专利名称：一种制备直接带隙Ge薄膜的方法
技术领域：
本发明属于半导体技术领域，具体涉及一种制备直接带隙Ge薄膜的方法。
背景技术：
微电子技术的高速发展使得摩尔定律越来越逼近其物理极限而受到挑战，硅基光电集在成近年来的迅速发展被认为能够有效地延续摩尔定律的延伸。目前，阻碍硅基光电集成技术发展的主要障碍是如何解决能与当今现有的硅基CMOS兼容的片上光源问题。因此，寻找一种能与硅工艺相兼容的有效地有源发光材料是硅基光电集成的重要所在。当Ge薄膜中张应变大于2. 0%，可以由原来的间接带隙材料转变为直接带隙材料，可以满足硅基光电集成发展对于材料的要求，可以用来做激光发射器，同时由于Ge与Si可以有效的集成，从而提高了一种低成本的实现片上光电集成的途径。为了得到具有直接带隙的Ge薄膜，人们从不同途径进行了探索利用Ge和Si的热膨胀系数的差异直接在Si上外延可以得到张应变的Ge薄膜，但应变度较小，只有O. 3%左右，且由于硅锗之间较大的晶格失配使得所生长的Ge薄膜具有较高的位错密度；与此同时，人们利用II1-V族组分递增的缓冲层做虚拟衬底，可以得到较大应变的Ge薄膜，但由于II1-V外延需要用生长速度慢的MBE或M0CVD，而且组分递增的缓冲层一般厚度较大，增加了成本。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种制备直接带隙Ge薄膜的方法，用于解决现有技术中制备张应变Ge薄膜位错密度较高，成本较大的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种制备直接带隙Ge薄膜的方法，该方法包括以下步骤提供一 GeOI衬底；其包括娃衬底、位于该娃衬底上的埋氧层以及位于该埋氧层上的顶层锗纳米薄膜；采用光刻以及RIE技术对所述顶层锗纳米薄膜进行图形化处理，开出若干与底部所述埋氧层贯通的腐蚀窗口 ；湿法腐蚀，自所述腐蚀窗口对GeOI衬底进行腐蚀，直至埋氧层被彻底腐蚀掉，使得所述图形化的顶层锗纳米薄膜与硅衬底虚接触；提供一 PDMS载体，所述PDMS载体与所述图形化的顶层锗纳米薄膜紧密接触，从而将与硅衬底虚接触的图形化的顶层锗纳米薄膜转移到PDMS载体上；将载有图形化的顶层锗纳米薄膜的PDMS载体两端夹紧，并向两端施加机械拉伸使得顶层锗纳米薄膜随着PDMS载体的拉伸而形变，在其内部产生张应变。本发明提供了一种制备低缺陷、低位错、高单晶质量的张应变Ge纳米薄膜的方法。首次提出利用机械拉伸的方法制得具有直接带隙的Ge薄膜；转变传统制备张应变Ge以及直接带隙Ge薄膜的方法的观念，利用机械拉伸的方法所制备的直接带隙锗纳米薄膜具有较高的单晶质量以及应变大小任意可控的特点。可用于光电器件；具有低缺陷、低位错密度的特点；通过机械拉伸制备直接带隙Ge纳米薄膜的方法工艺简单，成本较低。
图1a-图1e为本发明一种制备直接带隙Ge薄膜的方法的流程图。元件符号说明
底层娃I
埋氧层2
顶层锗纳米薄膜3
腐蚀窗口4
PDMS载体具体实施例方式以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式
加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。请参阅图1a至图1e所示。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想， 遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。本发明提供一种制备直接带隙Ge薄膜的方法，该方法包括以下步骤提供一 GeOI衬底；其包括娃衬底、位于该娃衬底上的埋氧层以及位于该埋氧层上的顶层锗纳米薄膜；采用光刻以及RIE技术对所述顶层锗纳米薄膜进行图形化处理，开出若干与底部所述埋氧层贯通的腐蚀窗口 ；湿法腐蚀，自所述腐蚀窗口对GeOI衬底进行腐蚀，直至埋氧层被彻底腐蚀掉，使得所述图形化的顶层锗纳米薄膜与硅衬底虚接触；提供一 PDMS载体，所述PDMS载体与所述图形化的顶层锗纳米薄膜紧密接触，从而将与硅衬底虚接触的图形化的顶层锗纳米薄膜转移到PDMS载体上；将载有图形化的顶层锗纳米薄膜的PDMS载体两端夹紧，并向两端施加机械拉伸使得顶层锗纳米薄膜随着PDMS载体的拉伸而形变，在其内部产生张应变。具体的，请参阅图1所示，提供一 GeOI衬底；其包括硅衬底1、位于该硅衬底上的埋氧层2以及位于该埋氧层上的顶层锗纳米薄膜3 ;所述顶层锗纳米薄膜3可以包含杂质亦即掺杂剂，以便控制膜的导电类型。所述埋氧层2作为湿法腐蚀中的牺牲层通常为二氧化硅。然后可以对该GeOI衬底进行清洗，去除有机物污染、氧化物或金属杂质等。所述顶层锗纳米薄膜3的厚度可以依赖于此层所用的工艺类型亦即锗材料类型而变化。一般厚度为lO-lOOnm，以约10_30nm的厚度为优选。