硅基鍺材料的外延生長及其應用

1、硅基鍺材料的外延生長及其應用摘要 :硅是最重要的半導體材料 ,在信息產業(yè)中起著不 可替代的作用。 但是硅材料也有一些物理局限性 ,比如它是間 接帶隙半導體材料 ,它的載流子遷移率低 , 所以硅材料的發(fā)光 效率很低 ,器件速度比較慢。 在硅襯底上外延生長其它半導體 材料 ,可以充分發(fā)揮各自的優(yōu)點 ,彌補硅材料的不足。本文介 紹了硅襯底上的鍺材料外延生長技術進展,討論了該材料在微電子和光電子等方面的可能應用 ,重點介紹了它在硅基高 速長波長光電探測器研制方面的應用。關鍵詞 :硅基 ;鍺,外延;光電探測器Epitaxy and application of Ge layer on Silicon s

2、ubstrateHuiwen Nie1, Buwen Cheng2(1.Hunan Chemical Engineering Machinery School, Hunan Industrial Technology College2.State Key Laboratory on Integrated Optoelectronics, Instituteof Semiconductors, Chinese Academy of Sciences, Beijing100083)Abstract: Silicon is the most important semiconductor mater

3、ial and it is irreplaceable in the information industry. But Silicon also has some shortcomings, such as very low luminescence efficiency and low device speed due to the indirect bandgap and low carrier mobility. Growing other semiconductors on Si substrate can take the advantages of the different s

4、emiconductors and improve the performance of the Si-based devices and integrated circuits. The progress of Ge growth on Si was introduced in the paper. The application of the Si-based Ge epitaxy layer was discussed, especially the application on Si-based high speed photodetectors operating at long w

5、avelength.Key words: Si-based, Germanium, Epitaxy, Photodetector1 引言硅基光電集成將微電子技術和光子學技術進行融合,是微電子技術的繼承和發(fā)展 ,是信息技術發(fā)展的重要前沿研究 領域。其研究內容包括硅基高效光源、 硅基高速光電探測器、 硅基高速光調制器、低損耗光波導器件等。硅襯底上外延生 長的鍺 (Ge) 材料是硅基高速長波長光電探測器的首選材料1 。近幾年來人們在硅基 Ge 材料外延生長方面取得了突破 性進展 ,并用它研制出了 3 dB 帶寬達 40 GHz 的高速光電探測 器,解決了硅基光電集成的探測器研制難題。Ge的電子和空穴

6、遷移率都很高，Ge是所有半導體體材料 中空穴遷移率最高的材料 ,所以 Ge 是研制高速集成電路的可 選材料。人們曾經(jīng)用 Ge 研制出了第一只半導體晶體管 ,但是 由于Ge的氧化物不穩(wěn)定，界面態(tài)控制困難，限制了其在集成電 路方面的應用 ,使載流子遷移率并不高的 Si 材料成為集成電 路和信息產業(yè)的支柱。 硅集成電路遵循摩爾定律飛速發(fā)展著 , 但是隨著特征線寬的進一步縮小,集成電路的集成度和性能的提高遇到了前所未有的挑戰(zhàn)。人們在不斷提出創(chuàng)新性的方 案以使硅集成電路繼續(xù)沿著摩爾定律發(fā)展 ,包括應變硅技術、 高 K 介質技術等等。 利用新的高遷移率半導體材料來替換（部分替換 ）Si 材料 ,研制新型高

7、速電路也是一個很好的途徑。近 年有很多的研究組開展了 Ge 高速集成電路方面的研究 ,取得 了很多重要的進展。但是 Ge 材料的機械加工性能比硅差、 Ge 襯底材料的尺寸比較小、 Ge 材料價格昂貴、地球上 Ge 的豐度小 ,這些將是限制 Ge 集成電路發(fā)展的重要障礙。在硅 襯底上外延出Ge材料,并用它研制高速電路，則可以解決上述 障礙,并且可以充分發(fā)揮 Si 和 Ge 的各自優(yōu)勢 ,實現(xiàn) Si CMOS 和 Ge CMOS 集成的高速集成電路 ,所以硅基 Ge 外延材料在 新型高速集成電路方面將有可能發(fā)揮重要作用。另外 ,由于 Ge 的晶格常數(shù)與 GaAs 的晶格常數(shù)匹配較好 , 硅基 Ge

