（微电子学与固体电子学专业论文）si基ge材料的外延生长、原位掺杂及其光电性质.pdf

厦门大学学位论文著作权使用声明f 伽咖 y 2 2 5 6 2 6 9 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) ：7 舌诋到 加- 年哆月z 日 摘要 硅基锗材料因其优异的光电性能，广泛应用于硅基光电集成和微电子等领 域。硅基锗材料的生长及其相关器件的研制引起人们浓厚的兴趣。由于锗与硅的 晶格失配度较大，在硅衬底上生长高质量锗材料仍然是一个挑战性的课题，需要 引入缓冲层技术。而保持较好晶体质量下，提高原位掺杂锗材料中的掺杂浓度也 是器件应用中亟待解决的课题。本论文采用低温缓冲层技术在u h v c v d 系统中 生长出高质量硅基锗材料，较系统地研究了g e 的原位掺杂技术，并在此基础上 研制出硅基g ep n 结和p i n 结构。主要工作和研究成果如下： 1 、提出采用低温相干g e 岛缓冲层并结合s i g e g e 超晶格插层的方法，在s i 衬 底上外延生长高质量g e 材料。研究了低温g e 缓冲层和s i g e g e 超晶格插层 在降低g e 材料位错密度和提高表面平整度等方面的作用机理。在硅衬底上 制备出8 8 0n n l 的厚g e 外延层，其表面无c r o s s h a t c h 形貌，表面粗糙度仅为 o 7 2n r n ，x 射线衍射峰的峰形对称且峰值半高宽为2 7 3a r cs e c ，化学腐蚀位 错坑法测试位错密度为1 4 9 1 0 6 c m 。 2 、提出了g e 中硼( b ) 和磷( p ) 原位掺杂的表面动力学模型，较好地解释了实验中 生长速率和掺杂浓度的变化规律。在6 3 0 。c 的生长温度下，以b 2 h 6 和p h 3 为 源气体，探索了掺杂源气体流量对g e 生长速率、样品表面形貌及掺杂浓度 的影响。结果表明在掺杂时样品的生长速率变小，掺杂浓度随源气体流量增 加而增加，表面粗糙度有所增加。当生长温度降低到5 0 0 时，s i 基n 型g e 材料的原位掺杂浓度可以提高到6 6 7 1 0 1 8 c m 一。通过对样品的测试分析，结 果表明在锗的原位掺杂中存在提高掺杂浓度和保持较好晶体质量的矛盾。通 过p l 谱和x r d 谱的表征，研究了7 0 0 下不同退火时间对原位p 掺杂s i 基g e 材料性质的影响，结果表明退火能改善材料晶体质量，但是，p 的扩散 却降低了材料的掺杂浓度。 3 、在s i 基n g e 材料上溅射6 0 n m 的n i ，通过快速热退火测试其热稳定性。结 果表明，低阻n i g e 在3 0 0 开始生成，到7 0 0 表面n i g e 才开始发生团聚 现象。s e m 和x r d 测试很好地分析了方块电阻随退火温度的变化机理。并 通过线性传输线方法对其欧姆接触的比接触电阻率进行测量，其中n i 与掺杂 浓度为6 6 1 1 0 ”c m 刁的n g e 的欧姆接触获得了较低的比接触电阻率。 4 、优化材料和器件制备工艺，制作了s i 基g ep n 结和s o i 基g ep i n 结构。优 化后的g ep n 结在1v 偏压下器件的漏电流密度为5 9 m a c m 2 ，+ 1v 偏压下 p n 结的正向电流密度为1 0 9 a c m 2 ，整流比为1 8 4 x1 0 2 。结果发现退火对 g ep i n 结构的漏电流的减小和电致发光的强度都有改善作用。电致发光谱表 明1 0 m a 时p i n 结构就开始发光，而且随着注入电流增大发光强度增强，发 光峰位发生红移。 关键词：低温锗缓冲层技术；s i g e g e 超晶格；原位掺杂；s i 基g ep n 结； s o i 基p i n 结构 i i a b s t r a c t s i - b a s e dg 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 nt h ef i e l do fs i b a s e d o p t o - e l e c t r o n i ci n t e g r a t i o na n dm i c r o e l e c t r o n i cd e v i c e sd u et o t h e i ra d v a n t a g e o u s p r o p e r t i e s s i - b a s e dg em a t e r i a la n dt h e i rr e l a t e dd e v i e sh a v ea 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 s ag 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 th i g h - q u a l i t yg ef i l m so ns i s u b s t r a t e sd u et ot h el a r g el a t t i c em i s m a t c hb e t w e e ng ea n ds i ，a n dap r o p e rb u f f e r l a y e ri sn e e d e dt oo v e r c o m ei t w h e nt h eg em a t e r i a l sa r ep u tt ot h eu s eo ft h ed e v i c e s ， o p 。