（凝聚态物理专业论文）si基sige、ge弛豫衬底生长及其ge光电探测器研制.pdf

摘要 硅基硅锗材料因其优越的性能，特别是与成熟硅微电子工艺相兼容，在硅基 光电子器件如光电探测器、场效应晶体管等方面得到了广泛的应用，硅基硅锗薄 膜生长及相关器件的研制引起了人们浓厚的兴趣。然而由于锗与硅的晶格失配度 较大，在硅基上生长高质量硅锗和锗薄膜仍然是一个挑战性的课题，需要引入缓 冲层技术。本论文采用低温缓冲层技术在u h v c v d 系统上生长出高质量硅基硅 锗和锗弛豫衬底，并在此基础上研制出硅基长波长锗光电探测器。主要工作和研 究成果如下： 为了促进外延层应变弛豫、改善表面形貌，我们提出了低温g e 量子点缓冲 层制备s i g e 弛豫衬底的技术。分析了低温g e 量子点缓冲层在调节应力、湮灭位 错等方面的机理，系统地研究了低温g e 量子点缓冲层制备s i g e 弛豫衬底的生长 条件，制备出质量良好的s i 们2 g e o 2 8 弛豫衬底。s i o 7 2 g e o 2 8 外延层的厚度仅为3 8 0 n i n ，弛豫度高达9 9 ，位错密度低于1 0 5c m - 2 ，表面粗糙度小于2n l n ，表面无 c r o s s h a t c h 形貌，具有良好的热稳定性。 系统地研究了低温g e 缓冲层的生长温度和厚度对高温g e 外延层表面形貌、 应变弛豫等的影响和作用机理，探讨了低温s i g e 和g e 双缓冲层对g e 外延层晶 体质量改善的作用，优化了低温缓冲层生长条件，在u h v c v d 系统上生长出高 质量s i 基g e 薄膜。在硅衬底上制备的4 0 0n l n g e 外延层表面无c r o s s h a t c h 形 貌、表面粗糙度仅为o 7n n l ，x 射线衍射峰的峰形对称且峰值半高宽为4 7 0a r c s e c ，化学腐蚀位错坑法测试位错密度为5 1 0 5c m 2 。 研究了高温g e 外延层中张应变的产生机理以及对能带结构的影响。张应变 主要是由于g e 和s i 热膨胀系数的不同在g e 外延层从高温冷却到室温的过程中 产生的，实验测量张应变的大小和理论计算值相吻合。定量计算表明张应变每增 加0 1 ，直接带隙将减小1 4m e v 。 设计并制备了正入射s i 基长波长g ep i n 光电探测器。器件在1v 偏压下的 暗电流密度为2 0m m c m 2 ，在波长1 5 5r t m 处2 v 偏压下的响应度高达0 2 3a w 。 根据响应度计算s i 基张应变的g e 外延层在1 5 5p m 处的吸收系数比体g e 材料 提高了3 倍，达到3 0 0 0c m - l 。采用s o l 衬底g e 外延层制备的探测器观测到共振 增强效应。 关键词：低温缓冲层技术；硅锗弛豫衬底；锗薄膜；光电探测器 i i a b s t r a c t s i - b a s e ds i g em a t e r i a l sh a v eb e e ne x t e n s i v e l ya p p l i e di no p t o e l e c t r o n i cd e v i c e s s u c ha sp h o t o d e t e c t o r sa n dh i g hm o b i l i t ym e t a l - o x i d e s e m i c o n d u c t o rf i e l de f f e c t t r a n s i s t o r sd u et ot h e i ra d v a n t a g e o u sp r o p e r t i e s ，e s p e c i a l l yi nc o m p a t i b i l i t yw i t hs i m i c r o e l e c t r o n i cp r o c e s s i n g s i b a s e ds i g em a t e r i a l sa n dt h e i rr e l a t e dd e v i c e sh a v e a t t r a c t e dg r e a ta t t e n t i o n h o w e v e r ，i ti sag r e a tc h a l l e n g et o d i r e c t l yd e p o s i t l l i g h q u a l i t ys i g e e s p e c i a l l yg ef i l m so ns is u b s t r a t e sd u et o t h el a r g el a t t i c e m i s m a t c hb e t w e e ng ea n ds i 。