异质衬底锗薄膜制备技术的探索与突破

异质衬底锗薄膜制备技术的探索与突破一、引言1.1研究背景与意义随着信息技术的飞速发展，半导体产业作为现代科技的核心支撑，始终处于不断创新与突破的前沿。在众多半导体材料中，锗（Ge）凭借其独特的物理性质，如高载流子迁移率、在近红外波段的高光学吸收系数以及与硅工艺的兼容性，成为了半导体领域中备受瞩目的研究对象。锗薄膜作为锗材料的一种重要形态，在光电器件、高速电子器件以及传感器等领域展现出了巨大的应用潜力。在光电器件方面，锗薄膜被广泛应用于光电探测器、发光二极管以及激光二极管的制造。以光电探测器为例，锗薄膜在近红外波段的高吸收率使其能够高效地将光信号转换为电信号，从而在光纤通信、红外成像以及生物医学检测等领域发挥着关键作用。在高速电子器件中，锗薄膜的高载流子迁移率特性使其成为制备高性能场效应晶体管（FET）的理想材料。与传统的硅基FET相比，基于锗薄膜的FET能够实现更高的电子迁移速度，进而显著提升器件的工作频率和运算速度，满足现代高速通信和高性能计算对电子器件的严格要求。在传感器领域，锗薄膜对力、热、光、磁等物理量具有敏感响应，可用于制备压力传感器、温度传感器、光电传感器等多种类型的传感器，为物联网、智能穿戴设备以及工业自动化等领域提供了重要的技术支持。然而，锗薄膜的性能在很大程度上受到其生长衬底的影响。传统的锗薄膜生长通常采用锗单晶衬底，这种方式虽然能够获得高质量的锗薄膜，但锗单晶衬底价格昂贵、制备工艺复杂，严重限制了锗薄膜的大规模应用。而异质衬底的引入为解决这一问题提供了新的思路。异质衬底是指与锗薄膜材料不同的衬底，如硅（Si）、蓝宝石（Al₂O₃）、碳化硅（SiC）等。采用异质衬底生长锗薄膜，不仅可以充分利用衬底材料的优势，如硅衬底的低成本、大规模生产工艺成熟，蓝宝石衬底的良好光学性能和化学稳定性，碳化硅衬底的高导热性和耐高温性等，还能够通过衬底与锗薄膜之间的晶格匹配、应力调控等作用，实现对锗薄膜晶体结构、电学性能和光学性能的优化。例如，在硅衬底上生长锗薄膜，可以借助硅衬底的成熟工艺实现锗薄膜的低成本、大规模制备，同时通过合理控制生长条件，调节锗薄膜与硅衬底之间的晶格失配应力，能够有效提高锗薄膜的晶体质量和电学性能，为实现硅基锗光电器件和高速电子器件的集成提供了可能。在蓝宝石衬底上生长锗薄膜，则可以利用蓝宝石的良好光学性能，制备出高性能的锗基光电器件，拓宽锗薄膜在光学领域的应用范围。研究异质衬底锗薄膜的制备技术具有重要的现实意义，对推动半导体产业的发展具有深远影响。从产业发展的角度来看，异质衬底锗薄膜的制备技术的突破，有望打破传统锗薄膜制备工艺的局限，降低锗薄膜及其相关器件的生产成本，提高生产效率，从而促进锗薄膜在半导体产业中的广泛应用，推动半导体产业向高性能、低成本、多功能的方向发展。在技术创新方面，深入研究异质衬底与锗薄膜之间的相互作用机制，探索新的制备工艺和方法，不仅有助于提升锗薄膜的性能，还能够为其他异质薄膜材料的制备提供理论基础和技术借鉴，推动整个半导体材料制备技术的创新与发展。从应用拓展的角度来看，高性能的异质衬底锗薄膜将为光电器件、高速电子器件以及传感器等领域带来新的发展机遇，促进这些领域的技术升级和产品创新，满足社会对高速通信、高性能计算、智能感知等方面的不断增长的需求。1.2国内外研究现状在异质衬底锗薄膜制备领域，国内外科研人员已开展了大量研究工作，并取得了一系列具有重要价值的成果。这些成果涵盖了制备工艺的优化、薄膜性能的提升以及新的制备方法和技术的探索等多个方面。在制备工艺方面，分子束外延（MBE）、化学气相沉积（CVD）以及物理气相沉积（PVD）等传统工艺不断演进。MBE技术以其原子级别的精确控制能力，能够在异质衬底上生长出高质量、低缺陷密度的锗薄膜。国外一些顶尖科研机构，如美国的贝尔实验室和日本的东京大学，利用MBE技术在硅衬底上成功生长出了高质量的锗薄膜，并通过精确控制生长过程中的原子通量和衬底温度，实现了对锗薄膜晶体结构和电学性能的精细调控。在国内，中国科学院半导体研究所也运用MBE技术，在锗薄膜生长的基础研究方面取得了显著进展，深入研究了锗薄膜生长过程中的原子迁移和表面重构现象，为进一步提高锗薄膜质量提供了理论依据。CVD技术则具有生长速率快、可大面积生长的优势，在工业生产中具有广阔的应用前景。国外的一些半导体制造企业，如英特尔公司，采用CVD技术在大规模制备异质衬底锗薄膜方面取得了重要突破，通过优化反应气体流量、温度和压力等工艺参数，实现了锗薄膜的高质量、高效率生长。国内的一些高校和科研机构，如清华大学和北京大学，也在CVD技术制备异质衬底锗薄膜方面开展了深入研究，探索了不同CVD工艺对锗薄膜质量和性能的影响，为该技术的产业化应用奠定了基础。PVD技术中的溅射法，能够在各种复杂形状的衬底上沉积锗薄膜，具有良好的工艺适应性。国内外众多研究团队通过改进溅射设备和工艺参数，提高了锗薄膜的附着力和均匀性，使其在微机电系统（MEMS）等领域得到了广泛应用。在提升锗薄膜性能方面，研究主要集中在降低位错密度、调控应力以及优化电学和光学性能等方面。为降低位错密度，国内外学者提出了多种方法。国外研究人员通过在锗薄膜生长过程中引入缓冲层，有效缓解了锗薄膜与异质衬底之间的晶格失配，从而显著降低了位错密度，提高了锗薄膜的晶体质量。国内的研究团队则通过优化生长工艺参数，如生长温度、生长速率等，成功减少了锗薄膜中的位错缺陷，提升了其电学性能。在应力调控方面，科研人员通过改变衬底材料、生长顺序以及采用应力释放层等方法，实现了对锗薄膜应力的有效控制。例如，国外某研究小组在硅衬底上先生长一层应变缓冲层，再生长锗薄膜，成功降低了锗薄膜中的应力，提高了其稳定性。国内的研究人员则通过理论计算和实验验证，揭示了应力对锗薄膜电学性能的影响机制，并提出了相应的应力调控策略。在优化电学和光学性能方面，国内外研究人员通过对锗薄膜进行掺杂和表面处理，有效改善了其电学和光学性能。国外的研究团队通过精确控制掺杂元素的种类和浓度，实现了对锗薄膜电学性能的精准调控，制备出了高性能的锗基光电器件。国内的科研人员则通过对锗薄膜表面进行钝化处理，减少了表面缺陷，提高了其光学吸收效率和发光效率。新的制备方法和技术也不断涌现。远程外延技术以二维材料石墨烯作为辅助进行薄膜生长，不但能够提高异质外延薄膜的结晶质量，还能通过石墨烯辅助的机械剥离实现单晶形态的自支撑膜，进而将其转移至硅和柔性聚合物等任意衬底。西安交通大学研究人员展示了在锗衬底上利用石墨烯作为中间层的BTO薄膜的高度异质外延生长，为在晶圆级半导体衬底和柔性衬底上集成功能性氧化物薄膜提供了新的途径。智能生长技术利用人工智能算法实时监测和调控薄膜生长过程，实现了生长过程的智能化控制，能够制备出高质量的锗薄膜。国外的一些科研机构已经开始尝试将智能生长技术应用于锗薄膜的制备，并取得了初步的成果，为该领域的发展带来了新的思路和方法。尽管取得了诸多成果，但现有研究仍存在一些不足之处。一方面，制备工艺复杂、成本高昂仍然是制约异质衬底锗薄膜大规模应用的重要因素。例如，MBE技术虽然能够制备高质量的锗薄膜，但其设备昂贵、生长速率低，难以满足大规模生产的需求；CVD技术在生长过程中需要使用大量的反应气体，且对设备的要求较高，导致生产成本居高不下。另一方面，锗薄膜与异质衬底之间的兼容性问题仍然有待进一步解决，界面缺陷和应力集中等问题会影响锗薄膜的性能和稳定性。此外，对于锗薄膜在复杂环境下的长期稳定性和可靠性研究还相对较少，这限制了其在一些对可靠性要求较高的领域的应用。当前，异质衬底锗薄膜制备领域的研究热点主要集中在开发低成本、高效率的制备工艺，深入研究锗薄膜与异质衬底之间的界面物理和化学过程，以及探索锗薄膜在新兴领域的应用潜力。随着物联网、人工智能、5G通信等新兴技术的快速发展，对高性能、多功能的半导体材料的需求日益增长，异质衬底锗薄膜作为一种具有独特性能的半导体材料，在这些领域展现出了巨大的应用潜力。