（材料物理与化学专业论文）基于uhvcvd的选择性外延锗硅与金属诱导生长多晶锗硅的研究.pdf

望! 坚苎堂堕! 兰竺堡_ ! ! ! ： 符号缩写注释表 s i g es i l i c o ng e r m a n i u m s i 0 2 s i l i c o nd i o x i d e u h v c v du 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 m b e m o l e c u l a rb e a me p i t a x y m i c m f g s j g e n j h b t h r x r d m e t a l - i n d u c e dc r y s t a l l i z a t i o n m e t a l i n d u c e dg r o w t h h e t e r o j u n c t i o nb i p o l a rt r a n s i s t o r h i g hr e s o l u t i o nx r a yd i f f r a c t i o n s e m s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p y t e m t r a n s m i s s i o ne l e c t r o nm i c r o s c o p y e d s e n e r g yd i s p e r s i v es p e c t r o m e t e r x p s x - r a yp h o t o e l e c t r o ns p e c t r o s c o p y a e s a f m a u g e re l e c t r o ns p e c t r o s c o p y a t o m i cf o r c em i c r o s c o p y v s v i i t u a ls u b s t r a t e r e l a x a t i o n s d s b h s b d s o u r c e d r a i n s c h o t t k yb a r r i e rh e i g h t s c h o t t k yb a r r i e rd i o d e 锗石上 二氧化碓 超高真空化学气相沉程 分予束外延 金属诱导 i i 1 1 金属诱导乍k 锗碓织片顶绡构 片质结双檄t 1 体l f 商分辨x 射线衍射仪 ( 7 1 9 j ：b e d e d l ) 扣描也r5 d 微镜 ( 7 【qi j ：简、：f jf ts i r i o n ) 透穿jf u 了h 微镜 ( j tj p h i l i p sc m 2 0 0 1 能：矗敞嘶j 分1 7 i 仪 ( 刑吖：g e n e n i s 4 0 0 0x 1 x 射线光f u r 能 普 ( 删0 ：v s w ) 俄歇i 乜r 能潸 原了力出微镜 r 号：z a f m i t ) 虚衬底 弛豫 源漏极 肖特蛙势争，神耍 肖特级势伞：极竹 浙江人学博l j 学化论文 摘要 锗硅( s i l 一。g e 。) 是硅和锗组成的半导体合会材料。除具有硅材料的优点外，还 具有能带可调以及应力调整等自身的特性，同时它还与目d 口先进的硅集成电路_ _ i ： 艺相兼容，凶此锗硅材料在如今的集成电路领域有着重要的应用。j 然，随前技 术进步，锗硅材料在应用中又会不断面临新题的挑战，从下面的论述中j 以看 到，这些问题的解决毫无疑问将会对拓展硅堆材料的应用范围以及提高器f 1 一陀能 的重要性起着推动的作用。 涉及剑小沦义中锗硅材料所i t i i l l b 的叫地上婴钉以卜鹏个办幽：绝，随l i 器什向着深、i f 微米级发展，单纯的外延生长已无法满足锗硅材料的应_ r j ，系列 新器件、新结构的j 现，对锗硅材料的生k 捉l ；了更高的要求。例如( t j - t f t l 盘源 漏极m o s f e tr | f ，要求选择性生长单1 1 1r 口1 u = 1 - 材料，而1 j6 h 采用的选扦r 川ik 力 法普遍具有较高的生长温度，这会导致锗碓材料的应力弛豫，产，卜缺| i f j ，影响器 件性能，因此很有必要研究适合锗硅材料低温选择性生 的方法。第：，就多t 1 s i g e 材料而吉，我们知道，多品锗硅材料其有广阔的应j h f 订景，f h 采j j j h 月 法乍长的多品锗硅薄膜并小象理论颅期一样，具有较高的城流f 辽移；爷，这i 二要 足由j 二生 圭的多品锗硅薄膜内的缺陷较多以及锗偏析等原冈造成的，从l 艮制了 锗硅薄膜作为器件有源区的应用，囚此 发先进的多品锗硅薄膜! 【- 长技术足“1 务 之急。本文的研究正是h 司绕_ j ：述两方面问题展j r 的。 