8、 外延材料可以作為 GaAs 系材料外延的襯底材料 ,制 備化合物半導體材料與硅材料集成的新型材料,在多節(jié)高效太陽能電池、硅基高速電路、硅基光電單片集成等方面具有 潛在的重要應用前景。所以硅基 Ge 材料是近年最重要的硅 基異質外延材料之一。本文將重點介紹硅基 Ge 材料的外延 生長方法及其在硅基光電探測器方面的應用。2 硅基 Ge 材料的生長材料的平衡生長模式有三種 :Frank-van der Merwe 模式 （FM,層狀）、Volmer-Weber 模式（VW,島狀）和 Stranski-Krastanow 模式 （SK, 先是層狀生長 ,然后是島狀生 長）。圖 1 示出了三種生長模式

9、的生長過程。 晶體薄膜的平衡 生長按哪一種模式生長取決于襯底表面能、薄膜表面能和界 面能。如果薄膜表面能和界面能之和總是小于襯底的表面能 , 即滿足浸潤條件 ,則是層狀生長 ,反之,如果薄膜表面能與界面 能之和總是大于襯底的表面能,則生長會是島狀生長模式。 如果在開始生長時 ,滿足浸潤條件 ,是層狀生長 ,但由于存在應變 隨生長層數(shù)的增加 ,應變能增加 ,使界面能增加 ,從而使浸潤條 件不再滿足 ,外延層會形成位錯以釋放應變或者在表面原子 有足夠的遷移率時 ,形成三維的島 ,從而生長轉化為島狀生長。雖然大多數(shù)的低溫生長過程是遠離平衡態(tài)或接近平衡態(tài) 的生長 ,但平衡生長模式是材料生長的熱力學極限

10、情況,對真實的材料生長模式有重要的決定作用。硅和鍺具有相同的金剛石結構,但它們的晶格常數(shù)不同,Si的晶格常數(shù)為 0.5431 nm,Ge的晶格常數(shù)為 0.5657 nm,Si 襯底上外延生長 Ge時,其晶格失配達4.2% o Ge-Ge鍵比Si-Si 鍵弱,所以 Ge 具有比 Si 小的表面能。在 Si 上生長 Ge 時,開 始時滿足浸潤條件 ,生長是層狀生長 ,隨生長厚度的增加 ,由于 晶格失配 ,應變能增加 ,浸潤條件不再滿足 ,生長將轉化為島狀 生長。所以Si襯底上生長Ge是典型的SK生長模式。而且 由于晶格失配 ,將會形成高密度的失配位錯,難于在 Si 上生長出高質量的Ge材料，需要在

11、工藝技術上進行創(chuàng)新研究，將失配位錯限制在界面附近 ,從而保持表面器件層材料有好的晶體 質量。目前在 Si 襯底上生長 Ge 材料的主要工藝有三種 :(1) 組分漸變的 SiGe Buffer 層工藝 23 。該工藝首先生 長 Ge 組分從 0 到 1 00%逐漸增加的 SiGe Buffer 層,使應變逐 漸釋放，以獲得位錯密度低的 Buffer層，然后在其上生長 Ge外 延層。該方法可以生長晶格質量很好的Ge 材料,位錯密度可以達到 106 cm-2 量級,但是由于表面會有很大的起伏,必須在生長后或生長中間插入化學機械拋光工藝流程,制作的工藝復雜耗時 ,而且為了獲得好的晶體質量,SiGe B

12、uffer 層中 Ge 組分的增加速度必須控制在w0.1/卩m,所以SiGe組分漸變層的厚度將達到10卩m以上,這樣的材料不利于制作集成器件。(2) Si圖形襯底上生長Ge。就是在刻蝕有 圖形的 Si 襯底上進行 Ge 的生長 ,主要有兩種方式 ,一種是在 Si襯底上刻蝕出一維或二維結構的臺面，然后進行Ge的外延生長456, 該方法使失配位錯只要遷移到圖形臺面的邊沿 就可以消失 ,而不像平面襯底材料 ,必須遷移到襯底的邊沿 ,所 以圖形襯底可以減小失配位錯遷移的距離,從而減少了位錯的相互作用和衍生的幾率 ,進而降低了位錯密度。另一種圖形襯底是在 Si 襯底上制備 SiO2 薄膜 ,然后光刻并刻

13、蝕 SiO2 露 出生長Ge的窗口 ,Ge將選擇性地在露出 Si的位置生長并可 以橫向過生長而在SiO2表面合并，形成完整的Ge外延層 78 。該方法的原理可以理解為與前述方法一樣 ,但是如果 窗口很小，與SiO2層厚度相當時，可以有另外一種減少位錯密 度的機制，那就是位錯瓶頸(necking)機制9。Si與Ge之間由 于晶格失配形成的穿透位錯一般存在于方向的 111 面,所以 如果在 (110)橫截面觀察 ,會發(fā)現(xiàn)位錯與 (100)襯底呈 54.7 度角 向表面延伸。當 SiO2 厚度與窗口尺寸相當 ,則窗口內生長形 成的位錯向上延伸過程中將全部或大部分被氧化硅的側壁 所阻檔,從而生長出高質