一。 i ti sa nu r g e n ti s s u et oi m p r o v et h ed o p i n gc o n c e n t r a t i o na n dk e e pt h eh i g hc r y s t a l q u a l i t yo fd o p i n gs a m p l e sa tt h es a m et i m e t h i st h e s i sf o c u s e so nt h eg r o w t ho fg e m a t e r i a l sa n di n s i t ud o p i n gg eo ns i l i c o ni n u l t r a - h i g hv a c u u mc h e m i c a lv a p o r d 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 e ，a n dt h e f a b r i c a t i o no fs i - b a s e dg ep nj u n c t i o na n ds o i - b a s e dp i ns t r u c t u r e t h ef o l l o w i n g a r et h ed e t a i l s ： 1 h i g h - q u a l i t ys i b a s e dg em a t e r i a l sw e r ee p i t a x i a l l yg r o w nw i t hal o wt e m p e r a t u r e s e l f - p a t t e r n e dg ec o a l e s c e n c ei s l a n d st e m p l a t ec o m b i n i n gt h es i g e g es t r a i n e d l a y e rs u p e r l a t t i c e s ( s l s s ) t h er o l eo fl o wt e m p e r a t u r eg eb u f f e ra n ds i g e g e s l s si nr e d u c i n gd i s l o c a t i o nd e n s i t ya n df l a t t e n i n gt h es u r f a c ea r es y s t e m a t i c a l l y s t u d i e d b yt h e s et w ot e c h n i q u e s ，t h ed i s l o c a t i o nd e n s i t yw a sf o u n dg r e a t l y r e d u c e d x r a yd i f f r a c t i o np e a ko f8 8 0 n m - 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 e i ss y m m e t r i cw i t haf u l lw i d t ha th a l fm a x i m u m ( f w h m ) o f2 7 3a r cs e c ，t h e t h r e a d i n gd i s l o c a t i o nd e n s i t yw a sm e a s u r e dt ob ea r o u n d1 4 9 10 6 c m 2u s i n g e 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 oc r o s s h a t c hp a t t e mo nt h eg es u r f a c e a n dt h er o o t - m e a n s q u a r e ( r m s ) s u r f a c er o u g h n e s si sa b o u t0 7 2 n m 2 a ni ns i t ud o p i n gm o d e lb u i l tb yc o n s i d e r i n gt h et r a n s p o r t a t i o np r o c e s s e sa n dt h e r e a c t i o n so fb - a n dp - c o n t a i n i n gs p e c i e sw e l le x p l a i n st h eg r o w t hr a t ea n d c o n c e n t r a t i o ni nt h ee x p e r i m e n t i ns i t ud o p i n go ft h es i - b a s e dg ef i l m sw e r e s t u d i e da tt h eg r o w i n gt e m p e r a t u r eo f6 3 0 。