本文采用一种先进的薄膜制备技术一超高真空化学气柏沉 ( u h v c v d ) 埘锗硅薄膜的生长进行了研究，该技术不仅具有超净的生长环境，而且能够存低 温、低压下生长锗硅薄膜，可以精确控制薄膜的生长速度等，这些特性x i k 氏高 质量的薄膜是必不可少的，因此我们利用该技术，对单品锗硅薄膜、多品锗硅薄 膜的牛长进行了研究，手要取得以下成果： ( 1 ) 研究了不i 司的生长气氛对超高真窄化学气相沉积选择性生长锗硅薄膜的 影响，指出当温度高于5 5 0 。c 时，气氛中锗含量对超高真空选择性， i k 锗 硅有明显的影响，低十5 5 0 时，氢气以及锗烷相互作用共同对锗n 选择 性生长产生影响。通过对比不同的生长条件，并结合锗硅材料的_ i 长特性， 浙江人学博i j 学位论义 指出在生长温度大干5 5 0 * ( 2 时，均可实现用于器件制造的选择性生长，并 在温度为5 8 0 。c ，生长气氛中s i l l 4 与g e h 4 ( 9 0 h 2 ) 的流量比为5 ：5 s c c m 时， 获得了高质量的s i g e 薄膜，多品锗砖在二氧化硅表面成核的潜伏时问可 达到4 0 m i n 以t ，完全r 以满足器件制备的需要。 ( 2 ) 在( 1 ) 的基础上，采用新工艺制备了锗硅肖特基极管的原型器件，结果 表明，采用选择性，上长锗硅方法来制备肖特基二极管原型器什，不仅丁以 简化制各工艺，避免器件在确定了有源区后再经过高温工艺：而且器件的 反向漏电流与传统方法制备的锗硅肖特基_ 极管相比，下降2 3 个数量 级，显示出了优异的器件性能。 ( 3 ) 阿次秉用金属诱导弓超高真空化学7 i 棚 兀f 51 技术4 1 1 。合乍k 多i i 。i 诣n ，浚 方法是多品锗硅薄膜在会属硅化物l ：异质成核乍艮，j 优点在于锗硅薄膜 结品与薄膜生氏同时进行，不需要长时叫的退火。采川这种疗法可以在低 温下制萏山结品质量较好的多晶锗硅薄膜，向与单独采用化学7e 柏沉积 方法生k 多晶锗硅不同，无成核潜伏剃； ( 4 ) 研究了金属镍的厚度对多品锗硅薄膜晶粒尺、r 产生的影响，指出品粒尺、j 随n i 厚度变化存在极人值，当n i 的厚度为6 0 n m 时，舳粒尺i j i l 丁以达 到5 0 0 6 0 0 n m ： ( 5 ) 指出在s i g e n i 硅化物异质结构中，心，j 释放足影响多品锗硅表面形貌的 原动力，导致多品锗硅在n i 硅化物上生 川以囱- 两种形貌。专生长压强 适中时( 1 0 p a ) ，能够形成连续、晶粒尺寸均匀致密的薄膜，向采用先低 压( 0 1 p a ) 后升高压强( 1 0 p a ) 生长时，会导致分离的品须状表而形貌，品 须尺寸大于1 0 0 n m ： ( 6 ) 在s i g e n i 硅化物异质结构中，n i 硅化物可以作为肖特基结一端的欧姆接 触，因而对制作垂直型器件非常有利，实验证明采用浚方法牛长的多晶锗 硅薄膜制备的肖特基二极管原型器件具有较好的整流特性，整流比u r 达到 8 0 0 0 。 关键词： 超高真空化学气相沉积，选择性生长，单晶锗硅薄膜，多品锗硅薄膜， 会属诱导，肖特基二极管，整流比 浙江人学博l 学位论殳 a b s t r a c t s i l i c o ng e r m a n i u mi sa n a l l o yo fs e m i c o n d u c t o rm a t e r i a l ，w h i c hi sf o r m e d t h r o u g ht h ec o v a l e n tb o n d i n gb e t w e e ne l e m e n ts ia n dg ea t o m s s i g ei ss u p e r i o rt o s ib e c a u s eo fb a n dg a pa d j u s t m e n ta n ds t r a i ne n g i n e e r i n ge t c s i g ei sc o m p a t i b l ew i t h t h es t a t e - o f - a r ta d v a n c e dc m o st e c h n o l o g y + s os i g ep l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei n t o d a y si c w i t ht h et e c h n o l o g yd e v e l o p i n g ，s i g ei se x p o s e dt ot h ec o n t i n u o u s p r o b l e m s ，o n c et h e s ep r o b l e m sa r er e s o l v e d ，s i g ew o u l db et h ed r i v i n gf o r c eo f e x t e n d i n gs i b a s e da p p l i c a t i o n sa n di m p r o v i n gt h ep e r f o r m a n c eo fd e v i c e s i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，w ed