t h i st h e s i sf o c u s e so nt h eg r o w t ho fr e l a x e d s i g ea n d g ev i r t u a l s u b s t r a t e s s s ) i nu l t r a - h i g hv a c u u mc h e m i c a lv a p o rd e p o s i t i o n ( u h v c v d ) s y s t e mu s i n gl o wt e m p e r a t u r eb u f f e rt e c h n i q u ea n dt h ef a b r i c a t i o no f s i - b a s e dg ep h o t o d e t e c t o r s t h ef o l l o w i n ga r et h ed e t a i l s ： a na p p r o a c hf o rt h eg r o w t ho fr e l a x e d s i g ev s sw i t hl o wt e m p e r a t u r eg e ( l t - g e ) i s l a n d sb u f f e rw a sp r o p o s e da n di n t e n s i v e l ys t u d i e d t h er o l eo fl t - g e i s l a n d sb u f f e ri nt h em e c h a n i s mo fs t r a i na d j u s t m e n ta n dd i s l o c a t i o na n n i h i l a t i o nw a s a n a l y z e d h i g h q u a l i t yr e l a x e d - s i 0 7 2 g e 0 2 8f i l m sw e r eg r o w no ns i ( 10 0 ) s u b s 仃a t e si n u h v c v ds y s t e mu s i n gl t - g ei s l a n d sb u f f e r s s i 0 7 2 g e 0 2 8f i l mw i t hat h i c k n e s so f o n l y38 0n l nh a sas t r a i nr e l a x a t i o nd e g r e eo f9 9 a n dat h r e a d i n gd i s l o c a t i o nd e n s i t y l e s st h a n10 5c m 2 n oc r o s s h a t c hp a t t e r ni so b s e r v e do nt h es i g es u r f a c ea n dt h e s u r f a c er o o t - m e a n - s q u a r e ( r m s ) r o u g h n e s si sl e s st h a n2m n a n n e a l i n ge x p e r i m e n t i n d i c a t e dt h a ts i g ef i l m sh a dg r e a tt h e r m a ls t a b i l i t y t h ei n f l u e n c eo fg r o w t ht e m p e r a t u r ea n dt h i c k n e s so fl t - g eb u f f e r so nt h e s u r f a c em o r p h o l o g ya n ds t r a i nr e l a x a t i o no fe p i t a x i a l g e ( e p i g e ) f i l m sw a s s y s t e m i c a l l yi n v e s t i g a t e d ，a n dt h er o l eo fl t - s i g ea n dg ed o u b l eb u f f e r st oi m p r o v e t h eq u a l i t yo fe p i g ef i l m sw a ss t u d i e d h i 曲q u a l i t yr e l a x e d g ef i l m sw e r eg r o w no n s i ( 10 0 ) s u b s t r a t e s i nu h v c v ds y s t e mw i t ho p t i m i z e db u f f e rl a y e r s x r a y d i f f r a c t i o np e a ko f4 0 0n i n - g ee p i t a x i a l l yd e p o s i t e do ns is u b s t r a t ei ss y m m e t r i c 、) r i t h af u l lw i d t ha th a l fm a x i m u m ( f w h m ) o f4 6 0a r cs e e ，t h et h r e a d i n gd i s l o c a t i o