專利名稱：一種直接帶隙Ge薄膜的制備方法及層疊結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及硅基光電集成領(lǐng)域，特別是涉及一種直接帶隙Ge薄膜的制備方法及
層疊結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
隨著信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，信息數(shù)據(jù)將海量增加，對(duì)信息計(jì)算、傳輸?shù)燃夹g(shù)在今后的發(fā)展也提出了更高的要求和挑戰(zhàn)。其主要的解決途徑之一就是將現(xiàn)有成熟的微電子和光電子結(jié)合，實(shí)現(xiàn)硅基光電集成，這將成為信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要方向之一。近十年來，由于重大的工業(yè)意義，硅基光電集成關(guān)鍵材料和器件的研究引起了國際科學(xué)界(如美國MIT、哈佛大學(xué))和工業(yè)界(如Intel，ST)的嚴(yán)重關(guān)注，僅Intel公司對(duì)硅基光電子的研發(fā)就投入數(shù)十億美元巨資。一旦突破，不僅可以實(shí)現(xiàn)芯片光互連、光電集成以及將來的光計(jì)算，而且在光通訊、光顯示等領(lǐng)域具有重大的潛在應(yīng)用前景，對(duì)我國的信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重大意義。光子集成回路(Photon Integrated Circuit, PIC)和光電子集成回路(OpticElectronics Integrated Circuit, OEIC)不僅可以在大容量、高保密的光纖通信中應(yīng)用，而且能在光學(xué)遙感、傳感，光互聯(lián)、光計(jì)算、光數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及光電顯示等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。因而，硅基光電集成技術(shù)近年來發(fā)展迅速，具有優(yōu)異性能的材料是這一發(fā)展的主要推動(dòng)力。誠如業(yè)內(nèi)所知的，當(dāng)Ge薄膜中張應(yīng)變大于1. 4%,由間接帶隙材料變成了直接帶隙材料，可以用來做激光發(fā)射器，同時(shí)由于Ge與Si可以有效的集成，從而提高了一種低成本的實(shí)現(xiàn)片上光電集成的途徑。為了得到具有直接帶隙的Ge薄膜，人們從不同途徑進(jìn)行了探索，例如利用Ge和Si的熱膨脹系數(shù)的差異直接在Si上外延可以得到張應(yīng)變的Ge薄膜，但應(yīng)變只有O. 3%左右；再例如，利用II1-V族組分遞增的緩沖層做虛擬襯底，可以得到較大應(yīng)變的Ge薄膜，但是，由于II1-V外延需要用生長速度慢的MBE (分子束外延)或MOCVD (金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相沉積)，而且組分遞增的緩沖層一般厚度較大，增加了成本。因而，如何提供一種直接帶隙Ge薄膜所需的低厚度、低位錯(cuò)密度虛擬襯底的制備技術(shù)，實(shí)已成為本領(lǐng)域從業(yè)者亟待解決的問題。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于以上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種直接帶隙Ge薄膜的制備方法及層疊結(jié)構(gòu)，以制備出所需的低厚度、低位錯(cuò)密度虛擬襯底。為實(shí)現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本發(fā)明提供一種直接帶隙Ge薄膜的制備方法，至少包括以下步驟1)提供一 GaAs襯底,在所述GaAs襯底上分別外延出InxGahAs層和Ge層，所述InxGapxAs層中In組分x為O. 