例如，在5G通信领域，锗薄膜可用于制备高性能的射频器件，提高通信的速度和稳定性；在人工智能领域，锗薄膜可用于制备神经形态器件，实现高效的信息处理和存储。未来，随着研究的不断深入和技术的不断进步，异质衬底锗薄膜有望在更多领域得到广泛应用，为半导体产业的发展注入新的活力。二、异质衬底锗薄膜制备的理论基础2.1锗的材料特性2.1.1基本物理性质锗（Ge）是一种重要的半导体材料，在元素周期表中位于第四周期第IVA族，原子序数为32。锗的晶体结构为面心立方，与金刚石结构相似，每个锗原子通过共价键与四个相邻的锗原子相连，形成稳定的三维网络结构。这种晶体结构赋予了锗一定的硬度和脆性，其莫氏硬度约为6.0-6.5，在受到外力作用时，容易沿着特定的晶面发生解理。从电学性质来看，锗是典型的半导体，其禁带宽度相对较小，约为0.66eV（300K）。这一特性使得锗在室温下就有一定数量的电子能够从价带激发到导带，从而具备导电能力。与其他常见半导体材料如硅（Si，禁带宽度1.12eV，300K）相比，锗的禁带宽度较小，这意味着在相同条件下，锗更容易产生电子-空穴对，其本征载流子浓度相对较高。以300K为例，锗的本征载流子浓度约为2.4\times10^{13}cm^{-3}，而硅的本征载流子浓度约为1.5\times10^{10}cm^{-3}。锗的电子迁移率高达3900cm^{2}/(V·s)，空穴迁移率也有1900cm^{2}/(V·s)，高载流子迁移率使得锗在电子器件中能够实现快速的电子传输，降低电阻，提高器件的运行速度和效率。在光学性质方面，锗对红外线具有良好的透过性和吸收性。锗的折射率较高，在红外波段（特别是3-12μm波长范围），锗的折射率约为4.0左右，这使得锗成为制造红外光学元件的理想材料，如红外透镜、窗口、棱镜等。锗对红外光的吸收系数随着波长的变化而变化，在某些特定波长处存在吸收峰，这与锗的电子能带结构以及晶格振动等因素密切相关。锗的这种光学特性，使其在红外探测、热成像、红外通信等领域有着广泛的应用。例如，在红外探测器中，锗可以将接收到的红外光信号转化为电信号，实现对红外辐射的检测和成像。此外，锗的密度为5.323g/cm³，熔点为938.25℃，沸点为2830℃。这些物理参数在锗薄膜的制备过程中起着重要的作用。在采用物理气相沉积（PVD）或化学气相沉积（CVD）等方法制备锗薄膜时，需要根据锗的熔点和沸点来合理选择沉积温度和工艺条件，以确保锗原子能够在衬底表面有效地沉积和结晶，形成高质量的锗薄膜。2.1.2锗在半导体领域的优势与其他常见的半导体材料相比，锗在半导体领域展现出诸多独特的优势，使其在高速、光电器件等领域具有巨大的应用潜力。在电子迁移率方面，锗的电子迁移率高达3900cm^{2}/(V·s)，远高于硅的1500cm^{2}/(V·s)。高电子迁移率意味着在相同的电场强度下，锗中的电子能够以更快的速度移动，从而使得基于锗的电子器件，如场效应晶体管（FET），能够实现更高的开关速度和更低的电阻。以集成电路中的FET为例，采用锗作为沟道材料，可以显著提高器件的运行频率和处理速度，降低功耗。在现代高速通信和高性能计算领域，对电子器件的速度和功耗要求越来越高，锗的高电子迁移率特性使其成为实现下一代高性能集成电路的关键材料之一。在光学吸收方面，锗在近红外波段具有较高的吸收系数。如前文所述，锗对3-12μm波长范围的红外光具有良好的透过性和吸收性，这使得锗在光电器件领域具有独特的优势。在光电探测器中，需要材料能够高效地吸收光信号并将其转化为电信号。锗对近红外光的高吸收系数，使其能够有效地捕获近红外光子，产生大量的电子-空穴对，从而提高光电探测器的响应灵敏度和探测效率。在光纤通信中，常用的通信波长为1.31μm和1.55μm，锗对这两个波长的光具有较好的吸收性能，因此锗基光电探测器在光纤通信系统中得到了广泛的应用，用于接收和检测光信号，实现光通信信号的转换和处理。锗与硅工艺的兼容性也是其在半导体领域的一大优势。硅是目前半导体产业中应用最为广泛的材料，拥有成熟的制造工艺和庞大的产业基础。锗与硅的晶体结构相似，且锗可以在硅衬底上通过异质外延等技术生长，这使得锗能够与现有的硅基工艺相结合，实现锗基器件与硅基集成电路的集成。这种兼容性为半导体产业的发展提供了新的机遇，通过将锗的高性能特性与硅的成熟工艺相结合，可以在不改变现有硅基生产线的基础上，开发出高性能、多功能的半导体器件和集成电路，降低研发成本和生产难度，加速产品的商业化进程。例如，在硅基衬底上生长锗薄膜，制备出硅锗（SiGe）异质结器件，这种器件结合了硅和锗的优点，在高速逻辑电路、射频电路等领域展现出优异的性能。此外，锗的禁带宽度相对较小，这使得锗在一些特殊应用中具有优势。在某些需要低阈值电压和高载流子浓度的器件中，如隧道二极管等，锗的小禁带宽度可以满足其对电学性能的要求。在一些对温度敏感的应用中，锗的电学性能随温度的变化相对较小，具有较好的温度稳定性，能够在一定温度范围内保持器件性能的稳定。综上所述，锗在电子迁移率、光学吸收以及与硅工艺的兼容性等方面具有显著优势，这些优势使其在半导体领域，尤其是高速、光电器件领域具有广阔的应用前景。随着半导体技术的不断发展，对锗材料的研究和应用也在不断深入，未来锗有望在更多领域发挥重要作用，推动半导体产业的进一步发展。2.2异质衬底的选择原则与作用2.2.1选择原则在异质衬底锗薄膜的制备过程中，衬底的选择至关重要，它直接影响着锗薄膜的生长质量、性能以及后续器件的应用效果。选择异质衬底时，需要综合考虑多个关键因素，包括晶格匹配、热膨胀系数匹配、化学稳定性等。晶格匹配是选择异质衬底时首要考虑的因素之一。晶格常数是晶体结构的重要参数，它决定了晶体中原子的排列间距。当在异质衬底上生长锗薄膜时，如果衬底的晶格常数与锗的晶格常数差异过大，就会在锗薄膜与衬底的界面处产生较大的晶格失配应力。这种应力会导致锗薄膜在生长过程中产生大量的位错、缺陷等晶体结构缺陷，严重影响锗薄膜的晶体质量和电学性能。以硅衬底为例，硅的晶格常数为0.5431nm，而锗的晶格常数为0.5658nm，二者之间存在约4.2%的晶格失配。在硅衬底上直接生长锗薄膜时，这种晶格失配会使得锗薄膜内部产生较高的应力，从而导致位错密度增加，薄膜的晶体质量下降。为了缓解晶格失配带来的影响，通常会采用一些缓冲层技术，如在硅衬底和锗薄膜之间生长一层渐变的硅锗（SiGe）缓冲层，通过逐渐改变SiGe缓冲层中锗的含量，使晶格常数从硅衬底的晶格常数逐渐过渡到锗的晶格常数，从而有效地降低晶格失配应力，提高锗薄膜的生长质量。热膨胀系数匹配也是选择异质衬底时不可忽视的因素。在锗薄膜的生长过程以及后续的器件制造和使用过程中，材料会经历温度的变化。如果衬底和锗薄膜的热膨胀系数差异较大，当温度发生变化时，衬底和锗薄膜的膨胀或收缩程度不同，就会在界面处产生热应力。这种热应力可能会导致锗薄膜出现裂纹、剥离等问题，影响薄膜的稳定性和可靠性。例如，蓝宝石衬底的热膨胀系数为7.5×10⁻⁶/℃，而锗的热膨胀系数为6.1×10⁻⁶/℃，二者热膨胀系数存在一定差异。在高温生长锗薄膜后冷却的过程中，这种热膨胀系数的不匹配可能会使锗薄膜与蓝宝石衬底之间产生热应力，进而影响锗薄膜的质量和性能。因此，在选择衬底时，应尽量选择热膨胀系数与锗相近的材料，以减少热应力的产生。化学稳定性同样是选择异质衬底时需要重点考虑的方面。衬底在锗薄膜的生长过程以及后续的处理过程中，需要保持良好的化学稳定性，不与锗发生化学反应，不被生长过程中的气体或其他化学物质腐蚀。如果衬底的化学稳定性不佳，在生长过程中可能会与锗发生化学反应，导致锗薄膜的化学成分和晶体结构发生改变，影响薄膜的性能。例如，某些金属衬底可能会与锗发生合金化反应，改变锗薄膜的电学和光学性能。在化学气相沉积（CVD）等生长工艺中，衬底需要在高温和存在气态有机源的环境下保持稳定，不被分解或腐蚀，以确保锗薄膜能够在其表面高质量地生长。除了上述主要因素外，衬底的导电性、光学性能、机械性能以及成本和尺寸等因素也会影响衬底的选择。