n d e n s i t yi sm e a s u r e dt ob e5 x10 5c m 乞u s i n ge t c h i n gp i t sc o u n t i n gm e t h o d t h e r ei sn o i i i c r o s s h a t c hp a t t e mo nt h eg es u r f a c ea n dt h es u r f a c er m sr o u g h n e s si so n l y0 7n l n t h eo r i g i no ft e n s i l es t r a i ni ne p i - g ea n di t se f f e c to nt h eb a n ds t r u c t u r ew a s i n v e s t i g a t e d t e n s i l es t r a i nw a sd e v e l o p e dw h e nc o o l i n gd o w nd u et ot h ed i f f e r e n c ei n t h e r m a le x p a n s i o nc o e f f i c i e n t sb e t w e e ng ea n ds i t h ee x p e r i m e n t a ld a t af o rt e n s i l e s t r a i na g r e e sq u i t ew e l lw i t ht h et h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o n t e n s i l es t r a i nl e a d st ot h e d i r e c tb a n d - - g a ps h r i n k a g eo fe p i g ea tar a t eo f14 0m e vp e rp e r c e n tc a l c u l a t e db a s e d o nd e f o r m a t i o np o t e n t i a lt h e o r y n o r m a l i n c i d e n ts i - b a s e dg ep i np h o t o d e t e c t o r sw e r ed e s i g n e da n df a b r i c a t e d t h ed a r kc u r r e n td e n s i t yi s2 0m m c m za t - 1vr e v e r s eb i a s a tw a v e l e n g t h1 5 5p m ， t h er e s p o n s i v i t yi s0 2 3a wa t - 2vr e v e r s eb i a s t h ea b s o r p t i o nc o e f f i c i e n to f t e n s i l e s t r a i n e de p i g ea t1 5 5p mi sc a l c u l a t e dt ob e3 0 0 0c m ，w h i c hi s3t i m e st h a t o f b u l k g e r e s p o n s es p e c t r u m o f e p i - g ep h o t o d e t e c t o rf a b r i c a t e d o n s i l i c o n o n i n s u l a t o rs u b s t r a t es h o w ss t r o n gr e s o n a n te n h a n c e m e n te f f e c t k e y w o r d s ：l o wt e m p e r a t u r eb u f f e rt e c h n i q u e ；r e l a x e d - s i g es u b s t r a t e s ；g ef i l m s ； p h o t o d e t e c t o r s i v 厦门大学学位论文原创性声明 本人呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立完成的研究成 果。本人在论文写作中参考其他个人或集体已经发表的研究成果，均 在文中以适当方式明确标明，并符合法律规范和厦门大学研究生学 术活动规范( 试行) 。 另外，该学位论文为( ) 课题( 组) 的研究成果，获得( ) 课题( 组) 经费或实验室的 资助，在() 实验室完成。( 请在以上括号内填写课 题或课题组负责人或实验室名称，未有此项声明内容的，可以不作特 别声明。) 声明人( 签名) 同岔久 妒1 年厶月乡日 厦门大学学位论文著作权使用声明 本人同意厦门大学根据中华人民共和国学位条例暂行实施办 法等规定保留和使用此学位论文，并向主管部门或其指定机构送交 学位论文( 包括纸质版和电子版) ，允许学位论文进入厦门大学图书 馆及其数据库被查阅、借阅。