223 < x≤1，并使所述InxGahAs層的厚度不超過其生長在所述GaAs襯底上的臨界厚度，使所述Ge層的厚度不超過其生長在所述InxGai_xAs層上的臨界厚度，以制備出Ge薄膜的樣品；2)對(duì)所述樣品進(jìn)行氦離子或氫離子注入，并使氦離子或氫離子的峰值分布在所述InxGahAs層與GaAs襯底相結(jié)合的界面下IOnm lOOOnm，然后對(duì)所述樣品進(jìn)行快速熱退火，退火后得到弛豫的InxGahAs層和張應(yīng)變Ge薄膜；3)測量所述InxGahAs層的弛豫度，依據(jù)所述弛豫度得出InyGapyAs中In組分y，并在所述Ge層上外延出InyGahyAs層，以進(jìn)一步減少所述樣品中的缺陷密度,然后在所述InyGahyAs層上再外延出一頂層Ge薄膜，并使所述頂層Ge薄膜的厚度不超過其生長在所述InyGapyAs層上的臨界厚度，以制備出直接帶隙Ge薄膜。在本發(fā)明直接帶隙Ge薄膜的制備方法的步驟I)中，系通過分子束外延工藝或金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相沉淀工藝在所述GaAs襯底上分別外延出InxGahAs層和Ge層；所述InxGa^xAs層厚度小于lOOnm。在本發(fā)明直接帶隙Ge薄膜的制備方法的步驟2)中，注入氦離子或氫離子的能量為IOKeV 150KeV ;當(dāng)注入離子為氦離子時(shí)，注入氦離子的劑量為IEHcnT2 lE16cnT2 ;當(dāng)注入離子為氫離子時(shí)，注入氫離子的劑量為IEHcnT2 4E16cnT2。所述退火的升溫時(shí)間小于30s，退火溫度700°C 1100°C，退火時(shí)間為30s 600s。在本發(fā)明直接帶隙Ge薄膜的制備方法的步驟3)中，測量所述InxGahAs層的弛豫度為R，則所述InyGahyAs中In組分y = xXR。
·
本發(fā)明還提供一種包含直接帶隙Ge薄膜的層疊結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述層疊結(jié)構(gòu)包括=GaAs襯底；外延生長在所述GaAs襯底上的InxGai_xAS層；外延生長在所述InxGai_xAS層上的Ge層；外延生長在所述Ge層上的InyGapyAs層；以及外延生長在所述InyGapyAs層上的頂層Ge薄膜,其中，所述InxGahAs層及InyGahyAs層中的In組分x及y的取值范圍為，O. 223 < y < X彡I。所述InxGahAs層厚度小于lOOnm。如上所述，本發(fā)明的一種直接帶隙Ge薄膜的制備方法及層疊結(jié)構(gòu)，具有以下有益效果本發(fā)明首次提出用InxGahAs襯底結(jié)合離子注入方法實(shí)現(xiàn)直接帶隙Ge薄膜的制備，制備的Ge薄膜張應(yīng)變大，為直接帶隙，可用于光電器件；且本發(fā)明制備的直接帶隙Ge薄膜中InxGahAs層穿透位錯(cuò)密度低，厚度薄，成本低，再者，本發(fā)明通過外延生長第二層InxGahAs,進(jìn)一步降低位錯(cuò)密度。


圖1顯示為本發(fā)明直接帶隙Ge薄膜的制備方法中完成步驟一呈現(xiàn)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2顯示為本發(fā)明直接帶隙Ge薄膜的制備方法中離子注入的示意圖。圖3顯示為本發(fā)明的包含直接帶隙Ge薄膜的層疊結(jié)構(gòu)示意圖。元件標(biāo)號(hào)說明I 層疊結(jié)構(gòu)11 GaAs 襯底12 InxGahAs 層13 Ge 層14 InyGa1^yAs 層15 頂層Ge薄膜
具體實(shí)施方式
以下通過特定的具體實(shí)例說明本發(fā)明的實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可由本說明書所揭露的內(nèi)容輕易地了解本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)與功效。本發(fā)明還可以通過另外不同的具體實(shí)施方式