所述顶层锗纳米薄膜为单晶体锗纳米薄膜或者η型掺杂的锗纳米薄膜。请参阅图1b所示，利用光刻以及RIE技术对顶层Ge纳米薄膜3进行图形化处理，根据需要开出若干个腐蚀窗口 4，该腐蚀窗口的底部贯通所述埋氧层2。利用HF溶液(氢氟酸的水溶液)或BOE溶液对已开腐蚀窗口 4的GeOI材料进行湿法腐蚀，直至埋氧层被彻底腐蚀掉。所述顶层Ge纳米薄膜3即与硅衬底虚接触。(参阅图1c所示)接着请参阅图1d所示,提供一PDMS载体5 (polydimethylsiloxane,聚二甲基娃氧烧，是一种高分子有机娃化合物，通常被称为有机娃。具有光学透明，且在一般情况下，被认为是惰性，无毒，不易燃。聚二甲基硅氧烷(PDMS)是最广泛使用的硅为基础的有机聚合物材料，其运用在生物微机电中的微流道系统、填缝剂、润滑剂、隐形眼镜)，使其和与硅衬底虚接触的顶层Ge纳米薄膜3紧密接触，使两者之间以范德瓦耳斯力相连接。现有的科学知识、有关文献报道以及我 们自身实验已知，当提拉PDMS载体5的速度越大，其与顶层锗纳米薄膜3之间的范德瓦耳斯力越大，当PDMS载体5与锗薄膜3的范德瓦耳斯力大于锗薄膜3与底层硅I的范德瓦耳斯力时，可以通过调节提拉PDMS载体5的提拉速度从而将该顶层Ge纳米薄膜3转移到PDMS载体5上。最后，请参阅图1e所示，用一普通夹具将载有Ge纳米薄膜3的PDMS载体5两端夹紧，并向两侧反向施加机械拉伸；所述向两端施加机械拉伸力使得所述顶层锗纳米薄膜的应变小于其自身的抗张强度，该应变大小范围为(Γ20%。此时顶层的Ge纳米薄膜3就随着PDMS的拉伸而形变，在内部产生张应变，通过调整外加机械应力的大小定量调控Ge纳米薄膜中应变大小。该调整可以根据需要调整机械应力的大小。该方法还可以包括提供第二 PDMS载体，将所述顶层锗纳米薄膜转移至该第二PDMS载体上的步骤。综上所述，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
权利要求
1.一种制备直接带隙Ge薄膜的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤提供一 GeOI衬底；其包括娃衬底、位于该娃衬底上的埋氧层以及位于该埋氧层上的顶层锗纳米薄膜；采用光刻以及RIE技术对所述顶层锗纳米薄膜进行图形化处理，开出若干与底部所述埋氧层贯通的腐蚀窗口；湿法腐蚀，自所述腐蚀窗口对GeOI衬底进行腐蚀，直至埋氧层被彻底腐蚀掉，使得所述图形化的顶层锗纳米薄膜与硅衬底虚接触；提供一 PDMS载体，所述PDMS载体与所述图形化的顶层锗纳米薄膜紧密接触，从而将与硅衬底虚接触的图形化的顶层锗纳米薄膜转移到PDMS载体上；将载有图形化的顶层锗纳米薄膜的PDMS载体两端夹紧，并向两端施加机械拉伸使得顶层锗纳米薄膜随着PDMS载体的拉伸而形变，在其内部产生张应变。
2.根据权利要求1所述的制备直接带隙Ge薄膜的方法，其特征在于，所述顶层锗纳米薄膜的厚度为IOnnTIOOnm。
3.根据权利要求1所述的制备直接带隙Ge薄膜的方法，其特征在于，所述顶层锗纳米薄膜为单晶体锗纳米薄膜或者n型掺杂的锗纳米薄膜。
4.根据权利要求1所述的制备直接带隙Ge薄膜的方法，其特征在于，所述湿法腐蚀采用HF溶液或BOE溶液腐蚀。
5.根据权利要求1所述的制备直接带隙Ge薄膜的方法，其特征在于，所述向两端施加机械拉伸力使得所述顶层锗纳米薄膜的应变小于其自身的抗张强度，该应变大小范围为0 20%。
6.根据权利要求1所述的制备直接带隙Ge薄膜的方法，其特征在于，采用光刻以及RIE技术对所述顶层锗纳米薄膜进行图形化处理之前包括清洗的步骤。
7.根据权利要求1所述的制备直接带隙Ge薄膜的方法，其特征在于，该方法还包括提供第二 PDMS载体，将所述顶层锗纳米薄膜转移至该第二 PDMS载体上的步骤。
全文摘要
本发明涉及一种制备直接带隙Ge薄膜的方法，包括提供一GeOI衬底；对所述顶层锗纳米薄膜进行图形化处理，开出若干与底部所述埋氧层贯通的腐蚀窗口；湿法腐蚀直至埋氧层被彻底腐蚀掉，使得所述图形化的顶层锗纳米薄膜与硅衬底虚接触；提供一PDMS载体，所述PDMS载体与所述顶层锗纳米薄膜紧密接触，从而将与硅衬底虚接触的顶层锗纳米薄膜转移到PDMS载体上；将该PDMS载体两端夹紧，并反向施加机械拉伸使得顶层锗纳米薄膜随着PDMS载体的拉伸而形变，在其内部产生张应变。采用本发明的方法制备的直接带隙Ge薄膜应变大小可控，可用于光电器件；其具有低缺陷、低位错密度的特点；通过机械拉伸制备直接带隙Ge纳米薄膜的方法工艺简单，成本较低。
文档编号H01L21/02GK103065938SQ201210593808
公开日2013年4月24日 申请日期2012年12月31日 优先权日2012年12月31日
发明者狄增峰, 郭庆磊, 张苗, 卞剑涛, 叶林, 陈达 申请人:中国科学院上海微系统与信息技术研究所