14、量的Ge材料。該工藝過程類似于切克勞斯基 (Czochralski) Si 單晶拉制過程 ,在切克勞斯基 Si 單晶拉制工藝中 ,在拉制前子晶被限制成很小的尺寸以消除缺 陷。結合低溫 Ge Buffer 工藝和圖形襯底 ,Ge 層的晶體質量可 以得到進一步的提高 ,位錯密度可以降低到 106 cm-2 量級。 圖形襯底上生長異質結材料（如Ge/Si, GaAs/Si等）的研究表 明,外延層材料的位錯密度與圖形的尺寸密切相關 ,圖形尺寸 越小,位錯密度越低 ,所以 ,制作具有小尺寸圖形的襯底是生長 低位錯密度材料的基礎。人們開始時利用的是普通的光刻腐 蝕方法制備圖形襯底 ,由于受光刻尺寸的限制

15、,圖形尺寸比較 大,為微米量級。電子束光刻可以實現(xiàn)小尺寸,但不適合于制作大面積圖形襯底 ,用它難于實現(xiàn)產業(yè)化生產。 激光干涉法光 刻可以制作幾百 nm 級的小尺寸圖形 ,而且可以進行大面積圖 形襯底的制作 ,是一種很好的方法 ,被人們所應用。但是為了 進一步提高外延材料的質量 ,減少外延材料的位錯密度 ,需要 制作更小的納米尺寸圖形的襯底,這時 ,激光干涉光刻法也無能為力了 ,需要尋求新的方法。利用高密度的反應離子刻蝕,可以在Si表面刻蝕出納米微結構的表面。在SF6氣氛下，用脈沖激光照射 Si 表面,也可以制作出納米微結構的表面。這 些制作納米微結構表面的方法被人們用于研制高響應度的 光電探測

16、器。如果在這些方法制備的具有納米微結構的 Si 襯底上生長Ge材料，由于其圖形尺寸小，可望獲得低位錯密度 的 Ge 外延材料。 另外,采用陽極氧化 Al 膜的方法也可以制備 出納米尺寸的圖形襯底。(3) 低溫Ge Buffer層工藝。該工藝首先在 400 C以下的 溫度下生長出應力弛豫的Ge Buffer層,厚度約50 nm,然后將襯底溫度提高到600 C左右，生長合適厚度的 Ge層。生長后， 為了提高材料質量 ,可以進行循環(huán)退火處理。 最終獲得的材料 的位錯密度一般在 107 cm-2 量級的水平 ,表面的平整度也比 較好。 該方法的優(yōu)點是工藝簡單、 生長時間短、 Buffer 層薄、 適合

17、制作集成器件。該生長工藝的機理已經(jīng)為人們所熟悉 10。人們用MBE在低溫生長 Ge層時發(fā)現(xiàn)了 H可以當作表 面活性劑 ,使之保持二維生長而不是向三維生長轉化的 SK 模 式111213 。根據(jù)這一原理 ,人們提出了 CVD 兩步生長 Ge 的方法 ,即低溫 Ge Buffer 層方法 14。由于 CVD 方法生長 Ge時，在低溫時表面會有 H的覆蓋,第一步的低溫過程中 Ge 的生長將保持二維生長 ,并且以位錯而不是以起伏的形式釋 放應力 ,從而獲得平整弛豫的 Ge Buffer 層。接著在 Buffer 層 上在約600C下生長厚的 Ge材料。目前人們基本上傾向于用 Ge 低溫過渡層技術來外延

18、生 長硅基Ge材料,取得了很好的結果。圖2是中國科學院半導體研究所用低溫 Ge過渡層技術在Si(100)襯底上外延生長的 Ge材料的截面透射電鏡照片15。從圖可以看出晶格失配位 錯主要是以處于 Si/Ge界面附近的Lomer位錯的形式存在， 而且分布比較均勻，具有好的周期性，表面附近的Ge外延層中位錯很少。理論計算表明 ,如果認為應力全部由 Lomer 位錯釋 放,位錯將周期性均勻分布 ,沿(110)方向 ,位錯分布的周期為 9.6 nm。從圖2中可以看出位錯分布周期為9.7 nm,說明絕大部分的應力是通過 Lomer 位錯釋放的。 Lomer 位錯與生長平 面平行，不會向外延的Ge層穿透,這