加以實(shí)施或應(yīng)用，本說明書中的各項(xiàng)細(xì)節(jié)也可以基于不同觀點(diǎn)與應(yīng)用，在沒有背離本發(fā)明的精神下進(jìn)行各種修飾或改變。請(qǐng)參閱圖1至圖3。需要說明的是，本實(shí)施例中所提供的圖示僅以示意方式說明本發(fā)明的基本構(gòu)想，遂圖式中僅顯示與本發(fā)明中有關(guān)的組件而非按照實(shí)際實(shí)施時(shí)的組件數(shù)目、形狀及尺寸繪制，其實(shí)際實(shí)施時(shí)各組件的型態(tài)、數(shù)量及比例可為一種隨意的改變，且其組件布局型態(tài)也可能更為復(fù)雜。如圖所示，本發(fā)明提供一種直接帶隙Ge薄膜的制備方法，至少包括以下步驟請(qǐng)參閱圖1，提供一 GaAs襯底11，在所述GaAs襯底11上分別外延出InxGai_xAS層12和Ge層13，所述InxGahAs層12中In組分x為O. 223 < x彡1，并使所述InxGapxAs層12的厚度不超過其生長在所述GaAs襯底11上的臨界厚度，使所述Ge層13的厚度不超過其生長在所述InxGahAs層12上的臨界厚度，以制備出Ge薄膜的樣品。于本實(shí)施例中，系通過分子束外延工藝(MBE)或金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相沉淀工藝(MOCVD)在所述GaAs襯底11上分別外延出InxGa1^xAs層12和Ge層13 ;所述InxGa1^xAs層12厚度小于IOOnm0需要說明的是，一般來說，晶體薄膜只要生長在與其晶格不匹配(晶格常數(shù)或者熱膨脹系數(shù)不同)的襯底上面時(shí)，如果保持外延薄膜平行于生長平面的晶格參數(shù)與襯底的相同，其中就一定存在應(yīng)變；隨著生長薄膜厚度的增大，外延薄膜中積累的應(yīng)力也增大，當(dāng)大到一定的程度就會(huì)產(chǎn)生晶面的滑移而產(chǎn)生位錯(cuò)(失配位錯(cuò))，同時(shí)釋放出應(yīng)力。因此，為了保存外延薄膜中的應(yīng)變，不致因產(chǎn)生失配 位錯(cuò)而得到釋放，薄膜的厚度就應(yīng)當(dāng)小于某一個(gè)臨界值，這個(gè)臨界值就是臨界厚度。所以，由于外延薄膜的組分不同，下面的襯底種類不同，薄膜的應(yīng)變也都將相應(yīng)有所不同，從而其臨界厚度也就不一樣。對(duì)于上述實(shí)施例中所述的GaAs上生長的InxGahAs來說,In組分x的取值越大,所述InxGapxAs的臨界厚度值也越小，具體值也可以參照J(rèn). W. Mattews等的理論模型得到，換言之，臨界厚度的概念應(yīng)為本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知，在此不予贅述。請(qǐng)參閱圖2，對(duì)所述樣品進(jìn)行氦離子或氫離子注入(圖示中箭頭所示方向)，并使氦離子或氫離子的峰值分布在所述InxGahAs層12與GaAs襯底11相結(jié)合的界面下IOnm lOOOnm，然后對(duì)所述樣品進(jìn)行快速熱退火，退火后得到弛豫的InxGai_xAs層12和張應(yīng)變Ge薄膜。其中，注入氦離子或氫離子的能量為IOKeV 150KeV;于本實(shí)施例中，當(dāng)注入離子為氦離子時(shí)，注入氦離子的劑量為lE14cm_2 lE16cm_2 ;所述退火的升溫時(shí)間小于30s，換言之，所述的快速熱退火即從室溫升溫至700°C 1100°C的升溫時(shí)間小于30s，退火溫度700°C~ 1100°C，退火時(shí)間為 30s 600s。于另一實(shí)施例中，當(dāng)注入離子為氫離子時(shí)，注入氫離子的劑量為lE14cm_2 4E16cm_2。于本實(shí)施例中，所述退火的升溫時(shí)間小于30s，同理，所述的快速熱退火即從室溫升溫至700°C 1100°C的升溫時(shí)間小于30s，退火溫度700°C 1100°C，退火時(shí)間為30s 600so請(qǐng)參閱圖3,測量所述InxGahAs層12的弛豫度,依據(jù)所述弛豫度得出InyGapyAs中In組分y,并在所述Ge層上外延出InyGahyAs層14,以進(jìn)一步減少所述樣品中的缺陷密度，然后在所述InyGai_yAs層14上再外延出一頂層Ge薄膜15，并使所述頂層Ge薄膜15的厚度不超過其生長在所述InyGai_yAs層14上的臨界厚度，以制備出直接帶隙Ge薄膜。