c b 2 h 6 ( 0 5 ) a n dp h 3 ( 0 5 ) d i l u t e d w i t h h y d r o g e nw e r e u s e da st h ep - t y p ea n dn t y p ed o p a n ts o u r c e g a s e s d e p e n d e n c eo ft h eg r o w t hr a t e ，s u r f a c em o r p h o l o g ya n dd o p i n gc o n c e n 仃a t i o no n t h ef l o wr a t e so ft h es o u r c eg a s e sw a se x p l o r e d t h ed o p i n gc o n c e n t r a t i o ni sf o u n d l i n e a r l yi n c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s i n gf l o wr a t eo ft h es o u r c eg a s e s f u r t h e r m o r e d o p i n gp r o c e s sm a yr e d u c et h eg eg r o w t hr a t e ，a n di n c r e a s et h es u r f a c er o u g h n e s s o ft h eg ee p i a l y e r w h e nt h eg r o w i n gt e m p e r a t u r ew a sl o w e r e dt o5 0 0 。c ，t h e d o p i n gc o n c e n t r a t i o no f n t y p e dg eo ns ic a nb ei m p r o v e dt o6 6 7 1 0 1 8 c m 一t h e a n a l y s i so ft h ed o p i n gs a m p l e si n d i c a t e sad i l e m m ab e t w e e ni m p r o v i n gh i g h p h o s p h o r u sc o n c e n t r a t i o na n dk e e p i n gh i g hc r y s t a lq u a l i t yo ft h ep d o p e dg e w i t hc h a r a c t e r i z a t i o n so fp la n dx r d ，t h ei m p a c to fa n n e a l i n gt i m eo nt h e p r o p e r t i e so ft h ei n - s i t ud o p i n gg ew a ss t u d i e d t h er e s u l ts h o wa n n e a l i n gc a n i m p r o v et h eq u a l i t yo ft h es a m p l e sb u tt h ed i f f u s i o no fpr e d u c e st h ed o p i n g c o n c e n t r a t i o n t h et h e r m a ls t a b i l i t yo ft h ec o n t a c to f6 0 - - n l nn i n - g eo ns i l i c o ns u b s t r a t ew a s i n v e s t i g a t e d t h e r e s u l ts h o w st h a tt h el o wr e s i s t a n c en i g ea p p e a ra tt h e a n n e a l i n gt e m p e r a t u r eo f3 0 0 。ca n dc l u s t e ra t7 0 0 。c t h em e c h a n i s mo ft h es h e e t r e s i s t a n c ec h a n g e db yt h ea n n e a l i n gt e m p e r a t u r ei sw e l ld i s c u s s e db ys e ma n d x r d t h es p e c i f i cc o n t a c tr e s i s t a n c ep cw a sm e a s u r e db yt h em o d e lo fl i n e a r t r a n s m i s s i o nl i n em e t h o d ( l t l m ) ，a n dt h ep co fc o n t a c to ft h e6 0 - n l t ln ia n dt h e n g e 谢t l lt h epc o n c e n t r a t i o no f6 61 10 1g e m