一种具有孔洞的外延层的横向外延生长方法及外延结构

本发明涉及外延生长，尤其涉及一种具有孔洞的外延层的横向外延生长方法及外延结构。

背景技术：

1、目前，在单晶衬底上外延生长外延层，得到的异质结构结合了单晶衬底和外延层的性能，例如，在单晶硅衬底上外延生长锗外延层，得到的异质结构结合了单晶硅衬底优秀的力学性能和锗外延层的高电子空穴迁移率，该技术可以方便地与现有的硅基生产线结合以及拓宽硅基光电子器件的应用范围，因此具有很高的市场价值及研究价值。

2、在单晶衬底上外延生长外延层时的主要问题在于当两者材料之间的晶格常数存在差异时会导致外延层中产生高密度的穿透位错。例如，在单晶硅衬底上外延生长单晶锗时由于硅和锗之间的晶格常数存在4.2％的差异会导致锗外延层中产生高密度的穿透位错。目前降低位错密度的关键技术之一是横向外延，即通过在单晶衬底(例如，硅基底)上生长一层掩膜材料(如二氧化硅)并刻蚀出特定的图形窗口，再进行外延生长，由于外延层材料(例如，锗)在掩膜板上的形核能较大，因此外延层材料(例如，锗)仅在窗口处生长，并在外延层厚度超过掩膜板厚度之后开始逐渐横向扩张，最后形成覆盖在掩膜板上的连续外延层(例如，锗外延层)。此外，若在外延层中能够形成孔洞或空腔结构能够为异质结构增加一个变化维度，具有重要的应用价值，例如在p-gaas中引入空腔结构，形成双晶格光子晶体谐振器，输出功率比常规光子晶体激光器提高10倍以上，将空隙嵌入基于gan的发光二极管(led)中，与传统led相比，其输出功率提高了61.9％以上，且耦合强度和输出功率等光学性能受空腔结构的微观几何形状的影响。

3、因此，非常有必要提出一种能够在单晶衬底上生长出具有预设大小的孔洞的高质量外延层的方法。

4、因此，现有技术还有待于改进和发展。

技术实现思路

1、鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种具有孔洞的外延层的横向外延生长方法及外延结构，旨在提出一种能够在单晶衬底上生长出具有预设尺寸大小的孔洞的高质量外延层的方法，以丰富单晶衬底和外延层组成的异质结构的应用。

2、本发明的技术方案如下：

3、本发明的第一方面，提供一种具有孔洞的外延层的横向外延生长方法，其中，包括步骤：

4、提供单晶衬底；

5、在所述单晶衬底上形成掩膜板，通过调控掩膜板的尺寸，在所述含有掩膜板的单晶衬底上横向外延生长得到具有预设尺寸孔洞的外延层。

6、可选地，所述在所述含有掩膜板的单晶衬底上横向外延生长得到具有预设尺寸孔洞的外延层的步骤具体包括：

7、提供外延层材料；

8、所述外延层材料在所述含有掩膜板的单晶衬底上进行横向外延生长直至外延层材料在掩膜板上汇聚后，形成外延层，同时在汇聚点下方掩膜板与外延层的界面处形成向外延层中凹陷的孔洞。