本人同意厦门大学将学位论文加入全国 博士、硕士学位论文共建单位数据库进行检索，将学位论文的标题和 摘要汇编出版，采用影印、缩印或者其它方式合理复制学位论文。 本学位论文属于： () 1 经厦门大学保密委员会审查核定的保密学位论文， 于年月日解密，解密后适用上述授权。 () 2 不保密，适用上述授权。 ( 请在以上相应括号内打“”或填上相应内容。保密学位论文 应是已经厦门大学保密委员会审定过的学位论文，未经厦门大学保密 委员会审定的学位论文均为公开学位论文。此声明栏不填写的，默认 为公开学位论文，均适用上述授权。) 声明人( 签名) ： 扣。c 7 年? 月弓日 用岔久 第一章绪论 1 1 研究背景和意义 第一章绪论 众所周知，硅微电子技术的发展是2 0 世纪最引入注目的高新技术成就之一， 已经引起人们日常生活乃至整个社会的巨大变革，并且在可以预见的将来，仍将 产生深远的影响。硅微电子器件性能的不断提高依赖于按比例不断减小器件的尺 寸。现在以4 5n l t l 为特征线宽的深亚微米集成电路工艺已经进入了工业化阶段， 硅微电子技术越来越接近物理尺寸的量子极限；此外，铜导线互联引起的信号延 迟、器件的功耗和散热也成为了制约尺寸缩小的难题。另一方面，计算机和通信 网络的发展，希望微电子器件具有更快的响应速度、更大的数据存储量和更高的 传输速度。硅基光电子学有望打破微电子学的诸多局限并扩展其性能，成为在世 界范围内特别受关注的重大研究课题。 s i g e 材料是近年兴起的新型半导体材料，其性能的优越性，特别是与成熟 硅微电子工艺的兼容性，使s i g e 材料在硅基光电子器件如发光器件【1 3 】、光电探 测器【4 、光调制器o 】以及高迁移率场效应晶体管【1 1 】等方面得到了广泛的研究与 应用。此外，g e 和g a a s 的晶格失配度低，仅0 0 7 ，g e 成为在s i 衬底上生长 g a a s ，进而实现i i i v 族光电子材料和器件与s i 基集成的理想弛豫衬底【1 2 】。开展 s i 基s i g e 材料生长与相关器件研究工作具有重要现实意义。 s i 基光电子器件研制的基础是高质量s i 基s i g e 薄膜的生长。然而在硅衬底 上外延s i g e 薄膜的最大挑战是由晶格失配和热膨胀失配引起的高表面粗糙度和 高位错密度【1 3 ，1 4 】。粗糙的表面将增加器件的制作工艺难度；穿透位错将降低器件 的性能。降低表面粗糙度和减少穿透位错密度成为高质量s i 基s i g e 薄膜生长的 关键。通过s i g e 缓冲层技术的引入，将s i g e s i 的失配应变能在缓冲层内逐步释 放，不仅降低s i g e 层的表面粗糙度，而且降低其位错密度，大大提高了s i g e 外延层的晶体质量。高质量s i g e 弛豫缓冲层( 弛豫衬底) 是s i 基光电子器件集 成化的理想平台。 s i 基s i g e 材料的应用之一是克服硅吸收边波长短的限制，制备长波长光电 s i 基s i g e 、g e 弛豫衬底生长及其g e 光电探测器研制 探测器。光电探测器是未来光通信和光电集成的关键器件。室温下s i 的禁带宽 度为1 1 2e v ，截止波长为1 1p m ，尽管s i 材料成功地应用在0 8 5p m 短波段探 测上【1 5 】，却无法应用于长波长( 1 3 1 5 5p m ) 光电探测器。与s i 同族的元素半 导体g e 材料室温下禁带宽度为0 6 7e v ，吸收系数相对较大，而且与s i 工艺完 全兼容，便于实现光电互连和光电集成，降低成本，因此硅基外延g e 薄膜成为 s i 基长波长光电探测器的最理想材料。 本文开展了s i 基s i g e 光电子材料和器件的研究工作，采用低温缓冲层技术 在超高真空化学气相沉积系统上生长了高质量s i g e 和g e 弛豫衬底，并在此基 础上研制了s i 基长波长g e 光电探测器，为s i 基光电子材料与器件的研究打下 一定基础。 1 2si 基弛豫sig e 和g e 生长的研究进展 高质量s i g e 弛豫衬底的基本性能要求为：弛豫度高、位错密度低和表面粗 糙度小，另外为满足后续工艺过程的需要，要求热稳定性好、缓冲层厚度薄( 减 少材料损耗、缩短生长周期、利于集成等) 。人们提出了多种缓冲层技术来制备 各组份s i g e 弛豫衬底，主要有三类：组份变化缓冲层技术( 改变s i g e 层组份) 、 低温技术( 改变生长温度) 、选区外延技术( 改变衬底形貌) 。 1 2 1 组份变化缓冲层技术 根据s i g e 缓冲层中g e 组份变化的情况，组份变化缓冲层技术可以分为三 类：组份线性增加、组份阶梯增加和组份线性降低。 传统的使用最广泛的方法是组份线性增加法【1 6 1 。s i g e 缓冲层的组份线性增 加，直到所需要的组份，最后生长组份恒定的盖帽层。随着生长的进行，外延层 厚度的增加，积累的应变能通过产生失配位错被逐步释放，位错分布在整个组份 线性缓冲层内，各界面处的位错密度降低，位错的钉扎几率减小，利于已有位错 半环的扩展运动，限制了新的位错产生，降低了线位错密度，位错在s i g e 缓冲 层内的分布如图1 1 ( a ) 所示。