i st h el o w e s t t h es i b a s e di ns i t ud o p i n gp nj u n c t i o na n ds o l b a s e dp i ns t r u c t u r ew e r e f a b r i c a t e db yo p t i m i z e dm a t e r i a la n dd e v i c e sp r o c e s s i n g d i o d ec h a r a c t e r i s t i c s h a v i n gr e v e r s e dc u r r e n td e n s i t yo f59 m a c m 2a t - iv , f o r w a r dc u r r e n td e n s i t yo f 1 0 9 a c m 2a t1 va n d1 8 4 1 0 2o n o f fr a t i oa r eo b t a i n e d a n n e a l i n gp r o c e s sc a n r e d u c et h ed a r kc u r r e n ta n di m p r o v et h ee l e c t r o l u m i n e s c e n c e ( e l ) i n t e n s i t yo f p i ns t r u c t u r e e m i s s i o nc a nb ed e t e c t e df r o mt h ei n j e c t e dc u r r e n ta t10 m a ，a n d e m i s s i o ni n t e n s i t yb e c o m es t r o n g e ra n de m i s s i o np e a ks h i f t st oh i g hw a v e l e n g t h s 、航1 ：1 1i n c r e a s i n gi n j e c t i o nc u r r e n 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 ；t r a i n e dl a y e rs u p e r l a t t i c e s ( s l s s ) ；i n s i t ud o p i n g ；s i - b a s e dg ep nj u n c t i o n ；s o i b a s e dg ep i ns t r u c t u r e 2 j 4 目录 第一章绪论1 1 1 研究背景和意义。1 1 2s i 基g e 外延生长的研究进展与存在的问题2 1 3s i 基g e 材料的器件应用与存在的问题7 1 4 本论文主要工作和结构安排l o 参考文献1 1 第二章s i 基g e 材料的外延生长。1 6 2 1 材料生长系统及表征方法1 6 2 2 高质量s i 基g e 材料的制备2 3 2 2 1 低温g e 缓冲层设计思想2 3 2 2 2 低温相干g e 岛缓冲层的优化2 6 2 2 3s i g e g e 超晶格插层改善s i 基g e 材料的质量3 1 2 3 本章小结3 6 参考文献3 7 第三章s i 基g e 材料的原位掺杂4 0 3 1s i 基g e 原位掺杂硼( b ) 和磷( p ) 的理论模型。4 0 3 2s i 基g e 材料中硼( b ) 和磷( p ) 的原位掺杂4 9 3 2 16 3 0 c 时s i 基g e 材料中硼( b ) 和磷( p ) 的原位掺杂4 9 3 2 25 0 0 c 时s i 基g e 材料中磷( p ) 的原位掺杂5 2 3 3 退火对原位p 掺杂g e 材料的影响6 5 3 4 本章小结6 8 参考文献6 9 第四章n i 与s i 基n g e 接触的热稳定性与电学特性7 1 4 1n i n g e 接触的热稳定性7 1 4 1 1n i n g e 样品的制备7 l 4 1 2 结果与讨论7 2 v 4 2n i n g e 接触的电学特性7 7 4 2 1 比接触电阻的定义及其测量7 7 4 2 2n i n g e 的比接触电阻测量及分析8 0 4 3 本章小结8 2 参考文献8 3 第五章s i 基g ep n 结与s 0 1 基p i n 结构8 5 5 1s i 基g e 原位掺杂的p n 结的制作8 5 5 2s i 基g ep n 结的i v 特性和c v 特性。9 0 5 3s 0 1 基g ep i n 结构的研制与电致发光谱。9 4 5 4 本章小结9 8 参考文献1 0 0 第六章总结与展望。