于本實(shí)施例中，將測量的所述InxGahAs層12的弛豫度定義為R，依據(jù)所述弛豫度R得出InyGahyAs中In組分y,即y = xXR,亦就是說,O. 223 < y < x彡I。在具體的實(shí)施方式中，計(jì)算所述InxGahAs層12的弛豫度R的具體手段為，將ar定義為InxGapxAs有效晶格常數(shù)；將a丄定義為InxGahAs生長方向晶格常數(shù)；將a |定義為InxGapxAs生長平面晶格常數(shù)；將a0定義為襯底GaAs襯底的晶格常數(shù)，則，所述InxGai_xAs層的弛豫度R可以依據(jù)公式R = (aM-a0)/(ar-a0)得出。本發(fā)明還提供一種包含直接帶隙Ge薄膜的層疊結(jié)構(gòu)，請(qǐng)參閱圖3，顯示為本發(fā)明的包含直接帶隙Ge薄膜的層疊結(jié)構(gòu)示意圖。如圖所示，所述層疊結(jié)構(gòu)I包括=GaAs襯底11 ；外延生長在所述GaAs襯底11上的InxGahAs層12 ;外延生長在所述InxGai_xAS層12上的Ge層13 ;外延生長在所述Ge層13上外延出InyGapyAs層14 ；以及外延生長在所述InyGapyAs層14上的頂層Ge薄膜15,其中，所述InxGapxAs層12及InyGapyAs層14中的In組分x及y的取值范圍為，O. 223 < y < X彡I。所述InxGa^As層12厚度小于lOOnm。具體地，所述InxGa^As層12中In組分x為O. 223 < x彡1，所述InxGa^xAs層12的厚度不超過其生長在所述GaAs襯底11上的臨界厚度，所述Ge層13的厚度不超過其生長在所述InxGahAs層12上的臨界厚度。在實(shí)際的實(shí)施方式中，所述InyGai_yAs層14中的In組分y的具體取值將依據(jù)測量的所述InxGahAs層12的弛豫度R和所述InxGai_xAS層12中的In組分X的乘積得出，即y = XXR，亦就是說，O. 223 < y < x彡I。綜上所述，本發(fā)明首次提出用InxGahAs襯底結(jié)合離子注入方法實(shí)現(xiàn)直接帶隙Ge薄膜的制備，制備的Ge薄膜張應(yīng)變大，為直接帶隙，可用于光電器件；且本發(fā)明制備的直接帶隙Ge薄膜中InxGahAs層穿透位錯(cuò)密度低，厚度薄，成本低，再者，本發(fā)明通過外延生長第二層InxGai_xAs，進(jìn)一步降低位錯(cuò)密度。所以，本發(fā)明有效克服了現(xiàn)有技術(shù)中的種種缺點(diǎn)而具高度產(chǎn)業(yè)利用價(jià)值。

上述實(shí)施例僅例示性說明本發(fā)明的原理及其功效，而非用于限制本發(fā)明。任何熟悉此技術(shù)的人士皆可在不違背本發(fā)明的精神及范疇下，對(duì)上述實(shí)施例進(jìn)行修飾或改變。因此，舉凡所屬技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識(shí)者在未脫離本發(fā)明所揭示的精神與技術(shù)思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應(yīng)由本發(fā)明的權(quán)利要求所涵蓋。
權(quán)利要求
1.一種直接帶隙Ge薄膜的制備方法，其特征在于，所述制備方法至少包括以下步驟 1)提供一GaAs襯底，在所述GaAs襯底上分別外延出InxGahAs層和Ge層，所述InxGa1^xAs層中In組分x為O. 223 < x≤1，并使所述InxGai_xAS層的厚度不超過其生長在所述GaAs襯底上的臨界厚度，使所述Ge層的厚度不超過其生長在所述InxGai_xAs層上的臨界厚度，以制備出Ge薄膜的樣品； 2)對(duì)所述樣品進(jìn)行氦離子或氫離子注入，并使氦離子或氫離子的峰值分布在所述InxGa1^xAs層與GaAs襯底相結(jié)合的界面下10nm 1000nm,然后對(duì)所述樣品進(jìn)行快速熱退火，退火后得到弛豫的InxGahAs層和張應(yīng)變Ge薄膜； 3)測量所述InxGahAs層的弛豫度，依據(jù)所述弛豫度得出InyGapyAs中In組分y，并在所述Ge層上外延出InyGai_yAs層，以進(jìn)一步減少所述樣品中的缺陷密度，然后在所述InyGa1^yAs層上再外延出一頂層Ge薄膜，并使所述頂層Ge薄膜的厚度不超過其生長在所述InyGa1^yAs層上的臨界厚度，以制備出直接帶隙Ge薄膜。