对于一些需要电学性能的应用，如制备锗基电子器件，衬底的导电性需要满足一定的要求，以便实现高效的电流传输。在光电器件应用中，衬底的光学性能，如光吸收系数、折射率等，会影响器件的光提取效率和发光效率，因此需要选择具有合适光学性能的衬底。衬底的机械性能，包括硬度、韧性等，会影响其加工性能和在后续器件制造过程中的稳定性。此外，衬底的成本和尺寸也是实际生产中需要考虑的重要因素，低成本、大尺寸的衬底更有利于实现大规模生产和降低器件成本。不同的衬底材料具有各自的优缺点。硅衬底由于其成熟的工艺、低廉的成本以及与现有半导体产业的兼容性，成为了应用最为广泛的异质衬底之一。然而，硅与锗之间的晶格失配和热膨胀系数差异限制了锗薄膜在硅衬底上的生长质量和性能提升。蓝宝石衬底具有良好的化学稳定性和光学性能，在光电器件应用中具有一定优势，但其与锗的晶格匹配性较差，且热膨胀系数也存在差异，需要采取特殊的工艺措施来解决这些问题。碳化硅衬底具有高导热性、耐高温等优点，适用于一些对散热和高温性能要求较高的应用场景，但碳化硅衬底的制备成本较高，加工难度较大。在选择异质衬底时，需要综合考虑晶格匹配、热膨胀系数匹配、化学稳定性等多个因素，并根据具体的应用需求和工艺条件，权衡不同衬底材料的优缺点，选择最合适的衬底，以实现高质量的锗薄膜生长和高性能的器件应用。2.2.2对锗薄膜性能的影响异质衬底对锗薄膜的性能具有多方面的重要影响，涵盖生长质量、晶体结构以及电学性能等关键领域，这些影响直接决定了锗薄膜在各种应用中的表现和适用性。异质衬底对锗薄膜的生长质量有着显著的影响。衬底的表面平整度、粗糙度以及晶格结构等因素都会影响锗原子在衬底表面的吸附、迁移和沉积过程，从而决定了锗薄膜的生长质量。一个平整、光滑且晶格结构与锗匹配良好的衬底，能够为锗原子提供均匀的吸附位点，使得锗原子在衬底表面能够有序地迁移和沉积，进而生长出高质量、低缺陷密度的锗薄膜。相反，如果衬底表面存在缺陷、杂质或者晶格失配严重，锗原子在吸附和迁移过程中就会受到阻碍，容易在薄膜内部形成位错、空洞等缺陷，降低锗薄膜的生长质量。例如，在分子束外延（MBE）生长锗薄膜的过程中，当使用经过精细抛光和清洗的高质量硅衬底时，能够精确控制锗原子的沉积速率和衬底温度，使得锗原子在硅衬底表面能够逐层有序生长，从而获得原子级平整的锗薄膜表面和低缺陷密度的晶体结构。而如果硅衬底表面存在氧化层、颗粒污染物等杂质，锗原子在生长过程中就会优先在这些杂质位点处聚集，导致锗薄膜表面粗糙，缺陷增多，严重影响薄膜的质量和性能。衬底还会对锗薄膜的晶体结构产生影响。由于衬底与锗薄膜的晶格常数和晶体结构可能存在差异，在锗薄膜生长过程中，会受到衬底晶格的约束和影响，从而导致锗薄膜的晶体结构发生变化。这种变化可能表现为晶格畸变、晶向生长的改变以及晶体缺陷的引入等。以在蓝宝石衬底上生长锗薄膜为例，蓝宝石的晶体结构为三方晶系，与锗的面心立方晶体结构存在较大差异。在生长过程中，锗薄膜为了适应蓝宝石衬底的晶格结构，会发生晶格畸变，导致锗薄膜内部产生应力。这种应力会影响锗薄膜的晶向生长，使得锗薄膜的晶体取向不再是理想的单一晶向，而是出现多晶或择优取向生长的情况。同时，晶格畸变和应力还会引入大量的位错、层错等晶体缺陷，这些缺陷会影响锗薄膜的电学性能和光学性能。通过在蓝宝石衬底和锗薄膜之间引入合适的缓冲层，如生长一层与蓝宝石晶格匹配较好的氧化物缓冲层，再在缓冲层上生长锗薄膜，可以有效地缓解晶格失配，减少应力和晶体缺陷，改善锗薄膜的晶体结构。异质衬底对锗薄膜的电学性能也有着重要的影响。不同的衬底材料具有不同的电学性质，如导电性、介电常数等，这些性质会通过衬底与锗薄膜之间的界面相互作用，影响锗薄膜的电学性能。例如，当在导电的硅衬底上生长锗薄膜时，硅衬底的导电性会对锗薄膜的电学性能产生一定的影响。如果硅衬底的掺杂浓度较高，其内部的载流子会与锗薄膜中的载流子发生相互作用，导致锗薄膜的电学性能发生改变。具体表现为锗薄膜的载流子浓度、迁移率以及电阻率等参数的变化。在制备锗基场效应晶体管（FET）时，如果衬底的导电性不合适，会导致器件的阈值电压漂移、漏电流增大等问题，影响器件的性能和稳定性。此外，衬底与锗薄膜之间的界面态也会对锗薄膜的电学性能产生影响。界面态中的电荷会形成电场，影响锗薄膜中载流子的分布和输运，从而改变锗薄膜的电学性能。通过对衬底进行表面处理，如氧化、钝化等，可以减少界面态的数量，改善界面质量，从而提高锗薄膜的电学性能。不同衬底上生长的锗薄膜性能存在明显差异。在硅衬底上生长的锗薄膜，由于硅与锗之间的晶格失配和热膨胀系数差异，通常会存在较高的应力和较多的晶体缺陷，这会导致锗薄膜的载流子迁移率降低，电学性能受到一定程度的影响。然而，由于硅衬底的成熟工艺和低成本优势，在通过优化生长工艺和采用缓冲层技术等手段后，仍然可以在硅衬底上制备出满足一定应用需求的锗薄膜，如用于硅基锗光电器件的集成。在蓝宝石衬底上生长的锗薄膜，虽然蓝宝石具有良好的化学稳定性和光学性能，但由于其与锗的晶格匹配性较差，锗薄膜的晶体质量和电学性能也会受到较大影响。但在一些对光学性能要求较高的应用中，如制备锗基红外探测器，通过合理设计生长工艺和结构，可以利用蓝宝石的光学优势，实现高性能的锗基光电器件。在碳化硅衬底上生长的锗薄膜，由于碳化硅的高导热性和耐高温性，可以在高温、高功率等恶劣环境下保持较好的性能稳定性。但碳化硅衬底的高成本和加工难度限制了其大规模应用。异质衬底在锗薄膜的生长过程中起着至关重要的作用，对锗薄膜的生长质量、晶体结构和电学性能等方面都有着深远的影响。在实际应用中，需要根据具体的需求和工艺条件，选择合适的异质衬底，并通过优化生长工艺和采用相关技术手段，来充分发挥异质衬底的优势，克服其带来的不利影响，实现高性能的异质衬底锗薄膜的制备和应用。三、制备材料与设备3.1制备材料3.1.1锗源材料在异质衬底锗薄膜的制备过程中，锗源材料的选择和特性对薄膜的质量和性能起着关键作用。常用的锗源材料主要包括锗锭和锗粉，它们各自具有独特的物理和化学性质，这些性质在很大程度上影响着薄膜制备的工艺过程和最终薄膜的性能。锗锭是一种经过精炼和提纯的块状锗材料，通常具有较高的纯度。高纯度的锗锭对于制备高质量的锗薄膜至关重要，因为杂质的存在会显著影响锗薄膜的电学、光学和结构性能。在电子器件应用中，锗薄膜中的杂质可能会引入额外的能级，干扰载流子的传输，导致器件性能下降。在制备光电器件时，杂质可能会影响锗薄膜对光的吸收和发射特性，降低器件的光电转换效率。工业生产中，常用的锗锭纯度可达到99.999%（5N）甚至更高。随着纯度的提高，锗锭中的杂质含量大幅降低，从而减少了在薄膜生长过程中杂质对锗薄膜性能的负面影响，使得制备出的锗薄膜具有更优异的电学和光学性能。锗粉则是由锗锭经过粉碎等加工工艺得到的粉末状材料。锗粉的颗粒大小是一个重要的参数，它对薄膜制备过程有着显著的影响。较小的颗粒尺寸能够提供更大的比表面积，使得锗原子在蒸发或溅射等沉积过程中更容易与衬底表面发生相互作用，从而促进锗薄膜的均匀生长。在物理气相沉积（PVD）工艺中，较小颗粒的锗粉在加热蒸发时，能够更快速地转化为气态原子，并且在衬底表面的沉积更加均匀，有利于形成高质量的锗薄膜。颗粒尺寸过小也可能导致一些问题，如粉末的团聚现象，这会影响粉末的流动性和均匀性，进而影响薄膜的生长质量。因此，在实际应用中，需要根据具体的制备工艺和要求，选择合适颗粒大小的锗粉。一般来说，用于薄膜制备的锗粉颗粒尺寸通常在几微米到几十微米之间。不同纯度和颗粒大小的锗源材料对薄膜制备的影响机制较为复杂。从纯度方面来看，低纯度的锗源材料中含有的杂质在薄膜生长过程中可能会进入锗薄膜晶格，形成杂质缺陷。这些杂质缺陷可能会改变锗薄膜的晶体结构，导致晶格畸变，进而影响锗薄膜的电学性能。一些金属杂质可能会作为载流子的散射中心，降低载流子的迁移率，使锗薄膜的电阻增大。从颗粒大小方面来看，较大颗粒的锗粉在沉积过程中，由于其质量较大，可能会在衬底表面产生不均匀的沉积，导致锗薄膜厚度不均匀。