i s c u s s e dt w oi s s u e sa b o u ts i g e f i r s t l y ，a st h ed e v i c e si s s c a l i n gd o w n ，m e r e l ye p i l a x yo fs i g ei sn o ts u f f i c i e n tf o rt h ea p p l i c a t i o n ，f o re x a m p l e t h er a i s e ds dm o s f e t , s e l e c t i v eg r o w t hi st h ek e ys t e p ，b u tt h ee x i s t i n gm c t h o d s w h i c hr e a l i z et h es e l e c t i v eg r o w t hn e e dr e l a t i v e l yh i g ht e m p e r a t u r e ，s oi t s n e c e s s a r y t ob r i n go u tt h es o l u t i o nt h a tc a nr e a l i z es e l e c t i v e l yg r o w t ho fs i g ea tl o wt e m p e r a t u r e s e c o n d l y , a sf a r a sp o l y - s i g ei s c o n c e r n e d ，p o l y s i g eh a s ap r o m i s i n gf u t u r ei n a p p l i c a t i o n ，b u tt h ep r c s c n tg r o w t hm e t h o dc a n tp r e p a r et h ef i l m sw i t hh i g hc a r r i e r m o b i l i t y ，d u et op o s s i b l ed e f e c t si nt h em a t e r i a l sa n dg es e g r e g a t i o n ，s op o l y - s i g e h a sp o o r p e r f o r m a n c ea sa c t i v er e g i o no fd e v i c c t h ep r i o r i t yi s t o d e v c l o pt h e f e a s i b l eg r o w t hm e t h o d b a s e do nt h ea b o v ea n a l y s i s ，w ea d o p ta na d v a n c e dt e c h n o l o g yc a l l e du h v c v d t o g r o ws i n g l ec r y s t a l l i n e o r p o l y c r y s t a l l i n e s i g ef i l m s ；t h i st e c h n o l o g yi s c h a r a c t e r i z e dw i t hu l t r a c l e a ne n v i r o n m e n ta n dg r o w t ho fs i g et h i nf i l m sa tl o w t e m p e r a t u r ea n dl o wp r e s s u r e t h e s ef a c t o r sg u a r a n t e et oo b t a i nh i g hq u a l i t yf i l m s t h e r e f o r e ，w eu s et h i st e c h n o l o g yt oi n v e s t i g a t et h eg r o w t ho fs i g et h i nf i l m s ，a n d a c h i e v et h ef o l l o w i n gr e s u l t s ： ( 1 ) t h ee f f e c to fg r o w t ha t m o s p h e r eo ns e l e c t i v eg r o w t ho fs i g et h i nf i l m sb y u h v c v dw a si n v e s t i g a t e d ，a n di ti ss h o w nt h a tw h e nt h et e m p e r a t u r ei sa b o v e 5 5 0 g ec o n t e n th a sa na p p a r e n te f f e c to nt h es e l e c t i v eg r o w t h a n dt h e i n t e r a c t i o nb e t w e e nh 2a n dg e h 4b e c a m ei m p o r t a n ta tt e m p e r a t u r eb e l o w5 5 0 浙江人学博i 学化沦史 ( 2 ) ( 3 ) ( 4 ) ( 5 ) ( 6 ) i nc o m p a r i s o nw i t hv a r i o u sg r o w t hp a r a m e t e r s ，t h eo p t i m u mg r o w t h a t m o s p h e r ei sd e t e r m i n e d ：t h es u b s t r a t et e m p e r a t u r eo f5 8 0 。