g e 组份的变化率一般控制为l o r t m 。b o g u m i l o w i c z 2 第一苹绪论 等1 1 1 制备的完全弛僚s i o 4 9 g e o5 i 衬底位错密度只有3 x 1 0 sc , m - 2 ，表面粗糙度达1 2 n l n ，总厚度为6 p m 。c u n i e 等【l 埘采用组份渐变s i g e 缓冲层和化学机械抛光技术 并二次外延，获得o e 层的位错密度降低到2 l x l 0 6 c m o ，表面粗糙度达2 4n n l 。 p a o m a s 等【1 9 】采用低能等离子化学气相沉积设备( l e p e c v d ) 快速生长1 p m - g e 1 0p m - s i t o e ( 4n m s ) ，g e 层的位错密度低至1 x 1 0 5c 1 1 1 - 2 ，表面粗糙度仅 为3 , 2r o l l 。组份线性增加s i o _ e 缓冲层技术的优点是外延层的应变弛豫度高，位 错密度低；缺点是表面呈现c r o s s - h a t c h 形貌，而且g e 组份变化奉和最后g e 组 份越高，表面粗糙度越大；s i g c 缓冲层比较厚，生长周期过长，材料导热性变 差，并且不利于与其他光电器件集成。 置匹疆型睢 图1 - 1s i 基s i g e 缓冲层中位错分布t e m 截面图 ( a ) 组份线性增加f l q ：( b ) 双层s i g e 缓冲层吲；( e 组份线性降低b “ 另一种方法是s l o e 组份阶梯增加缓冲层法。s i g e 缓冲层的组份量阶梯状增 加，在保证晶体质量的情况下，大大降低了缓冲层的厚度。m o o n e y 等m2 ”分析 了组份跳变缓冲层的应变弛豫机制并制备了s i o7 0 e o ，弛豫衬底，总厚度仅有1 6 g m ，弛豫度达到了9 0 ，表面租糙度小于4n m 。l u o 等阻提出了组份跣变的双 层s i o e 缓冲层法生长g e 材料，通过界面应力限制位错的传播和原位退火湮灭 位错，l 如1 厚的g c 外延层位错密度为3 x 1 0 6 c r l 2 ，表面粗糙度为3 2 t i m ，两层 s i g e 的总厚度只有1 6 岫，位错分布如图1 - 1 ( b ) 。h u a n g 等脚链一步调整两层 s i g e 的组份。使得缓冲层的总厚度降低到0 5 “m ，g e 层的晶体质量依j ! l 很好， 位错密度为7 x l 旷锄o 。 最近“u 等i 抖珊提出了组份线性降低缓冲层技术。首先生长组份线性减少的 r o s i o e 缓冲层，然后生长组份恒定的s i o e 层。利用r g s i o e s i 界面处( o e 鼍， 韫一 s i 基s i g e 、g e 弛豫衬底生长及其g e 光电探测器研制 组份最高，晶格失配最大) 巨大的失配应力使得位错成核并且滑移，增加弛豫度。 在9 0n l n 厚的r g s i g e 缓冲层上的恒定组份s 砒8 g e o 3 2 层，弛豫度达8 0 ，位错 密度 1 0 个，浓度 1 0 1 8c m 3 ) 空位团簇( 缺陷) ；p a l a n g e 等【2 9 】采用椭 偏仪观察到超高真空c v d ( u h v c v d ) 低温生长的g e 层中存在大量点缺陷) ， 点缺陷的存在降低了材料的弹性常数，使其机械性能变差，起到柔性衬底的作用： 调节应力、湮灭位错。已有实验在低温s i 缓冲层中观察到大量位错，低温s i 受 到张应变，参与了应力释放；而且点缺陷能够“捕获”位错( 湮灭没错) ，使外 延层的位错密度降低【2 8 ，3 0 1 。 低温缓冲层技术根据低温生长的材料不同可以分为：低温s i 、低温s i g e 和 低温g e 技术。低温s i 和低温s i g e 技术多在固态源如m b e 设备中使用，低温 g e 技术在固态源和气态源设备中( m b e 和c v d ) 均适用。因为低温( 3 0 0 - 4 0 0 o c ) 裂解气态生长源如s i h 4 和s i 2 h 6 比较困难，而裂解g e h 4 相对容易。c h e n 等 【3 1 】最早提出m b e 生长的低温s i 缓冲层技术，随后该技术得到了广泛的应用。 l i n d e r 等【3 2 】采用气源m b e 和u h v c v d 设备在低温s i 缓冲层上生长了位错密度 低至1 0 4e m 之的s i o 8 5 g e o l 5 s i 。l i 等【3 3 】采用m b e 设备研究了在一定低温s i 缓 冲层生长条件下( 生长温度4 0 0o c ，厚度5 0n m ) ，s i o 7 g e o 3 层的不同厚度对应变 弛豫的影响，获得了厚度为5 0 0n m 、弛豫度达9 0 、位错密度为1 0 5c m 五的高 质量s b g e o 3 弛豫衬底。