大颗粒的锗粉在蒸发或溅射时，需要更高的能量才能使其转化为气态原子，这可能会增加制备工艺的难度和成本。在实际应用中，需要根据具体的制备工艺和对锗薄膜性能的要求来选择合适的锗源材料。在分子束外延（MBE）这种对薄膜质量要求极高的制备工艺中，通常会选择高纯度的锗锭作为锗源材料，以确保能够精确控制薄膜的生长过程，获得原子级平整的高质量锗薄膜。而在一些对成本较为敏感且对薄膜质量要求相对较低的应用中，如某些传感器的制备，可以考虑使用锗粉作为锗源材料，通过优化工艺参数来控制薄膜的生长质量。3.1.2衬底材料在异质衬底锗薄膜的制备中，衬底材料的选择至关重要，它直接关系到锗薄膜的生长质量、性能以及后续器件的应用效果。常见的异质衬底材料包括硅、蓝宝石等，它们各自具有独特的特性和适用场景。硅衬底是半导体产业中应用最为广泛的衬底材料之一，具有诸多显著优势。硅的晶体结构为金刚石型立方结构，与锗的面心立方结构有一定的相似性，这使得锗在硅衬底上生长时，在一定程度上能够减少晶格失配带来的负面影响。硅衬底的制备工艺成熟，成本相对较低，能够实现大规模生产。在集成电路制造领域，硅衬底已经建立了完善的产业链和工艺体系，这为在硅衬底上生长锗薄膜并实现其与硅基器件的集成提供了便利条件。硅衬底具有良好的电学性能，其本征载流子浓度低，电阻率较高，能够满足大多数半导体器件对衬底电学性能的要求。在制备锗基场效应晶体管时，硅衬底的低本征载流子浓度可以减少衬底对器件电学性能的干扰，提高器件的性能和稳定性。硅衬底也存在一些不足之处。硅与锗之间存在约4.2%的晶格失配，这种晶格失配会在锗薄膜生长过程中产生应力，导致锗薄膜内部出现位错、缺陷等问题，影响锗薄膜的晶体质量和电学性能。为了缓解这种晶格失配应力，可以采用在硅衬底和锗薄膜之间生长渐变硅锗（SiGe）缓冲层的方法，通过逐渐改变SiGe缓冲层中锗的含量，使晶格常数从硅衬底的晶格常数逐渐过渡到锗的晶格常数，从而有效降低晶格失配应力，提高锗薄膜的生长质量。蓝宝石衬底，其主要成分是氧化铝（Al₂O₃），具有独特的特性。蓝宝石衬底的化学稳定性良好，在高温、高湿度等恶劣环境下，能够保持稳定的化学性质，不易与锗或其他材料发生化学反应。这使得在蓝宝石衬底上生长锗薄膜时，能够保证薄膜的化学成分和结构的稳定性，有利于制备高质量的锗薄膜。蓝宝石衬底具有优异的光学性能，其在可见光和红外波段具有较高的透过率，折射率均匀。这种良好的光学性能使得蓝宝石衬底在光电器件应用中具有明显优势。在制备锗基红外探测器时，蓝宝石衬底的高红外透过率可以减少光在衬底中的吸收和散射，提高探测器对红外光的响应灵敏度和探测效率。蓝宝石衬底的硬度较高，机械性能稳定，能够在薄膜生长过程中提供稳定的支撑，保证薄膜的生长质量。然而，蓝宝石衬底与锗的晶格匹配性较差，其晶体结构与锗的面心立方结构差异较大，这会导致在蓝宝石衬底上生长锗薄膜时，晶格失配应力较大，容易产生大量的位错和缺陷，影响锗薄膜的性能。为了解决这一问题，可以采用在蓝宝石衬底上先生长一层与蓝宝石晶格匹配较好的缓冲层，如氧化物缓冲层，然后再在缓冲层上生长锗薄膜的方法，通过缓冲层来缓解晶格失配应力，改善锗薄膜的晶体结构和性能。除了硅和蓝宝石衬底外，还有其他一些衬底材料也在异质衬底锗薄膜制备中得到应用。碳化硅（SiC）衬底具有高导热性、耐高温、化学稳定性好等优点，适用于制备在高温、高功率环境下工作的锗基器件。在制备用于高温传感器或高功率射频器件的锗薄膜时，碳化硅衬底的高导热性可以有效散热，保证器件在高温环境下的正常工作。但碳化硅衬底的制备成本较高，加工难度较大，限制了其大规模应用。在选择衬底材料时，需要综合考虑多个因素。要根据锗薄膜的应用领域和性能要求来选择合适的衬底。如果是用于制备高速电子器件，需要考虑衬底的电学性能和与锗的晶格匹配性，硅衬底可能是较为合适的选择；如果是用于制备光电器件，衬底的光学性能则是关键因素，蓝宝石衬底可能更具优势。还需要考虑衬底的成本、制备工艺的兼容性等因素。在大规模生产中，成本是一个重要的考量因素，硅衬底由于其成本低、工艺成熟，在满足性能要求的情况下，通常是优先选择。制备工艺的兼容性也很重要，要确保所选衬底能够与锗薄膜的制备工艺相匹配，以保证薄膜的生长质量和生产效率。三、制备材料与设备3.2制备设备3.2.1蒸发设备蒸发设备是制备异质衬底锗薄膜的重要工具之一，其中玻璃钟罩蒸发设备具有结构相对简单、成本较低等优点，在科研和小规模生产中应用较为广泛。玻璃钟罩蒸发设备主要由钟罩、蒸发源、衬底支架、真空系统以及加热和控温装置等部分组成。该设备的工作原理基于物理气相沉积的基本原理，即在高真空环境下，通过加热蒸发源使锗源材料（如锗锭或锗粉）蒸发成气态原子或分子。这些气态的锗原子或分子在真空中以直线运动的方式向四周扩散，当它们到达衬底表面时，由于衬底温度相对较低，锗原子或分子会在衬底表面凝结并逐渐沉积，从而形成锗薄膜。在蒸发过程中，蒸发源通常采用电阻加热、电子束加热或激光加热等方式。电阻加热是通过电流通过电阻丝产生热量，使蒸发源温度升高，从而实现锗源材料的蒸发；电子束加热则是利用高能电子束轰击蒸发源，将电子的动能转化为热能，使锗源材料蒸发；激光加热是通过聚焦激光束照射蒸发源，使蒸发源吸收激光能量而升温蒸发。不同的加热方式具有各自的优缺点，电阻加热设备简单、成本低，但加热效率相对较低，且温度均匀性较难控制；电子束加热能够实现高能量密度的加热，可蒸发高熔点材料，温度控制精度较高，但设备复杂、成本高；激光加热具有加热速度快、局部加热能力强等优点，但设备昂贵，且对蒸发源材料的光学性质有一定要求。在玻璃钟罩蒸发设备中，蒸发速率是一个关键参数，它对锗薄膜的质量有着重要影响。蒸发速率过快，锗原子在衬底表面的沉积速度过快，可能导致原子来不及在衬底表面进行有序排列，从而使锗薄膜的晶体结构紊乱，产生较多的缺陷，如位错、空洞等，影响薄膜的电学性能和光学性能。在制备用于光电器件的锗薄膜时，过快的蒸发速率可能导致薄膜的光吸收不均匀，降低光电器件的响应灵敏度。相反，蒸发速率过慢，不仅会降低生产效率，还可能使锗原子在真空中停留时间过长，增加了与残留气体分子碰撞的机会，从而引入杂质，影响锗薄膜的纯度和质量。为了获得高质量的锗薄膜，需要根据具体的工艺要求，精确控制蒸发速率。通常可以通过调节蒸发源的加热功率、蒸发源与衬底之间的距离等因素来控制蒸发速率。本底压强也是影响锗薄膜质量的重要因素。本底压强是指在蒸发镀膜之前，镀膜室内的真空度。较低的本底压强意味着镀膜室内的残留气体分子较少，这可以减少锗原子在蒸发过程中与残留气体分子的碰撞，降低杂质的引入，从而提高锗薄膜的纯度。在高本底压强环境下，锗原子可能会与残留的氧气、氮气等气体分子发生反应，形成锗的氧化物、氮化物等杂质，这些杂质会改变锗薄膜的化学成分和晶体结构，影响其电学性能和光学性能。高本底压强还可能导致锗原子在衬底表面的沉积过程中形成不均匀的薄膜，降低薄膜的质量和均匀性。一般来说，制备高质量锗薄膜时，玻璃钟罩蒸发设备的本底压强需要控制在10^{-3}Pa甚至更低的水平。为了实现低本底压强，通常需要采用高性能的真空泵，如机械泵与分子泵或扩散泵组合的方式，对镀膜室进行抽气，以获得高真空环境。同时，还需要对设备进行严格的密封，防止外界气体进入镀膜室，确保本底压强的稳定性。3.2.2溅射设备射频磁控溅射设备是一种常用的制备异质衬底锗薄膜的溅射设备，其工作机制基于射频电源驱动的磁控溅射技术。在该设备中，主要包括射频电源、磁控系统、溅射靶材、基片架和真空系统等关键组成部分。射频磁控溅射设备的工作原理较为复杂，涉及到电场、磁场以及等离子体等多个物理过程。在真空环境下，射频电源产生高频电磁波，通过匹配网络将射频功率耦合到溅射靶材上，使其成为射频电场的一个电极。同时，磁控系统在靶材表面附近产生磁场，该磁场与电场相互作用，形成一个特殊的电磁场分布。当向真空室内充入一定量的惰性气体（如氩气）后，在射频电场的作用下，氩气分子被电离，产生氩离子（Ar⁺）和电子。