1 0 2 附录博士期间科研成果1 0 4 致谢10 5 t a b l eo fc o n t e n t s c h a p t e r 1i n t r o d u c t i o n 1 i im o t i v a t i o n 1 1 2p r o g r e s sa n dp r o b l e mo fe p i t a x yo fg eo ns i 2 1 3p r o g r e s sa n dp r o b l e mo fs i - b a s e dg ed e v i c e s 7 1 4o u t l i n eo f t h ed i s s e r t a t i o n 1 0 r e f b r e n c e s 1 1 c h a p t e r 2e p i t a x i a lg r o w t ho fg em a t e r i a lo ns is u b s t r a t e s 1 6 2 1i n t r o d u c t i o no fd o u b l ec h a m b e ru h v c v d a n dt e c h n i q u e sf o r c h a r a c t r e r i z a t i n s 。1 6 2 2e p i t a x i a lg r o w t ho fh i g h - q u a l i t ys i b a s e dg em a t e r i a l s 2 3 2 2 1l o wt e m p e r a t u r es e l f - p a t t e r n e dg eb u f f e rt e c h n i q u e 2 3 2 2 2o p t i m a z i n go fl o wt e m p e r a t u r es e l f - p a t t e r n e dg et e m p l a t e 2 6 2 2 3s i g e g es l s st oi m p r o v eq u a l i t yo fs i b a s e dg em a t e r i a l s ”3 1 2 3c o n c l u s i o n s 3 6 r e f b r e n c e s 3 7 c h a p t e r 3i ns i t ud o p i n gg em a t e r i a l so ns is u b s t r a t e so , 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 q 0 0 0 0 4 0 3 1m o d e lo fi ns i t ud o p i n g 4 0 3 2i ns i t ud o p i n gs i - b a s e dg em a t e r i a l s 4 9 3 2 1i ns i t ub o r o na n dp h o s p h o r u sd o p i n gg em a t e r i a l sa t6 3 0 。c 4 9 3 2 2i ns i t up h o s p h o r u sd o p i n gs i b a s e dg em a t e r i a l s a t5 0 0 c 5 2 3 3i m p a c to fp o s t - a n n e a l i n go nt h ep - d o p e dg em a t e r i a l s 6 5 3 4c o n c l u s i o n s 6 8 r e f e r e n c e s 6 9 c h a p t e r 4e l e c t r i c a lp r o p e r t i e sa n dt h e r m a ls t a b i l i t yo fn i n _ g e 7 1 4 1t h e r m a ls t a b i l i t yo fn i n - g e 7 1 4 1 1f a b r i c a t i o no fn i n g e 7 1 v t t 4 1 2r e s u l t sa n dd i s c u s s i o n 7 ：1 4 2e l e c t r i c a lp r o p e r t i e so fn i n - g e 7 7 4 2 1t h e s p e c i f i cc o n t a c t r e s i s t a n c ea n di t sm e a s u r e m e n t 7 7 4 2 2r e s u l t sa n dd i s c u s s i o n 8 0 4 3c o n c l u s i o n s 8 2 r e f e r e n c e s 8 3 c h a p t e r5s i b a s e dg ep nj u n c t i o na n ds 0 1 - b a s e dp i ns t r u c t u r e 8 5 5 1f a b r i c a t i o no fs i - b a s e di ns i t ud o p i n gg ep n j u n c t i o n 。8 5 5 2i - va n dc - vc h a r a c t e r i z a t i o no fs i - b a s e dg ep n j u n c t i o n 。