c ，t h ef l o wr a t i oo f s i l l 4t og e h 4 ( 9 0 h 2 ) i s5 ：5 s c c m u n d e rs u c he n v i r o n m e n t ，t h ei n c u b a t i o n t i m ec a nr e a c hu pt o4 0 m i n b a s e d0 1 1t h ea b o v ec o n c l u s i o n ，t h ep r o t o t y p eo fs b dh a sb e e nf a b r i c a t e d t h e r e s u l ts h o w st h a tn o to n l yt h es b dw i t hs e l e c t i v eg r o w t ho fs i g es i m p l i f yt h e f a b r i c a t i o np r o c e s s ，b u ta l s ot h er e v e r s es a t u r a t i o nc u r r e n ti sl o w e r e db yt w oo r t h r e eo r d e r sc o m p a r e dw i t ht h er e g u l a rs i g es b d i t sf i r s t l yr e p o r t e dt h a tp o l y - s i g et h i nf i l m sw a sp r e p a r c db yan o v e lm e t h o d c a l l e dm i gt h a ti sac o m b i n a t i o no fm i ca n dc v d t h ek e yp o i n ti sp o l y s i g e h e t e r o e p i t a x i a lg r o wo nm e t a ls i l i c i d e ，t h ea d v a n t a g eo ft h i s m e t h o di st h a t f i l m sg r o wa c c o m p a n i e db yc r y s t a l l i z a t i o nw i t h o u ta n n e a l i n g ，a n dt h eg r o w t h t e m p e r a t u r e i sb e l o w6 0 0 s og l a s sc a bb eu s e da st h es u b s t r a t e ，a n d c o m p a r e dw i t ho t h e rc v d m e t h o d s ，t h e r ei sn oi n c u b a t i o nt i m e ； t h ee f f e c to ft h i c k n e s so fn io nt h eg r a i ns i z eo fs i g et h i nf i l m sw a sa l s o i n v e s t i g a t e d ，a n dp o i n t e d t h a ti th a sc r e s ta tc e r t a i nt h i c k n e s s ，w h e nt h e t h i c k n e s so fn ji s6 0 r i m ，t h ec l u s t e rs i z ec a nr e a c h5 0 0 - 6 0 l l n m i nt h eh e t e r o s t r u c t u r eo fs i g e n i ，s t r a i nr e l a x a t i o ni st h ed r i v i n gf o r c ef o rt h e m o r p h o l o g yf o r m a t i o no fp o l y s i g e a t10 p a ，ac o n t i n u o u sf i l mc a nb ef o r m e d w i t hu n i f o r mg r a i ns i z e ，w h i l ea tp r e s s u r ef