这些电子在电场的加速下飞向靶材，在飞行过程中与氩气分子不断碰撞，产生更多的离子和电子，形成等离子体。由于磁场对带电粒子的约束作用，电子在靶材表面附近做螺旋状运动，增加了电子与氩气分子的碰撞几率，从而提高了等离子体的密度和气体的离化率。氩离子在电场的作用下加速飞向靶材，以高能量轰击靶材表面，使靶材表面的锗原子获得足够的能量而被溅射出来，形成锗原子束。这些锗原子在真空室内飞行，最终沉积在基片表面，逐渐形成锗薄膜。在射频磁控溅射设备中，溅射功率是一个重要的操作条件，它与锗薄膜的生长密切相关。溅射功率直接影响着氩离子轰击靶材的能量和溅射出来的锗原子的数量。当溅射功率较低时，氩离子的能量较低，溅射出来的锗原子数量较少，导致锗薄膜的生长速率较慢。低溅射功率下，锗原子在基片表面的迁移能力较弱，可能无法形成均匀、致密的薄膜结构，影响薄膜的质量。随着溅射功率的增加，氩离子的能量增大，溅射出来的锗原子数量增多，薄膜的生长速率加快。但溅射功率过高，会使氩离子的能量过高，导致靶材表面的原子溅射过于剧烈，可能会引入过多的缺陷，如晶格畸变、空位等，同时还可能使基片温度升高过快，影响薄膜的晶体结构和性能。在制备锗薄膜时，需要根据具体的需求和基片的承受能力，合理选择溅射功率，一般在几十瓦到几百瓦之间。气体流量也是影响锗薄膜生长的重要因素之一。在射频磁控溅射过程中，气体流量主要影响真空室内的气压和等离子体的密度。当气体流量较小时，真空室内的气压较低，等离子体的密度也较低，这会导致氩离子与靶材的碰撞几率降低，溅射效率下降，从而使锗薄膜的生长速率变慢。气体流量过小还可能使等离子体的分布不均匀，导致锗薄膜的生长不均匀。相反，当气体流量过大时，真空室内的气压升高，等离子体的密度增大，虽然溅射效率会提高，但过高的气压会使溅射出来的锗原子在飞行过程中与气体分子的碰撞几率增加，导致锗原子的能量损失和散射，影响锗原子在基片表面的沉积方向和均匀性，进而影响锗薄膜的质量。通常情况下，需要通过实验优化，确定合适的气体流量，一般氩气流量在几sccm到几十sccm之间。射频磁控溅射设备在制备异质衬底锗薄膜方面具有诸多优势。该设备可以在较低的温度下进行薄膜沉积，这对于一些对温度敏感的衬底材料（如塑料、有机材料等）非常重要，能够避免因高温导致的衬底变形、性能改变等问题。射频磁控溅射设备能够精确控制薄膜的厚度，通过调节溅射时间和溅射速率，可以实现对薄膜厚度的精确控制，满足不同应用对薄膜厚度的严格要求。该设备还可以制备出具有优良性能的薄膜，如高纯度、低缺陷、高附着力等，适用于各种对薄膜性能要求较高的应用领域，如微电子、光学、传感器等。3.2.3分子束外延设备分子束外延（MBE）设备是一种能够实现高精度薄膜生长的先进设备，在制备高质量异质衬底锗薄膜方面具有独特的优势。MBE设备主要由超高真空系统、分子束源炉、衬底加热与温度控制系统、反射式高能电子衍射（RHEED）监测系统以及样品传输系统等部分组成。MBE设备的高精度生长原理基于在超高真空环境下，精确控制分子或原子束的蒸发和沉积过程。在MBE设备中，锗原子或分子从加热的分子束源炉中蒸发出来，形成一束具有确定能量和方向的分子束。这些分子束在超高真空环境中几乎无碰撞地飞向衬底表面。衬底被加热到适当的温度，使到达衬底表面的锗原子具有足够的迁移能力，能够在衬底表面进行扩散和重新排列，从而实现逐层生长。在生长过程中，通过反射式高能电子衍射（RHEED）监测系统，可以实时观察衬底表面的原子排列情况和薄膜的生长状态。RHEED系统利用高能电子束照射衬底表面，根据反射电子束的衍射图案来推断衬底表面的原子结构和薄膜的生长模式。如果生长过程中出现原子排列异常或薄膜生长不均匀等问题，可以及时调整分子束的流量、衬底温度等参数，以保证薄膜的高质量生长。MBE设备在制备高质量锗薄膜方面具有显著的优势。该设备能够实现原子级别的精确控制，通过精确调节分子束源炉的温度和蒸发速率，可以精确控制到达衬底表面的锗原子的数量和速率，从而实现对锗薄膜生长层数和厚度的精确控制，精度可达原子层级别。这使得MBE设备能够生长出具有原子级平整表面和低缺陷密度的高质量锗薄膜，非常适合用于制备对薄膜质量要求极高的光电器件和高速电子器件。MBE设备在超高真空环境下工作，能够有效避免杂质的引入，保证锗薄膜的高纯度。在超高真空环境中，残留气体分子的数量极少，锗原子在蒸发和沉积过程中与杂质分子碰撞的几率极低，从而能够生长出高纯度的锗薄膜，满足对薄膜电学性能和光学性能要求严格的应用场景。MBE设备还可以实现对锗薄膜生长过程的实时监测和原位分析，通过RHEED等监测系统，可以实时了解薄膜的生长状态和质量，及时发现并解决生长过程中出现的问题，为制备高质量的锗薄膜提供了有力的保障。MBE设备也存在一些局限性，其中最主要的是成本限制。MBE设备的价格昂贵，其超高真空系统、分子束源炉、RHEED监测系统等关键部件都需要高精度的制造工艺和先进的技术，导致设备的购置成本极高。MBE设备的运行和维护成本也很高，需要消耗大量的能源来维持超高真空环境和精确控制分子束源炉的温度，同时设备的维护和保养需要专业的技术人员和昂贵的检测设备，增加了使用成本。MBE设备的生长速率相对较低，一般在每小时几个原子层到几十纳米之间，这使得大规模生产锗薄膜的效率较低，进一步提高了生产成本。由于这些成本限制，MBE设备目前主要应用于科研领域和高端产品的制备，在大规模工业生产中的应用受到一定的限制。四、制备方法4.1蒸发法4.1.1工艺步骤蒸发法制备异质衬底锗薄膜是一种基于物理气相沉积原理的工艺，其过程涉及多个关键步骤，每个步骤都对最终锗薄膜的质量和性能有着重要影响。在进行蒸发镀膜之前，对衬底进行严格的清洗至关重要。衬底表面的杂质、油污和氧化物等会严重影响锗薄膜与衬底的附着力以及薄膜的生长质量。以硅衬底为例，通常先将硅衬底依次放入丙酮、乙醇等有机溶剂中进行超声清洗，利用超声的空化作用去除表面的油污和有机物杂质。丙酮具有良好的溶解性，能够有效溶解各类油脂，而乙醇则可以进一步清洗掉残留的丙酮和其他水溶性杂质。将衬底放入氢氟酸溶液中进行短暂浸泡，以去除表面的氧化层，使衬底表面呈现出洁净的硅原子表面。经过清洗后的衬底，要用去离子水反复冲洗，去除残留的清洗液，然后用高纯氮气吹干，确保衬底表面干燥、洁净，为后续的锗薄膜生长提供良好的基础。清洗完成后，将衬底放置在蒸发设备的衬底支架上，同时将锗源材料（如锗锭或锗粉）放置在蒸发源中。在玻璃钟罩蒸发设备中，蒸发源通常采用钼舟或钨丝等耐高温材料制成的容器，将锗源放入其中。关闭钟罩，启动真空系统，对蒸发室进行抽气，使室内气压逐渐降低，达到高真空状态，一般要求本底压强低于10^{-3}Pa。在高真空环境下，能够减少残留气体分子对锗原子蒸发和沉积过程的干扰，降低杂质的引入，从而提高锗薄膜的纯度和质量。当达到所需的真空度后，开始对蒸发源进行加热。根据蒸发源的类型不同，加热方式也有所区别。如果采用电阻加热蒸发源，通过给钼舟或钨丝等蒸发源施加电流，利用电阻产生的热量使锗源温度升高。随着温度的升高，锗源逐渐蒸发，产生锗原子蒸汽。在蒸发过程中，需要精确控制蒸发源的温度，以控制锗原子的蒸发速率。如果蒸发速率过快，锗原子在衬底表面的沉积速度过快，可能导致原子来不及在衬底表面进行有序排列，从而使锗薄膜的晶体结构紊乱，产生较多的缺陷，如位错、空洞等，影响薄膜的电学性能和光学性能。在制备用于光电器件的锗薄膜时，过快的蒸发速率可能导致薄膜的光吸收不均匀，降低光电器件的响应灵敏度。相反，如果蒸发速率过慢，不仅会降低生产效率，还可能使锗原子在真空中停留时间过长，增加了与残留气体分子碰撞的机会，从而引入杂质，影响锗薄膜的纯度和质量。蒸发产生的锗原子蒸汽在真空中以分子束的形式向四周扩散，当它们到达衬底表面时，由于衬底温度相对较低，锗原子会在衬底表面凝结并逐渐沉积。在沉积过程中，衬底温度是一个重要的参数，它会影响锗原子在衬底表面的迁移能力和结晶行为。如果衬底温度过低，锗原子在衬底表面的迁移能力较弱，难以在表面进行有序排列，容易形成非晶态或多晶态结构，且薄膜的内应力较大，可能导致薄膜的附着力较差，容易出现剥落等问题。