9 0 5 3f a b r i c a t i o na n de l e c t r o l u m i n e s c e n c eo fs o i b a s e dg ep i ns t r u c t u r e 9 4 5 4c o n c l u s i o n s 9 8 r e f e r e n c e s 1 0 0 c h a p t e r6s u m m a r y a n df u t u r ew o r k 10 2 a p p e n d i xa w a r d sa n dp u b l i c a t i o nl i s t 1 0 4 a c k n o w l e d g m e n t s 10 5 厦门大学博士学位论文 1 1 研究背景和意义 第一章绪论 众所周知，半导体硅( s i ) 材料是现代微电子工业的基础，随着微电子技术的 迅猛发展，基于硅基材料的半导体微电子器件尺寸越来越小，现在以3 2n l i 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，传统的微电子学正面临 着经典半导体理论的物理极限和技术极限带来的强烈挑战。另一方面，仅仅用电 信号作为载体来进行信息传输和处理已不能满足当今信息技术对高速、大容量的 迫切需求。人们期待着将光子代替电子作为信息的载体，与当今成熟的硅微电子 工艺技术相结合，以实现硅基单片光电子集成，这是当前材料科学和微电子领域 中的一个研究热点，也是极具挑战性的前沿研究领域，因而成为在世界范围内特 别受关注的重大研究课题。 锗( g e ) 和硅( s i ) 同属于族半导体材料，g e 的电子和空穴迁移率分别是s i 的 2 倍和4 倍，g e 的禁带宽度比s i 小，室温下约为o 6 7 e v , 在等比例降低电源电 压、降低功耗方面具有更大的潜力；更重要的是，g e 器件工艺与标准s i 工艺兼 容，使g e 材料成为未来制备高性能m o s 器件的重要备选材料之一l l o j 。此外， g e 比s i 具有更好的光电性质，如在1 3 1 5 u m 通信波段具有高的吸收系数，可 以用于制作红外光电探测器【3 5 j ；由于g e 的直接带底与间接带底相差很小，仅约 1 3 6 m e v ，基于能带改性工程有望使之成为发光器件的增益介质【6 卅j ；g e 与g a a s 的晶格失配度仅0 0 7 ，因此g e 也可以作为s i 衬底上外延生长i i i v 族半导体 材料的过渡层【1 0 1 l 】。然而，g e 元素在地壳中含量非常少，价格昂贵，所以直接 使用g e 衬底不合适。s i 基外延g e 材料不仅和g e 具有同样的性质，而且满足 s i 集成需要，因此，s i 基g e 材料生长及其微电子和光电子器件的研制引起人们 浓厚的兴趣。 在s i 衬底上外延生长高质量的g e 材料是制备高性能器件的前提条件。然而， 在s i 衬底上外延生长g e 材料的最大挑战是s i 和g e 之间较大的晶格失配度，容 易引起表面粗糙和引入高的位错密度 1 2 , 1 3 1 。粗糙的表面将增加器件制作的工艺难 第一章绪论 度；高位错密度将增加器件漏电流，降低器件的性能。因此，降低表面粗糙度和 减少位错密度成为外延生长高质量s i 基g e 材料的关键。 本文开展了s i 基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g e 材料；较系统地研究了g e 材料 中的硼( b ) 和磷( p ) 原位掺杂，并对n i n g e 接触的热稳定性和电学性质进行研究。 在此基础上研制了s i 基g e 同质p n 结二极管和s o i 基p i n 结构，为s i 基光电 子材料与器件的研究打下一定基础。 1 2s i 基g e 外延生长的研究进展与存在的问题 硅和锗具有相同的金刚石结构，但它们的晶格常数不同，s i 的晶格常数为 o 5 4 3 1n n ，g e 的晶格常数为0 5 6 5 7n r n ，s i 衬底上外延生长g e 时，其晶格失配 达4 2 ，且会随温度的增加继续增大。g e g e 键比s i s i 键弱，所以g e 具有比 s i 小的表面能。在s i 上生长g e 时，开始时满足浸润条件，生长是层状生长，随 生长厚度的增加，由于晶格失配，应变能增加，浸润条件不再满足，生长将转化 为岛状生长。所以s i 衬底上生长g e 是典型的s k 生长模式。而且由于晶格失配， 将会形成高密度的失配位错，难于在s i 上生长出高质量的g e 材料，需要在工艺 技术上进行创新研究，将失配位错限制在界面附近，从而保持表面器件层材料有 好的晶体质量。从二十世纪八十年代起，人们就开始研究s i 基g e 材料的生长机 理及方法，并提出了多种缓冲层技术以获得高晶体质量的g e 材料，这些技术包 括g e 组份变化缓冲层技术【1 4 - 16 1 、低温g e 缓冲层技术【1 7 2 0 1 、选区外延技术【2 1 3 0 】 和表面活性剂辅助1 3 卜3 3 j 等。下面分别介绍各种技术的研究进展与存在问题。 根据s i g e 缓冲层中g e 组份变化的情况，组份变化缓冲层法包括组份渐变 增加和组份阶梯增加两类。组份渐变增加是通过逐渐增加s i g e 缓冲层里g e 的 组份，直至达到纯g e ，然后生长所需要厚度的g e 层。随着生长的进行，外延层 的厚度增加，积累的应变能通过产生失配位错而逐步释放，位错分布在整个s i g e 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，抑制新的位错产生，降低位错密度。