r o m0 1 p at o1 0 p a ，d e n s e l yp a c k e d s i g ew h i s k e r sw e r ef o r m e d u s i n g t h i sm e t h o d ，i t sv e r yc o n v e n i e n tt ou t i l i z et h en is i l i c i d ea ss e l f - a l i g n e d o h m i cc o n t a c to fs b d ，t h ee x p e r i m e n t sh a v ep r o v e nt h a tt h es b db a s e do nt h i s m e t h o dh a sb e t t e rr e c t i f i c a t i o nc h a r a c t e r i s t i ca n dt h er e c t i f i c a t i o nr a t i oc a n r e a c hu pt o8 0 0 0 k e yw o r d s ： u h v c v d ，s e l e c t i v eg r o w t h ，s i n g l ec r y s t a ls i g e ，p o l y s i g e ，m e t a li n d u c e d ，s c h o t t k y b a r r i e rd i o d e ，r e c t i f i c a t i o nr a t i o 4 浙江人学博i 学位论文 第一章前言 众所周知，元素硅半导体是半导体产业发展的基石，目前占据着统治地位， 以硅为材料制作的器件广泛的应用于微波、微电子等领域。尽管如此，s i 仍旧小 能算是理想的半导体，s i 的电子迁移率约只有g a a s 的六分之，禁带宽度，i 订 1 1 2 e v ，又是间接带隙半导体，这些特性制约了硅村料在诸如高频、高速、光电 等领域的应用。但是随着全球数以亿计的研发投入到s j 基领域，如何扩展s i 基 材料的应_ l f j 已成为令球瞩f i 的焦点。目| j i 以s i g e 、s i c 等i v 族材料为代发的溶 体半导体的出现为扩展硅基材料的应j 捉供了条改进途径，它虽小能根小性的 解决问题，但存只自0 找不到最佳的解决方案时不失为好办法。 s i g e 固溶体半导体，顾名思义，就是s i 、g e 相互混合构成的生溶s i g e 、卜 导体，山于s i 、g e 均是i v 族元素半导体，- 晶格常数相差4 2 ，因此改嗣溶体能 够往0 - 1 0 0 组成范幽内完全互溶。s i g e 除具有元素硅半导体所捌自的优点外 其最为吸引的特性就是能带可调以及应力特性，它将原先只在i l i v 族领域 t 存 在的特性推广剑了硅基，由此引出了一系列的新特性，大大拓展了硅基材料的应 用领域。 h 前，锗硅材料的应用可分为单品和多晶锗硅材料的应川。币品锗硅 要应 用在异质结叔极晶体管和m o s 晶体管器件等方面，作为器件的关键材料；而多 晶锗硅则可用作m o s 器件的栅极材料，也可用于薄膜晶体管、太阳能电池的关 键材料。当然，这些领域的应用都足建立在先进的材料，卜k 技术上，没有先进的 材料_ i 长技术，锗硅材料的应用也就无从谈起。 就单品锗硅薄膜的生长而言，主要方法有分了束外延( m b e ) 和超高真窄 化学气相沉积( u h v c v d ) 。分予束外延足种在超高真空下生长原予以分了束 的形式射向衬底表面生长的物理气相沉积方法，该方法已能制备质量很好的锗硅 单层、多层周期性结构材料。但由于设备昂贵，产率较低，就应用前景来看，小 如u h v c v d 。u h v c v d 和m b e 有很多类似的地方，例如本底真空度鄙很高， 气源基本j ：以分予流的形式在腔体内运行，彼此下扰少，没有明湿的边界层，只 是生长压强相对要高些并且伴随着反应气源的复杂化学反应。但相比一般的 浙江人学博j 学位论文 c v d 而吉+ ，浚技术具有操作简便，原理相对简单等优点，并且重复性更好。日 前对利用该方法牛长锗硅的规律特性已较为清楚，不同的研究者利用不同的 u h v c v d 设备研究s i g e 生长取得了比较一致的结果。因此基于这点，本论文 并没有过多的着墨于锗硅材料的生长机理与规律上，而是结合专前应用中存在的 问题，着重研究了选择性外延锗硅以及用于应变硅的虚衬底的缓冲层结构，并将 卜述内容作为本论文的第一部分内容，同时也为第一部分多品锗硅的研究打f 一 定的基础。 锗硅材料的另外一种形态便是多品锗硅，就多品锗硅而言，生长方法主要分 为两类：( 1 ) 会属诱导同相结n 锖( m i c ) ：( 2 ) 化学i 相0 c 私! ( c v d ) 。这两类方法 存7 t - k 多品锗5 e 万而再订优缺点。金属诱导阿棚结帚贝有操作简巾，成术低锋优 点，但金属诱导结品技术而临较为严重的杂质污染以及退火t , j i h j 较长等i u j 题；而 化学气相沉积生长多品锗硅尽管不需要长时叫的退火，但存在成核潜伏期问题， 凶此这两种方法都不足以能够单独获得高质量的多晶锗硅薄膜。 