19、就保障了 Ge外延層的晶 格質量。 圖 3 給出了 Si 襯底上外延生長的 Ge 材料的 X 光雙 晶衍射曲線和盧瑟福背散射測量的結果。 從 X 射線雙晶衍射 曲線可以看出 ,除了 Si 襯底的衍射峰外 ,只有一個強而銳的 Ge 衍射峰,Ge衍射峰的半高寬只有 128秒,說明Ge材料具有很 好的晶體質量。 盧瑟福背散射測試結果可以看出 ,溝道譜產額 與隨機譜產額之比為 3.4%左右,與襯底 Si 材料的值相當 ,說明 材料質量很好。 在 Si/Ge 界面處 ,溝道產額有增加 ,這說明在界 面處晶體質量要差一些。3 硅基 Ge 材料的應用硅基 Ge 材料可能的應用范圍很廣。首先 ,它是硅基長波

20、長光電探測器的首選材料 ,它的應用對推動硅基光電子學的 發(fā)展 ,特別是硅基單片光電集成具有重要意義。其次,硅基 Ge外延材料可以作為硅基高速電路研究的新材料。由于Ge的電子和空穴遷移率都很高 ,近年人們正在投入大量精力開展 Ge MOS 電路的研制 ,并取得了一些很好的結果 ,可以預見 ,高性能的 Ge MOS 電路將會很快得以實現(xiàn)。但是Ge 的機械性能比 Si 差,價格貴 ,地球上的豐度低 ,將硅基 Ge 外延材料代替 Ge 單晶材料 ,在價格、與現(xiàn)有微電子工藝兼容性等方面顯然 具有明顯的優(yōu)勢。再其次,Ge與GaAs材料晶格匹配，硅基Ge 外延材料可以作為硅基 GaAs 等材料的襯底 ,在硅

21、基光電集 成、硅基高效太陽能電池研制等方面有重要應用前景。目前，硅基Ge外延材料的主要應用是硅基高速長波長光 電探測器。 如意大利的 Silvia Fama 等研制出的 Si 上 Ge 長波 長光電探測器16,用CVD方法生長4卩m的Ge作為光吸收 層,垂直入射的探測方式，在1.3卩m和1.55卩m處的響應度分 別為0.89 A/W和0.75 A/W,直徑為135卩m的器件的響應時 間吸收區(qū)與倍增區(qū)分離的 Ge/Si 雪崩光電探測器 (SACM-APD) 是另一重要的硅基長波長光電探測器。 Si 是最 好的倍增材料 ,Si APD 已經(jīng)很成熟 ,但是其帶隙決定了它不能 實現(xiàn)1310 nm和15

22、50 nm的光響應。在 Si上外延生長 Ge材 料，用Ge作為長波光響應吸收材料，而將Si作為倍增材料，可 以實現(xiàn)硅基長波長微弱信號的低噪聲探測。 目前 Intel 公司和 中國科學院半導體研究所都已研制出這種光電探測器。圖 6 是中國科學院半導體研究所研制出的吸收區(qū)與倍增區(qū)分離 的 Ge/Si 雪崩光電探測器的結構示意圖和不同入射光功率下 的光電流譜24。在N型高摻雜的Si襯底上首先生長700 nm 左右的不摻雜的Si倍增區(qū)，然后制備100 nm摻雜濃度為1.6 X 1017 cm-3的電荷層，在電荷層上外延1.0微米的不摻雜的 Ge吸收層和0.2微米的p型高摻雜Ge接觸層。制作臺面結 構器

23、件,器件的穿通電壓為 29 V,擊穿電壓為39.5 V,工作在39 V下，在1310 nm波長光下的光響應為 20 A/W,對應的倍增因 子為 40。 Intel 公司對他們研制的 Ge/Si SACM-APD 進行了 深入的特性分析 ,具有很好的直流和高頻特性 ,增益帶寬積達 到340 GHz25, 是目前報道的所有半導體 APD 器件的最好結 果。4 結束語經(jīng)過不懈努力 ,人們已經(jīng)可以在硅襯底上外延生長出晶 體質量優(yōu)良的 Ge 材料,并用這一材料研制出了多種結構的硅 基長波長高速光電探測器及其陣列,取得了重要進展。同時 ,人們也正在努力探索這一材料在其它方面的應用 ,如已經(jīng)用 它研制出了室

24、溫電注入發(fā)光器件26、在硅基Ge材料上外延生長出了 GaAs 等化合物半導體材料等?？梢灶A見 , 硅基 Ge 外延材料將以其優(yōu)良的加工性、低廉的價格、優(yōu)良的光電特 性、靈活優(yōu)異的集成性等特點,在微電子學、光子學、光電集成和高效太陽能電池等方面發(fā)揮重要作用。5 致謝本文介紹的部分工作得到 "973"課題(2007CB613404)、 國家自然科學基金項目 (60676005)和"863 計劃 "項目 (2006AA03Z415) 的資助。參考文獻1 Buwen Cheng, Haiyun Xue, Chunlai Xue, Chuanbo Li, Chen

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