c u r r i e 等人1 1 4 】采用超高真空 化学气相沉积法( u h v c v d ) ，用组份渐变缓冲层和化学机械抛光( c m p ) 技术并二 厦门大学博士学位论文 次外延获得g e 层的位错密度为2 1 10 6c m ，表面粗糙度为2 4 2n l n 。t h o m a s 一 + 等人 1 5 】采用低能等离子化学气相沉积m 牌e c v d ) 设备，用1 0 9 m 的s i g e 渐变缓 冲层( 变化率为1 0 p m ) ，获得g e 层位错密度进一步降低至1 1 1 0 5c m ，表面 粗糙度为3 2n l t l 的g e 外延层。另一种方法是s i g e 组份阶梯增加缓冲层法。s i g e 缓冲层的组份呈阶梯状增加，在保证晶体质量的情况下，大大降低了缓冲层的厚 度。l u o 等【l6 j 提出了组份跳变的双层s i g 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，1g m 厚的g e 外延层位错密度为3 1 0 6 c m ，表面粗糙度为3 2n l n ，两层s i g e 的总厚度只有1 6g m 。 低温g e 缓冲层法是指先在较低温度下外延生长一层g e 缓冲层，再在高温 下外延生长出高质量的g e 层。由于低温生长时，g e 原子的热动能小，原子迁移 率低，h 原子脱附不完全( 源气体为g e h 4 ，分解时会产生h 原子) ，使得低温下 外延生长g e 缓冲层的结晶质量差，点缺陷多【17 | ，点缺陷的存在降低了材料的弹 性常数，使其机械性能变差，可以起到调节应力、湮灭位错的作用。 1 9 9 1 年，c u n n i n g h a m 掣1 8 j 率先采用u h v c v d 系统开展低温g e 层生长研究。 1 9 9 8 年，l u a i l 等9 j 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 夕 - 延层，并通过周期循环退火进一步减小位错密度。低温g e 技术的优点是 低温缓冲层很薄( 5 0 9 0 n m ) ，并且g e p - 延层的表面平整( 表面粗糙度r m s 仅 0 4 2 0 n m ) ，无c r o s s h a t c h 形貌；目前人们基本上倾向于用g e 低温缓冲层技术来 外延生长硅基g e 材料，取得了很好的结果。图1 1 是中国科学院半导体研究所用 低温g e 过渡层技术在s i ( 1 0 0 ) 衬底上外延生长的g e 材料的截面透射电镜图【2 0 1 。从 图中可以看出晶格失配位错主要是以处于s i g e 界面附近的l o m e r 位错的形式存 在，而且分布比较均匀，具有好的周期性，表面附近的g e p i 延层中位错很少。 理论计算表明，如果认为应力全部由l o m e r 位错释放，位错将周期性均匀分布， 沿( 11 0 ) 方向，位错分布的周期为9 6n l t l 。从图1 1 中可以看出位错分布周期为9 7 n r n ，说明绝大部分的应力是通过l o m e r 位错释放的。l o m e r 位错与生长平面平行， 不会向外延的g e 层穿透，这就保障了g e 外延层的晶格质量。 第一章绪论 图1 - 1s i ( 1 0 0 ) 衬底上外延生长g e 材料的截面t e m 图圳 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。其中一种图 形衬底是在s i 衬底上制备s i o ! 薄膜，然后光刻并刻蚀s i 0 2 露出生长g e 的窗口， o e 将选择性地在露出s i 的位置生长，并可阱横向过生长而在s i 0 2 表面合并， 形成完整的g e 外延层。p a r k 等【2 u 对深度为5 0 0r l i r i ，宽度为4 0 0r i m 的s i 0 2 沟 槽中生长的g e 材料进行观测发现，大部分线位错被s i 0 2 侧壁阻止在- 4 0 0 n m 深 度以内，上部分g e 层中位错很少，甚至没有线位错，如图1 - 2 ( a ) 所示。这种图 形衬底对位错的阻止( 湮灭) 作用原理可以用图l - 2 ( b ) 说明1 2 。 s i o ，g e 溢i f i ik ( a ) 一 # 嚣瓣s b 。t 警丢奠i ；囊黪9 。 2 0 0n n l ( b ) n l f e a d i n gd i s l o c a t i o n s 图1 - 2 ( a ) 图形衬底上g e 外延层位错分布截面t e m 圈吲 ( b ) 图形衬底阻止位错传输原理图1 2 3 】 厦门大学博士学位论文 另一种方式是在s i 衬底上刻蚀出一维或二维结构的台面，然后进行g e 的 外延生长，该方法使失配位错只要迁移到图形台面的边沿就可以消失，而不像平 面衬底材料，必须迁移到衬底的边沿，所以图形衬底可以减小失配位错迁移的距 离，从而减少了位错的相互作用和衍生的几率，进而降低了位错密度。图形衬底 上生长异质结材料( 如g e s i ，g a a s s i 等) 的研究表明，外延层材料的位错密度与 图形的尺寸密切相关，图形尺寸越小，位错密度越低。v a n a m u 等【2 4 。2 6 1 在1 d 和 2 d