当衬底温度为200℃时，淀积的锗薄膜为非晶结构，由于电阻率过大难以进行测量。随着衬底温度升高到300℃及以上，锗原子的迁移能力增强，能够在衬底表面进行一定程度的扩散和重新排列，从而有利于形成多晶结构的锗薄膜。在300℃、400℃、500℃三个衬底温度下淀积的样品为多晶结构，且随着温度升高，晶体的质量和结晶度可能会有所提高，但过高的衬底温度也可能导致锗原子在衬底表面的扩散过快，使得薄膜的生长速率难以控制，同时还可能引起衬底材料的热变形等问题。在锗薄膜沉积完成后，需要对其进行冷却处理。冷却过程应缓慢进行，以避免由于温度变化过快导致锗薄膜产生热应力，从而引起薄膜的开裂或剥落。通常采用自然冷却或控制冷却速率的方式，如以一定的降温速率（如10℃/min）将衬底和锗薄膜冷却至室温。冷却后的锗薄膜可以根据需要进行后续的处理，如制作欧姆接触电极、进行掺杂等，以满足不同的应用需求。在制备锗基传感器时，需要在锗薄膜表面蒸金制作欧姆接触电极，以便与外部电路连接，实现信号的传输和检测。4.1.2工艺参数对薄膜质量的影响蒸发法制备异质衬底锗薄膜过程中，工艺参数如蒸发速率、衬底温度和蒸发时间等对锗薄膜的结晶特性、电学性质和表面形貌有着显著的影响，深入研究这些影响规律对于制备高质量的锗薄膜至关重要。蒸发速率是影响锗薄膜结晶特性的关键参数之一。当蒸发速率较低时，锗原子在衬底表面有足够的时间进行迁移和扩散，能够在衬底表面进行有序排列，有利于形成高质量的晶体结构。较低的蒸发速率使得锗原子能够逐层生长，原子之间的结合更加紧密，从而减少了晶体缺陷的产生，提高了锗薄膜的结晶度。在这种情况下，锗薄膜的晶体结构更加完整，晶界较少，晶体的取向更加一致，这对于提高锗薄膜的电学性能和光学性能具有重要意义。在制备用于高速电子器件的锗薄膜时，低蒸发速率下生长的高质量晶体结构能够减少载流子的散射，提高载流子的迁移率，从而提升器件的运行速度和效率。然而，当蒸发速率过高时，锗原子在衬底表面的沉积速度过快，来不及进行充分的迁移和扩散，导致原子排列紊乱，容易形成大量的缺陷，如位错、空洞等，从而降低了锗薄膜的结晶度。高速沉积的锗原子可能会在衬底表面形成随机的堆积，无法形成规则的晶体结构，使得晶界增多，晶体的完整性遭到破坏。这些缺陷会成为载流子的散射中心，增加载流子的散射几率，降低载流子的迁移率，进而影响锗薄膜的电学性能。在制备光电器件时，过高的蒸发速率导致的晶体缺陷会使薄膜的光吸收不均匀，降低光电器件的响应灵敏度和探测效率。衬底温度对锗薄膜的电学性质有着重要的影响。在较低的衬底温度下，锗原子在衬底表面的迁移能力较弱，形成的锗薄膜晶体结构中缺陷较多，这些缺陷会影响载流子的传输，导致锗薄膜的电阻率较高。在200℃衬底温度下淀积的锗薄膜为非晶结构，由于存在大量的无序结构和缺陷，电子在其中的传输受到严重阻碍，使得电阻率过大难以进行测量。随着衬底温度的升高，锗原子的迁移能力增强，晶体结构逐渐完善，缺陷减少，载流子的迁移率提高，电阻率降低。当衬底温度升高到300℃及以上时，锗薄膜形成多晶结构，晶体的质量得到改善，载流子的散射减少，迁移率增加，从而使电阻率降低。衬底温度过高也可能导致一些问题。过高的衬底温度可能会使锗原子在衬底表面的扩散过快，导致薄膜的生长速率难以控制，同时还可能引起衬底材料的热变形，影响薄膜与衬底的结合质量，进而对锗薄膜的电学性质产生不利影响。蒸发时间对锗薄膜的表面形貌有着显著的影响。在较短的蒸发时间内，锗原子在衬底表面的沉积量较少，形成的锗薄膜可能不够连续和均匀，表面可能存在一些空洞和不平整的区域。随着蒸发时间的延长，锗原子不断沉积在衬底表面，薄膜逐渐增厚，表面的空洞和不平整区域会逐渐被填充，薄膜的连续性和均匀性得到提高。但蒸发时间过长，可能会导致锗薄膜的厚度过大，从而产生较大的内应力。这种内应力可能会使薄膜表面出现裂纹，甚至导致薄膜从衬底表面剥落，严重影响薄膜的质量和稳定性。在制备锗薄膜时，需要根据所需的薄膜厚度和质量要求，合理控制蒸发时间，以获得表面形貌良好的锗薄膜。4.2溅射法4.2.1工艺步骤溅射法是一种常用的制备异质衬底锗薄膜的方法，其工艺步骤较为复杂，涉及多个关键环节，每个环节都对锗薄膜的质量和性能有着重要影响。在进行溅射之前，对衬底进行清洗和预处理是至关重要的第一步。衬底表面的杂质、油污和氧化物等会严重影响锗薄膜与衬底的附着力以及薄膜的生长质量。以硅衬底为例，通常先将硅衬底依次放入丙酮、乙醇等有机溶剂中进行超声清洗，利用超声的空化作用去除表面的油污和有机物杂质。丙酮具有良好的溶解性，能够有效溶解各类油脂，而乙醇则可以进一步清洗掉残留的丙酮和其他水溶性杂质。将衬底放入氢氟酸溶液中进行短暂浸泡，以去除表面的氧化层，使衬底表面呈现出洁净的硅原子表面。经过清洗后的衬底，要用去离子水反复冲洗，去除残留的清洗液，然后用高纯氮气吹干，确保衬底表面干燥、洁净。在一些对薄膜质量要求极高的应用中，还可能会对衬底进行额外的处理，如表面抛光，以获得更加平整的表面，为锗薄膜的生长提供更好的基础。清洗完成后，将衬底放置在溅射设备的基片架上，并将锗靶材安装在溅射靶位上。在射频磁控溅射设备中，靶材通常为高纯度的锗金属靶，其纯度一般要求达到99.99%以上，以确保溅射过程中不会引入过多的杂质。安装好靶材和衬底后，关闭溅射室，启动真空系统，对溅射室进行抽气，使室内气压逐渐降低，达到高真空状态，一般要求本底压强低于10^{-4}Pa。在高真空环境下，能够减少残留气体分子对溅射过程的干扰，降低杂质的引入，从而提高锗薄膜的纯度和质量。当达到所需的真空度后，向溅射室中充入一定量的惰性气体，通常为氩气（Ar）。氩气的流量是一个重要的参数，它会影响溅射室内的气压和等离子体的密度。一般来说，氩气流量在几sccm到几十sccm之间，具体数值需要根据实验优化确定。例如，在制备用于光电器件的锗薄膜时，通过实验发现，当氩气流量为15sccm时，能够获得较好的薄膜质量和生长速率。调节好氩气流量后，开启射频电源，使射频功率耦合到溅射靶材上。射频功率的大小直接影响着氩离子轰击靶材的能量和溅射出来的锗原子的数量，从而影响锗薄膜的生长速率和质量。在实际操作中，需要根据所需的薄膜生长速率和质量要求，合理选择射频功率，一般在几十瓦到几百瓦之间。当射频电源开启后，氩气在射频电场的作用下被电离，产生氩离子（Ar⁺）和电子，形成等离子体。氩离子在电场的作用下加速飞向靶材，以高能量轰击靶材表面，使靶材表面的锗原子获得足够的能量而被溅射出来，形成锗原子束。这些锗原子在真空室内飞行，最终沉积在基片表面，逐渐形成锗薄膜。在锗薄膜溅射完成后，关闭射频电源和气体流量控制器，停止溅射过程。保持真空状态，让锗薄膜在溅射室内自然冷却一段时间，以避免由于温度变化过快导致锗薄膜产生热应力，从而引起薄膜的开裂或剥落。冷却后的锗薄膜可以根据需要进行后续的处理，如退火处理，以改善薄膜的晶体结构和电学性能；或者进行光刻、蚀刻等微加工工艺，制作出所需的器件结构。在制备锗基场效应晶体管时，需要对溅射得到的锗薄膜进行光刻和蚀刻，制作出源极、漏极和栅极等结构，然后再进行金属化处理，连接外部电路，实现器件的功能。4.2.2工艺参数对薄膜质量的影响溅射法制备异质衬底锗薄膜过程中，工艺参数如溅射功率、溅射气体流量和溅射时间等对锗薄膜的结构、电学性能和光学性能有着显著的影响，深入研究这些影响规律对于制备高质量的锗薄膜至关重要。溅射功率是影响锗薄膜结构的关键参数之一。当溅射功率较低时，氩离子轰击靶材的能量较低，溅射出来的锗原子数量较少，且能量较低。这些低能量的锗原子在衬底表面的迁移能力较弱，难以在表面进行有序排列，容易形成非晶态或多晶态结构，且薄膜的内应力较大。在低溅射功率下，锗原子可能会在衬底表面随机沉积，无法形成规则的晶体结构，导致晶界增多，晶体的完整性遭到破坏。随着溅射功率的增加，氩离子的能量增大，溅射出来的锗原子数量增多，且能量较高。