9、可选地，所述孔洞的尺寸为亚微米级至微米级。

10、可选地，所述掩膜板的形状为圆形、多边形、边缘曲率不断变化的不规则形状。

11、可选地，所述单晶衬底具有第一晶向；所述掩膜板的某一边与所述第一晶向之间的夹角为θ，通过调控θ的大小调控孔洞在所述掩膜板上的位置。

12、可选地，所述横向外延生长得到具有预设尺寸孔洞的外延层时采用的方法包括化学气相沉积法、分子束外延法中的一种。

13、可选地，所述单晶衬底由单晶衬底材料构成，所述单晶衬底材料包括单晶硅、单晶砷化镓、单晶氮化镓、单晶磷化铟、单晶锗中的至少一种；

14、所述掩膜板由掩膜板材料构成，所述掩膜板材料包括二氧化硅、氮化硅、氮氧化硅中的一种。

15、可选地，所述外延层由外延层材料构成，所述外延层材料的晶格常数为单晶衬底材料晶格常数的95％～105％。

16、可选地，所述单晶衬底为单晶硅衬底，所述第一晶向为[110]晶向，所述掩膜板材料为二氧化硅，所述外延层为锗外延层。

17、本发明的第二方面，提供一种外延结构，其中，包括具有孔洞的外延层，所述具有孔洞的外延层采用本发明如上所述的横向外延生长方法生长得到。

18、有益效果：本发明提供一种外延层中孔洞尺寸可调的外延层的生长方法，通过调控掩膜板的尺寸来调控孔洞的尺寸，在所述含有掩膜板的单晶衬底上横向外延生长得到具有预设尺寸大小的孔洞的外延层，能够使得外延层的孔洞满足特定尺寸需求，丰富了单晶衬底和外延层组成的异质结构的应用。同时本发明提供的横向外延生长方法能够实现衬底材料与外延层材料的晶格适配差异较大时的高质量外延。

技术特征：

1.一种具有孔洞的外延层的横向外延生长方法，其特征在于，包括步骤：

2.根据权利要求1所述的横向外延生长方法，其特征在于，所述在所述含有掩膜板的单晶衬底上横向外延生长得到具有预设尺寸孔洞的外延层的步骤具体包括：

3.根据权利要求2所述的横向外延生长方法，其特征在于，所述孔洞的尺寸为亚微米级至微米级。

4.根据权利要求1所述的横向外延生长方法，其特征在于，所述掩膜板的形状为圆形、多边形、边缘曲率不断变化的不规则形状。

5.根据权利要求1-4任一项所述的横向外延生长方法，其特征在于，所述单晶衬底具有第一晶向；所述掩膜板的某一边与所述第一晶向之间的夹角为θ，通过调控θ的大小调控孔洞在所述掩膜板上的位置。

6.根据权利要求5所述的横向外延生长方法，其特征在于，所述横向外延生长得到具有预设尺寸孔洞的外延层时采用的方法包括化学气相沉积法、分子束外延法中的一种。

7.根据权利要求5所述的横向外延生长方法，其特征在于，所述单晶衬底由单晶衬底材料构成，所述单晶衬底材料包括单晶硅、单晶砷化镓、单晶氮化镓、单晶磷化铟、单晶锗中的至少一种；

8.根据权利要求7所述的横向外延生长方法，其特征在于，所述外延层由外延层材料构成，所述外延层材料的晶格常数为单晶衬底材料晶格常数的95％～105％。

9.根据权利要求8所述的横向外延生长方法，其特征在于，所述单晶衬底为单晶硅衬底，所述第一晶向为[110]晶向，所述掩膜板材料为二氧化硅，所述外延层为锗外延层。

10.一种外延结构，其特征在于，包括具有孔洞的外延层，所述具有孔洞的外延层采用如权利要求1-9任一项所述的横向外延生长方法生长得到。

技术总结
本发明公开一种具有孔洞的外延层的横向外延生长方法及外延结构，具有孔洞的外延层的横向外延生长方法，包括步骤：提供单晶衬底；在所述单晶衬底上形成掩膜板，通过调控掩膜板的尺寸，在所述含有掩膜板的单晶衬底上横向外延生长得到具有预设尺寸孔洞的外延层。本发明提供一种外延层中孔洞尺寸可调的外延层的生长方法，通过调控掩膜板的尺寸来调控孔洞的尺寸，在所述含有掩膜板的单晶衬底上横向外延生长得到具有预设尺寸大小的孔洞的外延层，能够使得外延层的孔洞满足特定尺寸需求,丰富了单晶衬底和外延层组成的异质结构的应用。同时本发明提供的横向外延生长方法能够实现衬底材料与外延层材料的晶格适配差异较大时的高质量外延。

技术研发人员：温瑞涛,张亦文
受保护的技术使用者：南方科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/5