我们知道，超高真窄化学气相沉积( u h v c v d ) 技术之所以只仃生k 高质 量薄膜的能力，一个重要的原因就是浚设备能够提供一个超净的乍长环境，j 以 将空2e 中难以避免的氧、碳等元素的污染降至最低。尽管浚方法山于生长压强低， 在，l 长多品锗硅时也会面临成核潜伏期的问题，但是如果将会属诱导等快速结晶 方法引入，势必会加速成核以缩短成核所需时川，并促使多晶锗硅在更低的乍长 温度r 结晶生长：因此本论文在第二部分中首次提 h 采用超高真空化学气相沉积 与金属诱导相结合，充分利用两种方法的优势，扬长避短，束生长多品锗硅并 肘浚力法的生长机理进行了深入的研究。目前，在实验中已得到证实，该方法不 仅能够获得高质量的多晶锗硅，而且还发现，在实验巾金属与锗硅反应生成的会 属硅化物，除为多晶锗硅薄膜的q 三长提供成核点外，还具有较低的薄层电阻，能 够与多晶锗硅形成较好的欧姆接触，这将有助于多晶锗硅存太阳能电池等领域内 的应h j 。 最后根据i ：述介绍，将本论文的行文安排如下： 首先在第二章综述了有关s i g e 的基本性质、研究现状，在此基础上提出 了本文的研究内容与方法；第三七章为论文的实验部分，分别介绍了臼行研制 的u h v c v d 沉积系统( 第三章) ；亚微米薄硅外延层以及s i g e s i 多层缓冲结构 2 浙江人学博f j 学位论盘 的生氏( 第四章) ：超高真空化学气相沉积选择性外延单品锗硅材料( 第h 章) ； 金属诱导与超高真空化学计日沉积相结合生长多品锗硅( 第 章) ；多6 自锗打 ：薄 膜的电学特性( 第七章) ；最后在第八章对全文的主要论点做了总结。 浙江人学博l j 学位论文 第二章文献综述 众所周知，s i 是日前应用最为广泛的元素半导体，用s i 制造的集成n 路工 艺已经r 臻完善。然而，s i 并不是理想的半导体材料，s i 具有间接带隙结构， 带隙较窄，载流子迁移率低，这些都限制了s i 材料在高频、高速以及光电f 等 领域的应用。g e 与s i样，同属于i v 族元素半导体，因而具有相似的物理、化 学性质单s i 、g e 冗素而吉，似乎不冉具自吸引人的地厅，但是锗硅合金材料 却受到越来越广泛的关注世界上几乎所仃的人型半导体厂均在s i g e 方面投入 极大的财力与物力，甚至有人认为，锗硅材料至少能将以s i 为卜的集成f 【l 路延 续f 去。那么锗硅合会材料与s i 材料相比，具自那些优势呢? 我们知道，s i g e 合会系足完令互溶的，这意味着合金能带足连续可州的， 并且通过瓦溶，s i g e 和s i 之问的品格失配度可以由0 变乍4 2 ，对于其度生长 的锗硅薄膜来说，在| | 台j 界厚度范田内，会导致q tk 在甜冲j 底上的锗砘薄膜处j ： 应j 状态。因此，s i g e 合会材料的形成使器件1 ：作者在设计器什时多了两个重 要的设计变量即组分和应变。近年来，伴随着分子束外延等先进外延生长技术 的发明在s i 衬底上，l 长高质量薄膜的应变s i g e 层成为可能，这极大地刺激了 对所谓的“能带工程”、“材料工程”的深入研究，于是住随后的儿年内，锗硅产 品也很快从实验室进入到工业生产阶段，以异质双极晶体管( h b t ) 和场效应 晶体管( m o s f e t ) 【2 l 为代表的锗硅器件，迅猛发展，不但拶展了s i 壁材料的应 垌空f b j ，而且为解决硅基系统集成问题提供了荚好的前景。 当然，除了性能卜的优势外，s i g e 材料与目前主流的s i 制造工艺完全兼容， 因而s i g e 材料还具有明显的成本优势，s i g ec m o s 器件的制造成本只仃g a a s 器件成本的_ 二分之一p 】，因此s i g e 材料的引入不会显著增加器什制造成本。另 外除单品锗硅外，多晶锗硅材料也有广泛的应用，如同多品6 一样，住太阳能 乜 池领域队m o s 器件的栅极材料【5 刮以及薄膜晶体管【7 _ 8 等起到了全天重要的作 用，多晶锗硅具有比多晶砖史好的调节阈值电址的能力，以及更高的迁移j 警等， 以上这些特性都决定了围绕着锗硅材料的研究必定引人瞩f i 。 4 浙江大学博i 学位论文 本章首先简要叫顾一下锗硅材料的一些摹本性质及性能，以锗硅材料的应用 为主线，讨论了目前锗硅薄膜材料的研究现状，对研究巾存在的主要问题进 了 分析，并在此基础上，提出了本论文的研究目的以及主要研究内容。 h n 。妒 一o n 基 u 制 氯 1 j 5 高罟 耗m 昌 = 苎 0v k 忸1 一 no 越 褂乙 鼗 k。吕 辛 漤 制 导 曼 jm。 嘲g甘 寸 一 蝰一 哥e bn 酞? 一 o l 三 n ? o 耨避 o o 一一 爿q8 幡嚣刨 o 寸 讲 羹罾 刮。 群言 杠 螽雹 纠。 刨言 疆 蜓 昌 旦美鑫 蔌一 匠 口 宇妄詈吝 忙董 蜒。 斗世 g 謦姜 垒 匠 宁亡墨之 导 蒜 豁 犯 导 台 孽 吕 蒌萼 q b d 毯 相 n 矧 冒 鼎 o。 一一 连飞 o n o寸 寸 窭 蛞k怍 蛙 kx 呕州州 删 o j y o 峰翅离蝴剖1罢宴萁州舡。