高能量的锗原子在衬底表面的迁移能力增强，能够在表面进行一定程度的扩散和重新排列，有利于形成结晶度较高的多晶结构。较高的溅射功率使得锗原子能够更快地到达衬底表面，并且有足够的能量在表面进行扩散和结合，从而减少了晶体缺陷的产生，提高了锗薄膜的结晶度。但溅射功率过高，会使氩离子的能量过高，导致靶材表面的原子溅射过于剧烈，可能会引入过多的缺陷，如晶格畸变、空位等，同时还可能使基片温度升高过快，影响薄膜的晶体结构和性能。过高的溅射功率可能会导致锗原子在沉积过程中产生过多的晶格畸变，使晶体结构变得不稳定，从而降低锗薄膜的质量。溅射气体流量对锗薄膜的电学性能有着重要的影响。在溅射过程中，溅射气体流量主要影响真空室内的气压和等离子体的密度。当气体流量较小时，真空室内的气压较低，等离子体的密度也较低，这会导致氩离子与靶材的碰撞几率降低，溅射效率下降，从而使锗薄膜的生长速率变慢。气体流量过小还可能使等离子体的分布不均匀，导致锗薄膜的生长不均匀，进而影响其电学性能。当气体流量过大时，真空室内的气压升高，等离子体的密度增大，虽然溅射效率会提高，但过高的气压会使溅射出来的锗原子在飞行过程中与气体分子的碰撞几率增加，导致锗原子的能量损失和散射，影响锗原子在基片表面的沉积方向和均匀性，进而影响锗薄膜的电学性能。过高的气压会使锗原子在沉积过程中受到更多的散射，导致薄膜的电阻增大，载流子迁移率降低。溅射时间对锗薄膜的光学性能有着显著的影响。在较短的溅射时间内，锗原子在衬底表面的沉积量较少，形成的锗薄膜较薄，其光学性能可能无法充分体现。随着溅射时间的延长，锗原子不断沉积在衬底表面，薄膜逐渐增厚，其光学性能会发生变化。对于锗薄膜的光吸收性能来说，随着薄膜厚度的增加，光在薄膜中的传播路径变长，被吸收的光子数量增多，光吸收系数可能会增大。但溅射时间过长，可能会导致锗薄膜的厚度过大，从而产生较大的内应力。这种内应力可能会使薄膜表面出现裂纹，甚至导致薄膜从衬底表面剥落，严重影响薄膜的光学性能。在制备用于红外探测器的锗薄膜时，需要根据探测器的要求，合理控制溅射时间，以获得具有合适光学性能的锗薄膜。4.3分子束外延法4.3.1工艺步骤分子束外延（MBE）法是一种在原子尺度上精确控制薄膜生长的先进技术，其工艺过程高度精密且复杂，涉及多个关键步骤，每个步骤都对最终锗薄膜的质量和性能起着决定性作用。在进行分子束外延生长之前，建立超高真空环境是首要任务。超高真空环境对于减少杂质的引入至关重要，因为即使微量的杂质也可能严重影响锗薄膜的质量和性能。通常，MBE设备的真空系统需要将生长室的气压降低到10^{-8}Pa甚至更低的水平。这一过程依赖于高性能的真空泵，如涡轮分子泵和离子泵等，它们协同工作，能够有效地抽除生长室内的气体分子，创造出近乎完美的真空环境。在如此高的真空度下，残留气体分子的数量极少，锗原子在蒸发和沉积过程中与杂质分子碰撞的几率极低，从而能够生长出高纯度的锗薄膜，满足对薄膜电学性能和光学性能要求严格的应用场景。当超高真空环境建立完成后，分子束的产生与控制成为关键环节。在MBE设备中，锗原子或分子从加热的分子束源炉中蒸发出来，形成一束具有确定能量和方向的分子束。分子束源炉通常采用电子轰击加热或电阻加热的方式，将锗源材料（如锗锭）加热到适当的温度，使其蒸发产生分子束。通过精确调节分子束源炉的温度，可以精确控制到达衬底表面的锗原子的数量和速率，从而实现对锗薄膜生长层数和厚度的精确控制，精度可达原子层级别。当分子束源炉的温度升高时，锗原子的蒸发速率加快，到达衬底表面的锗原子数量增多，薄膜的生长速率相应提高；反之，降低分子束源炉的温度，则可以减缓薄膜的生长速率。除了温度控制，分子束源炉的结构设计和蒸发面积等因素也会影响分子束的产生和特性，需要进行精心的优化和调整。在分子束产生后，薄膜逐层生长的过程开始。衬底被加热到适当的温度，使到达衬底表面的锗原子具有足够的迁移能力，能够在衬底表面进行扩散和重新排列，从而实现逐层生长。衬底温度是影响薄膜生长质量的重要参数之一，需要根据具体的生长需求进行精确控制。如果衬底温度过低，锗原子在衬底表面的迁移能力较弱，难以在表面进行有序排列，容易形成非晶态或多晶态结构，且薄膜的内应力较大，可能导致薄膜的附着力较差，容易出现剥落等问题。当衬底温度为200℃时，淀积的锗薄膜为非晶结构，由于电阻率过大难以进行测量。随着衬底温度升高到300℃及以上，锗原子的迁移能力增强，能够在衬底表面进行一定程度的扩散和重新排列，从而有利于形成多晶结构的锗薄膜。在300℃、400℃、500℃三个衬底温度下淀积的样品为多晶结构，且随着温度升高，晶体的质量和结晶度可能会有所提高，但过高的衬底温度也可能导致锗原子在衬底表面的扩散过快，使得薄膜的生长速率难以控制，同时还可能引起衬底材料的热变形等问题。在生长过程中，反射式高能电子衍射（RHEED）监测系统实时发挥作用。RHEED系统利用高能电子束照射衬底表面，根据反射电子束的衍射图案来推断衬底表面的原子结构和薄膜的生长模式。通过观察RHEED图案的变化，可以实时了解薄膜的生长状态，判断薄膜是否按照预期的方式逐层生长，是否存在原子排列异常或薄膜生长不均匀等问题。如果生长过程中出现问题，可以及时调整分子束的流量、衬底温度等参数，以保证薄膜的高质量生长。当RHEED图案显示出模糊或不规则的衍射斑点时，可能意味着薄膜生长过程中出现了缺陷或生长模式的异常，此时需要对工艺参数进行调整，如适当降低分子束流量或调整衬底温度，以恢复正常的生长状态。4.3.2工艺参数对薄膜质量的影响分子束外延法制备异质衬底锗薄膜过程中，工艺参数如分子束通量、衬底温度和生长速率等对锗薄膜的原子排列、界面平整度以及电学性能有着显著的影响，深入研究这些影响规律对于制备高质量的锗薄膜至关重要。分子束通量是影响锗薄膜原子排列的关键参数之一。当分子束通量较低时，到达衬底表面的锗原子数量较少，原子有足够的时间在衬底表面进行迁移和扩散，能够在衬底表面进行有序排列，有利于形成高质量的晶体结构。较低的分子束通量使得锗原子能够逐层生长，原子之间的结合更加紧密，从而减少了晶体缺陷的产生，提高了锗薄膜的结晶度。在这种情况下，锗薄膜的原子排列更加规则，晶界较少，晶体的取向更加一致，这对于提高锗薄膜的电学性能和光学性能具有重要意义。在制备用于高速电子器件的锗薄膜时，低分子束通量下生长的高质量晶体结构能够减少载流子的散射，提高载流子的迁移率，从而提升器件的运行速度和效率。然而，当分子束通量过高时，锗原子在衬底表面的沉积速度过快，来不及进行充分的迁移和扩散，导致原子排列紊乱，容易形成大量的缺陷，如位错、空洞等，从而降低了锗薄膜的结晶度。高速沉积的锗原子可能会在衬底表面形成随机的堆积，无法形成规则的晶体结构，使得晶界增多，晶体的完整性遭到破坏。这些缺陷会成为载流子的散射中心，增加载流子的散射几率，降低载流子的迁移率，进而影响锗薄膜的电学性能。在制备光电器件时，过高的分子束通量导致的晶体缺陷会使薄膜的光吸收不均匀，降低光电器件的响应灵敏度和探测效率。衬底温度对锗薄膜的界面平整度有着重要的影响。在较低的衬底温度下，锗原子在衬底表面的迁移能力较弱，难以在表面进行充分的扩散和重新排列，导致界面平整度较差。较低的衬底温度使得锗原子在沉积过程中容易形成局部的聚集和堆积，从而在锗薄膜与衬底的界面处产生不平整的区域，影响薄膜的生长质量和性能。随着衬底温度的升高，锗原子的迁移能力增强，能够在表面进行更充分的扩散和重新排列，有利于提高界面平整度。较高的衬底温度使得锗原子能够在衬底表面更均匀地分布，填补界面处的缺陷和空洞，从而形成更加平整的界面。衬底温度过高也可能导致一些问题。过高的衬底温度可能会使锗原子在衬底表面的扩散过快，导致薄膜的生长速率难以控制，同时还可能引起衬底材料的热变形，影响薄膜与衬底的结合质量，进而对锗薄膜的界面平整度产生不利影响。生长速率对锗薄膜的电学性能有着显著的影响。在较低的生长速率下，锗原子有足够的时间在衬底表面进行迁移和扩散，能够形成高质量的晶体结构，减少晶体缺陷的产生，从而有利于提高锗薄膜的电学性能。