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直接帶隙Ge薄膜的制備方法，其特征在于于所述步驟I)中，系通過分子束外延工藝或金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相沉淀工藝在所述GaAs襯底上分別外延出InxGa^xAs層和Ge層。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直接帶隙Ge薄膜的制備方法，其特征在于于所述步驟I)中，所述InxGa^xAs層厚度小于l00nm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直接帶隙Ge薄膜的制備方法，其特征在于于所述步驟2)中，注入氦離子或氫離子的能量為10KeV 150KeV。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的直接帶隙Ge薄膜的制備方法，其特征在于于所述步驟2)中，注入氦離子的劑量為IEHcnT2 lE16cm_2。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的直接帶隙Ge薄膜的制備方法，其特征在于于所述步驟2)中，注入氫離子的劑量為IEHenT2 4E16cm_2。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的直接帶隙Ge薄膜的制備方法，其特征在于于所述步驟2)中，所述退火的升溫時(shí)間小于30s，退火溫度700°C 1100°C，退火時(shí)間為30s 600s。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直接帶隙Ge薄膜的制備方法，其特征在于于所述步驟3)中，測量所述InxGapxAs層的弛豫度為R，則所述InyGapyAs中In組分y = xXR。
9.一種包含直接帶隙Ge薄膜的層疊結(jié)構(gòu)，其特征在于，包括 GaAs襯底； 外延生長在所述GaAs襯底上的InxGahAs層； 外延生長在所述InxGahAs層上的Ge層； 外延生長在所述Ge層上外延出InyGahyAs層；以及 外延生長在所述InyGapyAs層上的頂層Ge薄膜,其中，所述InxGahAs層及InyGapyAs層中的In組分X及y的取值范圍為，0. 223 < y < X≤1。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的包含直接帶隙Ge薄膜的層疊結(jié)構(gòu)，其特征在于所述InxGa1^As層厚度小于l00nm。
全文摘要
本發(fā)明提供一種直接帶隙Ge薄膜的制備方法及層疊結(jié)構(gòu)，所述制備方法是首先在GaAs襯底上分別外延出InxGa1-xAs層和Ge層，其中，0.223﹤x≤1，并使InxGa1-xAs層的厚度不超過其生長在GaAs襯底上的臨界厚度，使Ge層的厚度不超過其生長在InxGa1-xAs層上的臨界厚度，以制備出Ge薄膜的樣品；接著，對(duì)樣品進(jìn)行氦離子或氫離子注入，并使離子的峰值分布在所述InxGa1-xAs層與GaAs襯底相結(jié)合的界面下10nm～1000nm，然后對(duì)樣品進(jìn)行快速熱退火以得到弛豫的InxGa1-xAs層和張應(yīng)變Ge薄膜；依據(jù)InxGa1-xAs層的弛豫度得出InyGa1-yAs中In組分y，并在Ge層上外延出InyGa1-yAs層以減少樣品中的缺陷密度，最后在InyGa1-yAs層上再外延頂層Ge薄膜，并使頂層Ge薄膜的厚度不超過其生長在所述InyGa1-yAs層上的臨界厚度，以制備出直接帶隙Ge薄膜。
文檔編號(hào)H01L21/02GK103065933SQ20111032536
公開日2013年4月24日 申請(qǐng)日期2011年10月24日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月24日
發(fā)明者張苗, 劉林杰, 狄增峰, 薛忠營, 陳達(dá), 卞建濤, 姜海濤, 高曉強(qiáng) 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所