l u o 等【3 4 , 3 5 】利用m b e 设备从s 妣g e o 2 晶体的表面形貌 4 第一章绪论 和位错密度等研究优化了低温s i 层的生长条件( 生长温度为4 0 0o c 、厚度为2 0 0 n m ) 并获得了厚度为5 0 01 1 1 t i 、表面粗糙度为1 9n m 、位错密度为1 0 5c m 七的 s i o7 g e o3 弛豫衬底。l e e 等1 3 6 】采用m b e 设备对低温s i 缓冲层上生长的s i g e 弛 豫衬底作了深入的研究。尽管低温s i 技术在低组份弛豫s i g e 层( g e 组份s 0 3 ) 的制备中发挥出巨大的优势，在高组份s i g e ( g e 组份 o 3 ) 的生长中却失败了， 可能的原因是随着g e 组份的增加，衬底与外延层的失配度增大，表面呈现3 d 生长，导致位错密度偏高。 在低温s i 技术的基础上又扩展提出了低温s i g e 技术【3 7 4 1 1 ，低温s i g e 技术 在制备高组份s i g e 弛豫衬底上发挥出巨大的优势。m y r o n o v 等【3 7 3 8 】采用m b e 设备优化了低温s i g e 的生长条件，在s i 基和s o i 基上外延了高组份弛豫s i o 3 g e o 7 层，应变弛豫度高达9 5 ，表面粗糙度为1a m ，位错密度仅为5 x 1 0 4c m 七。p e n g 等【3 9 】提出循环低温s i g e 缓冲层技术生长了高质量s 妣g e o 9 层。利用m b e 设备 依次生长5 0 n l nl ts i 5 0 0 n l nh ts i o 7 g e o 3 5 0 n l t ll ts i o 7 g e o 3 5 0 0 n l nh t s i o 4 g e o 6 5 0 n l nl ts i o 4 g e o 6 5 0 0 h i l lh ts i o 1 g e o 9 ，低温生长温度为4 0 0o c ，高温 生长温度为5 5 0o c 。缓冲层的总厚度为1 6g m ，上层s i 0 1 g e o 9 层的位错密度为 5 x 1 0 6c m - 2 ，弛豫度为9 0 。 低温g e 技术主要应用在g e 薄膜的生长上，由f u k u d a 等【4 2 掣】在1 9 8 7 年提 出，他们在m b e 系统上发现在生长高温g e 之前预先生长一层低温g e 层，g e 薄膜的晶体质量有明显的改善，z h o u 等【4 5 】和b a r i b e a u 等【4 6 】的研究也证实了这一 发现。1 9 9 1 年，c u n n i n g h a l t l 等【4 7 1 率先在u h v c v d 系统上开展低温g e 层生长 研究。1 9 9 8 年，l u a n 等【4 8 】在u h v c v d 设备中采用低温g e 作缓冲层，生长出 高质量的厚g e 外延层，随后h a r t m a n n 等【4 9 】和h a l b w a x 等【5 0 j 引用这项技术报道 了高质量g e 薄膜的生长。低温g e 技术的优点是低温缓冲层很薄( 3 0 - - 6 0n m ) ， 并且g e 外延层的表面平整( 表面粗糙度仅o 4 2n m ) ，无c r o s s h a t c h 形貌；不 足之处是位错密度偏高( 1 0 8c m 。2 ) ，需要高温退火进一步降低位错密度。退火时 g e 和s i 晶格膨胀系数不同产生热失配应力，推动位错运动并反应，使位错湮灭， 退火过程可以使位错密度降低2 3 个数量级。为了减小退火带来的不利和不便， n a k a t s u r u 等【5 1 】和l o h 等【5 2 】又提出在生长低温g e 层之前生长一层超薄低温s i g e 层( s i g e 层中g e 组份o 2 0 5 ，厚度5 3 0n m ) ，使g e 层的位错密度降低。 s i 蓍s i c , * 、6 e 弛谁衬底生长爰其g e 光电探测嚣研制 1 2 3 选区外延技术 选区外延是指首先在衬底上通过光刻、刻蚀形成周期性的图形( 图形衬底) ， 然后再选择性地外延。选区外延极大地降低了外延层中的位错密度。图形衬底对 位错的阻止( 湮灭) 作用原理可以用图1 - 2 说明口3 】。对于s i g c s i 材料系统，界 面处的失配位错沿【1 1 0 】方向，线位错在( 1 1 1 ) 面内运动，位错b u r g e r s 矢量与 s i ( 1 0 0 ) 面的夹角为4 5 。当图形刻槽的深度大于其宽度时，位错将会被倒壁 ( s i 0 2 ) 阻止并湮灭，从而降低上外延层的位错密度。 【r 一 图1 2 ( _ ) s i g e t s i 材料系位错分布示意图 ( b ) 图形材底阻止位错传输原理图【5 3 l ( c ) 图形衬底上g e 外延层位错分布t e m 截面图侧 p 破等 g t l 对深度为5 0 0 砌宽度为4 0 0 n m 的s j 0 2 掏槽中生长的g e 薄膜进 行观测发现，大部份线位错被s i 0 2 侧壁阻止在叫0 0 n m 深度以内，上部份g e 层 中位错很少，甚至没有线位错，如图1 - 2 ( c ) 所示nl a n g d o 等p 3 l 和l i 等嘲分别 采用u h v c v d 和m b e 设备在s i o v s i 形成的深坑中生长高质量0 e 薄膜。