01so 焉啭 峰掣恃醐蛊窭葵挺姆蟮球。嘧一in 峰掣幡郴o 9 i l - n 叫掣封静一生外目是 浙江人学博| 学位论盘 表2 1 列举了s i 、g e 、s i g e 食金材料的些基本性质，从表中可以看出，s j 、 g e 具有类似的性质和结构，使得由s i 、g e 构成的s i g e 合会的很多。忖质都js i 、 g e 类似，并介j ：两者之间，j 下是由于这些特点，使得我们可以通过改变g e 含量 来影响s i g “s i 异质结构中的特性。 2 1 2 锗硅材料的能带结构 s i g e 合金材料的能带结构并不会因为g e 的加入而从问接带隙变为直接带 隙，但印具有自身的特点，这主要表现在：s i g e 薄膜外延存s i 衬底j - - 形成片质 s i g e s i 组成的异质材料时，s i g e 的能带结构取决j 二两个冈素，即组分和心变。 组分埘能带结构影响较为简单，一般认为在一较宽的合金组分范内( 锗龠鞋 介f0 - 8 5 之间) ，s i g e 体材料以及弛豫的s i g e 合金的导带结构类似s i 材料的 结构，即导带的最低点存a ( 6 ) 处；当g e 含量高达8 5 时，其导带最低点会a ( 6 ) 态转变到i - ( 4 ) 念，变为类似g e 利料的结构。锗硅合金的带隙表达式为1 9 】： ；= 1 1 5 5 0 4 3 x + 0 0 2 0 6 x 2 0 x 0 8 5 ；= 2 0 1 0 一1 2 7 x 0 8 5 x 2 0 0 g h z 的s i g eh b t 2 0 0 2制出峰值f r = 3 5 0 g h z 的s i g eh b t 图2 3 显示了骨干网络用电予器件。p 不同材料工艺比特率及所要求的截l l ：频 率f t 的关系，可以看到，s ；双搬1 艺可以满足f t 存2 5 5 0 g h z 、1 0 g b i t s 系 统的要求。对4 0 g b i t s ( 相应f t 扫：1 0 0 2 0 0 g h z ) 系统! l | i j 必须采用s i g e 、g a a s 和i n p 器件。 1 0 0 皇 。 童 1 0 2 51 04 0 比特；红( g b i t , s ) 图2 3 骨干网络h 】电子器什中不同材料| i 艺比特率及所要求的械i r 频率f t 的戈系 另外，存1 1 0 g h z 的射频i c 应用方面，s i g eh b t 与其它相关器件棚比也 很有竞争力，见表2 4 浙江大学博j j 学位论文 表2 4 在1 1 0 g h z r f l c 戍t 【l j 方面相关器1 ，| ：的性能 嚣 s i g es ig a a sg a a ss i b j t h b tb 兀h b tm e s f e t b i c m o s 性能 最小尺寸m m 0 5 1 oo 5 1 o2 50 5 x 51 2 1 5 t i | g h z5 0 3 25 03 01 3 f m a x g h z 5 5 3 5 7 0 6 0 1 1 g m a x d b 2 g h z 2 82 41 92 01 7 1 0 g h z 1 61 l 1 31 3l f m i n d b 2 g h z o 51 5o - 3 1 0 g h z 0 9 0 9 ：g m a x - 培人增益：f m i n 一最小噪声系数；b 盯一双板结掣品休管。 因此，就r 前应用而占，锗硅h b t 已经完伞可以满足高频、高速的需求 并且在某些方面可以替代占传统优势地位的g a a s 器件。 ( 2 ) s i g e 异质结场效应晶体管( h f e t ) 3 5 1 s i g e 异质结场效应晶体管( h f e t ) 作为第一代s i g e 器件，其中具有代表 性的器件有：( 1 ) 掩埋沟道m o s f e t ；( 2 ) 调制掺杂的p - m o d f e t 和n m o d f e t 1 1 掩埋沟道m o s f e t 我们知道，构成超大规模集成电路所用的单元器件是c m o s ，它要求有性能 匹配的一对n 沟和p 沟m o s 管。由于s i 的空穴迁移率比电了二辽移；瞽低得多，因 此只能加大p 沟m o s 管的尺寸，这就牺牲了电路的集成度和速度。采用s i g e 淘道m o s 管是理想的解决方法。这类器件的结构与s i - m o s f e t 基本类似，这 也是s i g e 用于场效应管最初采用的结构，由于s i g e 自然氧化层的界面念密度很 高，不能用作栅绝缘层，因此这类器件往往在s i g e 沟道上加了一层薄的s i 覆盖 层1 3 “，以获得高质量的栅氧化层。这类器件的显著特点就足可防止热载流了注 入栅氧化层而引起器件性能退化。热载流子必须穿过s i 覆盖层，并凶遭受多次 散射而损失能量，使越过s i s i 0 2 界面势垒的热载流子数大大减少。图2 4 给出 了沟道长与宽均为2 靴m ，栅氧化层厚度为3 6 n m 的s i g e m o s f e t 的沟道迁移率 1 4 浙江人学博i 学位论文 随锗绁分x 以及温度的变化1 3 7 l 。