lǐng)域是半導(dǎo)體材料在硅襯底上的異質(zhì)集成，并且更具體地涉及在[111]取向硅襯底(其可以用Si(111)表示)上以單一取向外延附生 (epitaxying)二維硒化鎵(2D GaSe)。

在本發(fā)明的許多應(yīng)用中，可提及微電子學(xué)、光子學(xué)、傳感器、射頻相關(guān)技術(shù)、微系統(tǒng)(MEMS)、物聯(lián)網(wǎng)的部件，以及更廣泛地涉及“超越摩爾定律(more-than-Moore)”應(yīng)用或所謂的“衍生”技術(shù)，即在單個硅芯片上并入若干功能的技術(shù)。

背景技術(shù)

硅(Si)是微納米電子學(xué)基礎(chǔ)的半導(dǎo)體。其用于制造集成電路(IC)的高度成熟的技術(shù)在小型化和性能改進(jìn)方面已經(jīng)經(jīng)歷了令人印象深刻的進(jìn)步。

然而，其他半導(dǎo)體表現(xiàn)出補(bǔ)充(電子、光學(xué)、機(jī)械等)特性，這可能有利于在基于硅的芯片上實(shí)施。

在這種情況下，最近出現(xiàn)了一類新的材料：“2D材料”。“2D材料”是指由幾個原子厚的薄片(sheet)(或薄片堆疊)組成的材料。還使用術(shù)語“二維”材料。這些材料是電子飽和的，因此經(jīng)由范德華結(jié)合發(fā)生幾個這些薄片的堆疊。在2D材料中，一些是半導(dǎo)體。它們非常低的厚度產(chǎn)生非常獨(dú)特的電子、光電和機(jī)械性能。不構(gòu)造為一個或多個薄片，但在其整個體積中具有離子鍵或共價鍵的材料也可稱為“3D材料”，例如傳統(tǒng)的半導(dǎo)體材料。

通過在硅襯底上外延附生來對2D材料進(jìn)行單片異質(zhì)集成是為高度成熟的基于硅的技術(shù)的CMOS(互補(bǔ)金屬-氧化物-半導(dǎo)體)集成電路添加新穎的 (電子、光學(xué)、光子、機(jī)械、生物等)功能的非常有前景的途徑。它還可以克服在硅上外延附生的更常規(guī)(Ge、III-V、GaN等)半導(dǎo)體的晶格中位錯的麻煩問題。

在所有的2D材料之中，硒化鎵GaSe是用于在[111]取向硅襯底上外延附生的非常令人關(guān)注的材料，因?yàn)楣璞砻嫔系膽铱真I可以被鎵(Ga)原子層和硒(Se)原子層電子鈍化，以形成穩(wěn)定且電子地鈍化的Si-Ga-Se界面，該界面允許通過范德華外延附生進(jìn)行二維GaSe材料(稱為“2D GaSe”)的隨后生長。鎵和硒的原子雙層(atomic bilayer)可以通過使用分子束外延(MBE)技術(shù)形成，該分子束外延技術(shù)在于向襯底投射一個或多個分子束。

表述“電子地鈍化”或“電子鈍化”是指除去懸空鍵(或含氫環(huán)境中的反應(yīng)性Si-H鍵)。也可以使用表述“電子飽和表面”。

如此結(jié)合至硒原子層的鎵原子層可稱為“原子雙層”且可視為“2D GaSe”材料的半薄片(half-sheet)。具體地，2D GaSe是指由順序?yàn)?Se-Ga-Ga-Se的四個原子層構(gòu)成的二維硒化鎵(作為薄片)。

然而，Si-Ga-Se界面的形成可以產(chǎn)生具有兩種類型的域的表面，這兩種類型的域是彼此的鏡像，從而導(dǎo)致如圖1A(取向1)和1B(取向2)所示的反相缺陷(antiphasedefect)。