0 e 第一章绪论 层选择生长在深坑里面( g e 在s i 0 2 上无法成核生长) ，达到一定厚度时( 坑的 深度) 开始侧向生长，最后连成一片。t e m 测试发现g e 层中只存在一定量的堆 垛层错和孪晶界，没有线位错。l u a n 等【4 8 】采用u h v c v d 设备在s i 0 2 s i 图形衬 底上选区生长的g e 层位错密度低达2 3 x 1 0 6c m - 2 ，甚至在较小的台面上没有发 现线位错。v a n a m u 等【5 6 - 5 8 在1 d 和2 ds i 图形衬底上采用c v d 设备生长了高 质量的g e s i g e s i 材料。在图形周期一定的情况下，随着台面尺寸的减小，g e 外延层中的位错密度急剧降低。当1 d 光栅周期为1o m ，台面宽度只有2 0 0n m 时，g e 外延层位错密度仅有4 x 1 0 5c m - 2 。直接生长在2 d 图形衬底上的1 0 “mg e 层，位错密度低达5 x 1 0 5c r n - 2 ，比生长在平面s i 衬底上的降低了3 个数量级； 并且g e 层表面平整，表明无c r o s s h a t c h 形貌，表面粗糙度为2n l t l 。 随着缓冲层技术的高速发展，低组份s i g e 弛豫衬底的制备已经取得了较大 进展，但是高组份s i g e 弛豫衬底特别是g e 薄膜的制备依然是个挑战( 组份越 高，失配度越大，导致表面起伏越严重、位错密度越高) ，还需要深入的研究。 1 3si 基g e 光电探测器的研究进展 s i 基长波长g e 光电探测器的研究已有多年历史，早在1 9 8 4 年，l u r y i 等【5 9 】 就采用m b e 外延开始s i 基g e 探测器的研制。为了降低位错和减小表面粗糙度， 他们采用组份阶梯变化s i g e 层作为缓冲层生长n i pg e ，g e 层的位错密度为1 0 9 c m - 2 。器件在1 4 5 “m 处量子效率达4 0 ，暗电流密度为5 0m a c m 2 。s i 基g e 外延困难使s i 基g e 探测器的性能无法提升，s i 基g e 探测器的研制工作停滞不 前，此后十多年s i 基探测器的研究集中在应变s i g e ( c ) s i 超晶格材料上【6 0 石3 1 。 近年来材料生长技术的进步和设备的改进，已经能够在s i 衬底上生长出高质量 g e 薄膜，人们重新选择g e 作器件的吸收区，s i 基g e 探测器得到飞速发展。 1 9 9 8 年，s a m a v e d a m 等【6 4 1 采用组份渐变s i g e 缓冲层加上化学机械抛光，经过 二次外延，在1 0i x m s i g e 缓冲层上生长出高质量g e 层，g e 层位错密度降低到 2 1 x 1 0 6 c m 2 。制作的p i n 探测器在1 3t t m 处量子效率高达1 2 6 ，1v 偏压下暗电 流密度只有0 1 5m a c m 2 ，理论带宽达2 3 5g h z 。 2 0 0 4 年，h u a n g 等【6 5 】采用两层不同组份的薄s i g e 缓冲层生长了s i 基高质量g e 7 s i 基s i g e 、g e 弛豫衬底生长及其g e 光电探测器研制 薄膜并制作了异质结探测器。该探测器在1 3g m 处的响应度为0 5 7 w ，2v 偏 压下暗电流密度为2 8m a c m 2 ，1 0v 时带宽达8 1g h z 。进一步优化缓冲层的结 构和g e 吸收区的厚度，将g e 探测器的带宽提高n 2 1g h z 2 3 】。 1 9 9 8 年，c o l a n c e 等【6 6 】提出低温高温两步法直接在s i 基上外延g e 层，制 作的g e 金属半导体金属( m s m ) 探测器在1 v 时1 3g m 处响应度为0 2 4a w ， 响应时间为2n s 。随后引入循环退火降低g e 层位错密度，进一步提高了g e 探 测器的性能。在1 3r t m 和1 5 5g m 处的响应度分别达0 5 5a w 和0 2 5a w 6 7 1 。 增加g e 外延层的厚度至4 岫，制作的g ep i n 探测器在1 3l x m 和1 5 5g m 处的 响应度分别高达0 8 9a w 和0 7 5 w ，暗电流密度为1 1m a c m 2 ，响应时间小 于2 0 0 p s 【6 引。 2 0 0 5 年，r o u v i 邑r e 等【6 9 】采用减压化学气相沉积设备在s o l 衬底上生长3 2 0 n n l g e 外延层，制作了g em s m 探测器。金属指宽为2l a m 、指间距为o 5l x m 的 器件在1 5 5l x m 处带宽高达3 6 5g h z 。同年，j u t z i 等【7 0 l 采用m b e 设备生长g e 薄膜并制作了g ep i n 探测器，本征吸收区厚度仅为0 3p m ，在2v 时器件的带 宽高达3 8 9g h z 。 2 0 0 5 年，d o s u n m u 等【7 1 1 报道了第一个谐振腔增强型g e 肖特基探测器。