低生长速率使得锗原子能够有序地排列在衬底表面，形成完整的晶体结构，减少了载流子的散射中心，提高了载流子的迁移率和寿命，进而降低了锗薄膜的电阻率，提高了其电学性能。当生长速率过高时，锗原子在衬底表面的沉积速度过快，来不及进行充分的迁移和扩散，导致晶体结构紊乱，缺陷增多，从而降低了锗薄膜的电学性能。高速生长的锗原子可能会在衬底表面形成大量的位错、空洞等缺陷，这些缺陷会成为载流子的散射中心，增加载流子的散射几率，降低载流子的迁移率和寿命，进而增大了锗薄膜的电阻率，降低了其电学性能。五、制备难点及解决方案5.1制备难点5.1.1晶格失配问题晶格失配是异质衬底锗薄膜制备过程中面临的一个关键难题，其产生的根源在于异质衬底与锗薄膜材料的晶格常数存在差异。在晶体学中，晶格常数是描述晶体结构的重要参数，它决定了晶体中原子的排列间距。当在异质衬底上生长锗薄膜时，如果衬底的晶格常数与锗的晶格常数不一致，就会在锗薄膜与衬底的界面处产生晶格失配现象。以硅衬底为例，硅的晶格常数为0.5431nm，而锗的晶格常数为0.5658nm，二者之间存在约4.2%的晶格失配。这种晶格失配会在锗薄膜生长过程中引发一系列问题，对薄膜的结构完整性和性能稳定性产生严重的负面影响。在薄膜生长过程中，晶格失配会导致锗薄膜内部产生应力。当锗原子在衬底表面沉积并逐渐形成薄膜时，由于衬底晶格的约束，锗原子无法按照其自身的理想晶格结构进行排列，从而产生晶格畸变，进而在薄膜内部积累应力。这种应力的存在会导致锗薄膜中产生大量的位错和缺陷。位错是晶体中的一种线缺陷，它的存在会破坏晶体的周期性结构，影响晶体的性能。在锗薄膜中，位错会成为载流子的散射中心，增加载流子的散射几率，降低载流子的迁移率，从而影响锗薄膜的电学性能。位错还可能导致薄膜的机械性能下降，使其更容易发生开裂或剥落。晶格失配引起的位错和缺陷还会对锗薄膜的光学性能产生不良影响。在光电器件应用中，锗薄膜的光学性能至关重要。位错和缺陷的存在会导致光在锗薄膜中的传播过程中发生散射和吸收，降低光的透过率和发光效率。在制备锗基发光二极管时，位错和缺陷会增加非辐射复合中心的数量，使发光效率降低，影响器件的性能。除了硅衬底，其他异质衬底与锗之间也可能存在不同程度的晶格失配。蓝宝石衬底的晶体结构为三方晶系，与锗的面心立方晶体结构差异较大，晶格失配问题更为严重。在蓝宝石衬底上生长锗薄膜时，需要采取更加有效的措施来解决晶格失配问题，否则锗薄膜的质量和性能将难以满足应用要求。5.1.2应力问题在异质衬底锗薄膜的生长过程中，应力问题是一个不容忽视的关键因素，其产生机制较为复杂，涉及多个物理过程，对锗薄膜的性能有着多方面的不良影响。薄膜生长过程中的应力主要来源于两个方面：热应力和本征应力。热应力是由于衬底与锗薄膜的热膨胀系数不同而产生的。在锗薄膜的生长过程中，通常需要对衬底和薄膜进行加热，当生长完成后冷却时，由于衬底和锗薄膜的热膨胀系数存在差异，它们的收缩程度不同，从而在界面处产生热应力。以硅衬底和锗薄膜为例，硅的热膨胀系数为2.6×10⁻⁶/℃，锗的热膨胀系数为6.1×10⁻⁶/℃，在冷却过程中，锗薄膜的收缩程度大于硅衬底，这就导致在锗薄膜内部产生拉应力，在界面处产生剪切应力。这种热应力可能会导致锗薄膜出现裂纹、剥离等问题，严重影响薄膜的稳定性和可靠性。本征应力则是在薄膜生长过程中由于原子的沉积和排列方式而产生的。在锗薄膜生长过程中，原子在衬底表面的吸附、迁移和沉积过程受到多种因素的影响，如衬底表面的平整度、生长速率、原子的扩散能力等。如果原子在沉积过程中不能均匀地排列，就会在薄膜内部产生本征应力。当生长速率过快时，原子来不及在衬底表面进行充分的迁移和扩散，就会形成非均匀的沉积，导致薄膜内部产生应力。原子在衬底表面的吸附位置也会影响本征应力的产生，如果原子吸附在衬底表面的缺陷或杂质处，会导致局部应力集中。应力对锗薄膜的影响是多方面的。在机械性能方面，应力会导致锗薄膜的硬度、韧性等机械性能发生改变。过高的应力可能会使锗薄膜变得脆弱，容易发生开裂和剥落。在电学性能方面，应力会影响锗薄膜的载流子迁移率和电阻率。应力会导致锗薄膜的晶格畸变，改变载流子的散射机制，从而降低载流子的迁移率，增加电阻率。在制备锗基场效应晶体管时，如果锗薄膜中存在较大的应力，会导致器件的阈值电压漂移、漏电流增大等问题，影响器件的性能和稳定性。在光学性能方面，应力会影响锗薄膜的折射率和光吸收特性。应力会导致锗薄膜的晶体结构发生变化，从而改变其光学常数，影响光在薄膜中的传播和吸收。在制备锗基光电器件时，应力会导致光的散射和吸收增加，降低器件的光输出效率和响应灵敏度。5.1.3杂质污染问题杂质污染是异质衬底锗薄膜制备过程中需要重点关注的问题之一，其来源广泛，对锗薄膜的电学性能和光学性能会产生显著的干扰，严重影响锗薄膜的质量和应用效果。杂质的来源主要包括原材料不纯和设备污染两个方面。在原材料方面，锗源材料和衬底材料中可能含有杂质。锗锭或锗粉中可能含有其他金属元素、非金属元素以及氧化物等杂质。这些杂质可能在锗薄膜生长过程中进入薄膜晶格，影响薄膜的性能。常见的杂质如铟、砷、磷等金属杂质，以及氧、氮、硫等非金属杂质，它们的存在会改变锗薄膜的晶体结构和电学性质。铟作为杂质时，会造成锗薄膜的电子迁移率降低，而砷的存在则可能引起光学吸收峰的偏移，直接导致光电子器件的性能下降。衬底材料表面也可能存在杂质，如油污、氧化物等，这些杂质在锗薄膜生长过程中可能会与锗原子发生反应，或者成为锗原子生长的阻碍，影响锗薄膜的生长质量。设备污染也是杂质的重要来源之一。在制备过程中，蒸发设备、溅射设备等可能会引入杂质。在蒸发设备中，蒸发源的材料可能会在高温下挥发，混入锗原子蒸汽中，从而进入锗薄膜。如果蒸发源采用的钼舟或钨丝等材料含有杂质，在加热过程中这些杂质可能会蒸发并沉积在锗薄膜上。溅射设备中的靶材表面可能存在氧化物、杂质颗粒等，在溅射过程中，这些杂质可能会被溅射出来，与锗原子一起沉积在衬底上，导致锗薄膜受到污染。真空系统中的残留气体分子也可能会与锗原子发生反应，引入杂质。杂质对锗薄膜的电学性能有着显著的影响。杂质的存在会改变锗薄膜的载流子浓度和迁移率。一些杂质原子会在锗薄膜中引入额外的能级，成为载流子的施主或受主，从而改变载流子的浓度。金属杂质可能会作为载流子的散射中心，增加载流子的散射几率，降低载流子的迁移率，使锗薄膜的电阻增大。在制备锗基电子器件时，杂质的存在可能会导致器件的性能不稳定，如阈值电压漂移、漏电流增大等问题，严重影响器件的正常工作。杂质对锗薄膜的光学性能也会产生干扰。杂质会影响锗薄膜对光的吸收和发射特性。某些杂质可能会在锗薄膜中形成吸收中心，增加光的吸收损耗，降低光的透过率。杂质还可能会影响锗薄膜的发光效率，在制备锗基发光二极管时，杂质的存在可能会导致非辐射复合中心的增加，使发光效率降低，影响器件的发光性能。5.2解决方案5.2.1缓冲层技术缓冲层技术是解决异质衬底锗薄膜制备中晶格失配和应力问题的有效手段，其作用原理基于通过引入中间缓冲层来缓解衬底与锗薄膜之间的晶格常数差异和热膨胀系数差异。以硅锗（SiGe）缓冲层为例，它在晶格失配调节方面发挥着关键作用。在硅衬底上生长锗薄膜时，由于硅与锗之间存在约4.2%的晶格失配，直接生长会导致锗薄膜内部产生大量应力和缺陷。而SiGe缓冲层的引入则为解决这一问题提供了有效途径。SiGe缓冲层的晶格常数可以通过调整Si和Ge的比例来进行调控，使其晶格常数介于硅衬底和锗薄膜之间。通过逐渐改变SiGe缓冲层中锗的含量，从与硅衬底晶格常数相近的成分开始，逐渐过渡到与锗薄膜晶格常数相近的成分，实现了晶格常数的渐变。在生长过程中，首先在硅衬底上生长一层锗含量较低的SiGe层，此时由于其晶格常数与硅衬底较为接近，能够在硅衬底上较为稳定地生长，且产生的晶格失配应力较小。随着生长的进行，逐渐增加SiGe层中锗的含量，使得晶格常数逐渐向锗的晶格常数靠近，每一层新生长的SiGe层都在适应上一层的晶格状态的同时，为后续锗薄膜的生长做准备