由图可以看出，x = 0 5 时，辽移率达最人f l j f 。 3 0 0 k 和7 7 k 时的极大迁移率分别为2 5 0 c m 2 ( v s ) ；f n1 5 0 0c m 2 ( v s 1 ，棚应的 s im o s f e t 的迁移率分别为1 5 0c m 2 ( v s ) 和5 5 0c m 2 ( v s ) 。s i o5 g e o5m o s 器 件的空穴迁移率比s im o s f e t 分别增大了7 0 0 和1 5 0 。由此口r 见，普通的s i g e m o s 器件在低温下的工作速度超过了亚微米沟道的s im o s 器件，冈此存某种 n ! 度i ：税，u r 以免除短沟道效应的困扰。 t 甜x 蚓2 4s i g e m o s f e t 的沟道迁移率随锗州分x 以及濡皮的变化天系i 刳 2 1 掩埋沟道m o d f e t ( 调制掺杂f e t ) s i g e 掩埤沟道m o d f e t 是更能体现锗硅材料优势的一类_ 件，它仃两种结 构，即所i ；1 i 的电子和窄穴量子阱m o d f e t ，也就是n 沟道和p 沟道m o d f e t 。 它们是根掘s i g e s i 二元体系的能：蒂之问的桐丌锚何而设计的。p 剖m o d f e t 沟道为受f 丘应力的s i g e 层与无应变的砖层相接触时，禁带宽度9 0 以j ：肌在 价带l ：，从而形成_ 维空穴势阱：n 型m o d f e t 沟道则为由于张应力s i 层j 弛 豫的s i g e 层接触时，禁带宽度之差主要发生在导带卜，从而形成二：维i 【lr 势阱。 一般作为势阱的层轻掺或不掺，而势垒层多半重掺，冈而重掺杂的势垒联提供的 载流子将被限制在势阱层中，使得载流子与掺入的杂质侄宅| u jl ：分高，找流f 受 到电离杂质中一t 3 的散射作用很小，在势阱层中能够形成迁移率很高的- f f e f 乜f e 或空穴气；利用这种原理制备的n m o d f e t 器件的最高振荡频率f m 。、l 达 1 8 3 g h z ，模拟计算表明：栅长5 0 n m 的s i g en m o d f e t 最高频率可达3 0 0 g h z ； 浙江人学博i 学位论史 调制掺杂的s i g e 沟道达到的最高卒穴迁移牢在2 9 6 k 时为1 0 0 0c m 2 v 。1 s ， 7 7 k 时达到3 4 0 0c m 2 v 1 s - l 【3 7 1 。 ( 3 ) p + 一s i g e s i 异质结内光电发射型红外探测器 s i g e 器件另外一个主要的应用是存光电j f 领域，我们知道，目前广泛应用的 红外凝视式成像系统中使用的是以p t s i s i 肖特基势垒型为卜的红外探测器，其 突出的优点是完全采用s i 集成电路工艺，并与s i 屯荷耦合器件读出电路集成在 同- ；i l ：片上。当p t s i s i 肖特基势垒型红外探测器工作时，红外光子任硅化物中 激发f 光牛窄穴。光牛卒穴运动剑硅化物s i 界面处时，特j t 垂直j ：界面方向的 z 力能人于p t s i s i 的势垒高度时，就可以越过势争进入s i 层，形成光牛伏打效应， j e 比伏强度0 入射f l ：，t - 线强度成l f 比。它的截i i ：波k 可i i i 卜- 确定： 九c = h c s b 而硅化物s i g e 肖特基势垒高度与相应的s if i j 特基辨氆高度十h 比较小，i 川而 截止波长向长波方向延伸，采用这结构的探测器截止波长可达到6 6 a m 以上， 而p t s i s i o8 5 g e 0 1 5 探测器的截止波长已达到8 3 m m i3 8 l 。但是山于这种结构的器件 的红夕t 4 t 吸收区是会属性的硅化物，其量了效率偏低。红外光被吸收后，大部分光 窄穴足远离费米面的，这j 受激卒穴的能量低于势争高度，【列而小能越过界面而 埘光生伏打效应产生贡献。而采用s i g c s i 异质结势垒j 以消除这一缺点。这是 由于在高掺杂的s i g e 合会中，空穴都集中在价带顶到费米能级之f n j ，掺杂浓度 为1 0 1 0 c m 3 时，s i g e 的费米能绒进入价带的j ：；| 度只有0 1 一0 2 e v i 右，凶此被 激发的光牛窄穴的极大部分对光牛伏打效应有贞献，从而具有很高的量f 效率。 f 1 前，s i g e s ih i p 红外焦平面阵列的集成度己达4 0 0 4 0 0 单元1 3 9 1 。s i g e s ih i p 的另外一个优点是对器件的截l 【：波长可以进 j 涮节。因此目前s i g e s ih i p 器件 的截i l ：波长已可以做到t 6 肛m i 柏1 。 ( 4 ) 其他器件 锗硅材料除了用在上述方面外，还可用来制作量了效应器件，在这方面典型 的器件是共振隧穿二极管( r t d ) 。t 1 公司已经能够生广出5 0 n w 隧穿静态存储 器( t s r a m ) ，它的功耗只有0 1pi l i v s r a m 存储器的2 0 0 分之一1 4 ”。