利 用s o l 衬底作为上反射镜，金属a u 同时作为肖特基接触和下反射镜形成共振腔。 器件在1 5 4r t m 处响应度为0 7 3 w ，带宽为1 2 1g h z 。 2 0 0 7 年，m i t 小组【7 2 】报道了s i 基g e 波导型p i n 探测器，响应度在较宽的 波长范围内均超过了1 w ，1v 偏压下带宽为7 2g h z 。紧随其后，v i v i e n 等 【7 3 ，7 4 】报告了g e 波导型m s m 和p i n 探测器，6v 偏压下带宽分别高达2 5 和4 2 g h z 。i n t e l 公司【7 5 】也报告了波导型g ep i n 探测器，2v 偏压下带宽达3 1 2g h z 。 波导型探测器将光的传播方向和光生载流子运动方向分开，不仅提高了响应度和 带宽，并且容易与波导、调制器等更好的集成。 图1 3 总结了近十年来s i 基g e 光电探测器的带宽研究进展。s i 基g e 探测 器研究发展迅猛，探测器的带宽已达4 0g h z 【7 0 7 4 ，7 5 1 ，波长1 5 5g m 处的响应度 高达la w 7 2 扔】。s i 基g e 探测器的不足之处是暗电流偏大，无法满足实际应用 的要求，s i 基g e 薄膜生长技术和器件制作工艺还需要进一步的研究和优化。 8 第一章绪论 ，、 n z o 、 上 - j 勺 勺 a c 寸 图1 3s i 基g e 光电探测器带宽研究进展 1 4 本论文主要工作和结构安排 本论文的主要工作是采用低温缓冲层技术在自主研发的u h v c v d 系统上 生长高质量s i o 7 2 g e o 2 8 和g e 弛豫衬底，并在此基础上研制了长波长( 1 3 1 5 5p m ) g e 光电探测器，为s i 基光电子材料和器件的研究提供参考。 本论文的结构安排为： 第二章简单介绍s i g e s i 材料生长的u h v c v d 设备和薄膜质量的测试表 征方法。 第三章提出低温g e 量子点缓冲层制备s i g e 弛豫衬底的技术，分析了该技 术在促进应变弛豫、改善表面形貌以及降低位错密度等方面的机理。利用低温 g e 量子点缓冲层技术在u h v c v d 系统上生长出高质量s i o 7 2 g e o 2 8 弛豫衬底， 并且研究了g e 量子点的生长温度和高温退火对s i g e 弛豫衬底的影响。 第四章系统地研究了低温g e 缓冲层的生长温度和厚度对高温g e p 延层表 面形貌、应变弛豫等的影响和作用机理，探讨了低温s i g e 和g e 双缓冲层对g e p 延层晶体质量改善的作用，优化了缓冲层生长条件，在u h v c v d 系统上生长出 高质量s i 基g e 薄膜。在高温g e 层中观察到少量张应变，研究了张应变的产生机 理以及对能带结构的影响。 9 s i 基s i g e 、g e 弛豫衬底生长及其g e 光电探测器研制 第五章设计并制备s i 基和s o i 基长波长g e 光电探测器。分析了探测器的 性能参数，设计了s i 基长波长光电探测器的吸收区材料、器件结构以及尺寸大 小，优化了器件制作工艺，完成了s i 基和s o i 基垂直入射g ep i n 光电探测器的 材料生长与器件制备，分析讨论了探测器的性能测试结果。 第六章全文的总结与展望。 1 0 一一一 星二皇丝堡 一 - _ - - _ _ i _ l _ - - - i _ l _ _ - _ - i _ - _ _ _ - - _ _ - - _ i _ l _ _ l _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ - _ _ 一一 参考文献 【1 】yh c h e n ，c l i ，z w z h o u , e t a 1 r o o mt e m p e r a t u r e p h o t o l u m i n e s c e n c e o f t e n s i l e s t r a i n e dg e s i o 1 3 g e o 8 7q u a n t u mw e l l sg r o w no ns i l i c o n b a s e dg e r m a n i u mv i r t u a l s u b s t r a t e 【j 】a p p p h y s l e t t ，2 0 0 9 ，9 4 ( 1 4 ) ：1 4 1 9 0 2 1 - 3 【2 】j f l i u , x c s u n , d p a n ，e ta 1 t e n s i l e s t r a i n e d ，n - t y p eg e 嬲ag a i nm e d i u mf o r m o n o l i t h i cl a s e ri n t e g r a t i o no ns i 【j 】o p t i c se x p r e s s ，2 0 0 8 ，1 5 ( 1 8 ) ：1 1 2 7 2 - 1 1 2 7 7 【3 】j el i u , x