一种锗-硅基砷化镓材料及其制备方法和应用与流程

本发明涉及一种锗-硅基砷化镓材料及其制备方法和应用。

背景技术：

随着摩尔定律的失效，微电子芯片的发展面临了前所未有的困难。intel近期的报告表明，谷歌数据中心的数据量已经超过5zetabyte(2⁷⁰字节)，脸书(facebook)的数据中心投资也已超过10亿美金。因此通过硅光电子集成芯片大幅提高数据传输带宽已迫在眉睫。随着数据中心的光传输速率由100g并入400g时代，iii-v族有源光电器件和硅基光电子器件的混合集成从而变得势在必行。并且，未来芯片互联对硅基片上光源的需求显得极为迫切。

硅基光电集成目前的最大难点为“缺少硅基高性能、可集成片上光源”，但硅和锗是间接带隙材料，不适合用于光源制备。因此硅基iii-v族inas/gaas量子点激光器是解决硅基光源的最有效途径。

现有技术中采用硅和iii-v族材料的直接键合：通过对iii-v族和硅晶片进行清洗和化学处理，实现低粗糙度的表面。从而在高温下实现两个异质晶圆的直接键合。还有报道gaas在硅(100)斜切衬底上的直接外延生长：利用硅小角度斜切衬底，实现反相畴在界面出的自湮灭效果，从而抑制反相畴向表面的衍生。另一方面通过ingaas/gaas量子阱位错过滤层技术所产生的应力场将晶格适配导致的位错限制在gaas缓冲层内。

然而，硅基iii-v族材料生长的最大问题为：由硅和砷化镓之间极性和非极性键差异产生反相畴，从而导致硅基砷化镓的生长具有大量位错和缺陷。

关于现有的硅基砷化镓材料，存在的问题主要包括：

1.iii-v族材料和硅直接键合技术存在着以下几个问题：

(1)导热性较差；

(2)键合良品率不高；

(3)iii-v族晶圆和硅晶圆尺寸不匹配(iii-v族：2-6寸；硅：8-12寸)。

2.在硅基上生长iii-v族材料存在着反向畴、晶格失配和热膨胀系数差异等一系列问题，具体主要包括以下几个问题：

(1)硅小角度斜切衬底需特殊制备，且与cmos工艺不兼容，属于非常规衬底；

(2)热膨胀系数差异和晶格失配导致大量热裂缝和高密度位错；

(3)生长结构极为复杂(需要位错过滤层等技术抑制穿透位错的延生)，且需要2μm以上厚度的砷化镓。

技术实现要素：

因此，本发明的目的是克服现有技术中存在的问题，实现超薄无反相畴砷化镓在锗-硅基衬底上的外延生长，提供一种高质量锗-硅基砷化镓材料及其制备方法和应用。

本发明提供了一种锗-硅基砷化镓材料，其包括表面具有周期性凹槽结构的硅衬底、附着在所述硅衬底表面的锗中间层、以及附着在所述锗中间层表面的砷化镓层。

根据本发明提供的锗-硅基砷化镓材料，其中，所述表面具有周期性凹槽结构的硅衬底为硅(100)晶面。

根据本发明提供的锗-硅基砷化镓材料，其中，所述凹槽结构的周期可以为100～800nm，优选为200～500nm；凹槽的深度可以为200～1000nm，优选为400～600nm。

优选地，所述凹槽结构的顶部平台宽度可以为100～400nm，优选为120～160nm；凹槽结构的底部宽度可以为50～200nm，优选为100～120nm。

根据本发明提供的锗-硅基砷化镓材料，其中，所述锗中间层面向砷化镓层的表面为具有锯齿结构的锗(113)等价晶面。由于所述锗中间层是利用分子束外延生长技术在硅衬底表面生长形成的，因而锗只能部分地填充硅衬底的凹槽结构，并形成具有锯齿结构的表面。

根据本发明提供的锗-硅基砷化镓材料，其中，以所述凹槽结构的顶部平台为基准面，所述锗中间层的厚度为400～800nm，优选为500～650nm。

根据本发明提供的锗-硅基砷化镓材料，其中，砷化镓层的厚度可以为400nm以内，优选为200～400nm。优选地，所述砷化镓层的表面粗糙度为0.5～1nm，更优选为0.6～0.8nm。

本发明还提供了上述锗-硅基砷化镓材料的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：

(1)在硅衬底上形成周期性凹槽结构；

(2)在表面具有周期性凹槽结构的硅衬底上外延生长锗中间层；

(3)在锗中间层的表面外延生长砷化镓层。

根据本发明提供的制备方法，其中，所述步骤(1)可以包括：在硅(100)衬底表面利用等离子增强化学气相沉积方法，生长sio2掩模；利用深紫外光刻技术在sio2掩模上沿(110)方向构筑周期性凹槽结构；通过反应离子刻蚀技术完成表面具有周期性凹槽结构的硅衬底的制备；利用氢氟酸移除表面sio2掩模。

根据本发明提供的制备方法，其中，所述步骤(2)包括利用分子束外延生长技术在硅衬底表面生长形成具有锯齿形(113)晶面的锗中间层，优选的生长温度为300～400℃，更优选为320～360℃。

根据本发明提供的制备方法，其中，所述步骤(3)包括利用两步法在锗中间层上生长形成砷化镓层，优选的生长过程包括：在350～400℃下生长20～40nm，在550～600℃下生长360～380nm。

本发明还提供了上述锗-硅基砷化镓材料或按照本发明方法制得的锗-硅基砷化镓材料在量子点激光器、探测器、放大器和调制器、cmos电学器件和波导器件中的应用。

本发明通过使用深紫外光刻、反应离子刻蚀等技术构造出周期性的硅(100)u型槽结构，在其基础上利用iv族分子束外延设备生长出同周期且具有(113)晶面的锗锯齿状图形结构。通过在特殊制备的锗锯齿状图形结构上利用两步法直接外延生长砷化镓缓冲层，可实现粗糙度小于1nm，且厚度小于400nm的高质量砷化镓单晶薄膜。本发明的硅图形结构具有抑制砷化镓和硅之间反相畴的显著效果，并可以大幅度释放晶格失配和热膨胀系数失配导致的应力。从而实现硅基cmos可兼容衬底上砷化镓的高质量外延生长。cmos可兼容的硅(100)图形衬底上砷化镓的高质量外延生长对推动硅基光电芯片集成具有重大意义。其实现有助于推动硅基inas/gaas量子点激光器、探测器、放大器和调制器等硅基高性能有源器件和硅基cmos电学器件和波导的集成。该技术解决了近20年来阻碍硅基光电集成的重大技术问题，为硅基cmos工艺和iii-v族光电材料的混合集成铺平了道路。

附图说明

以下，结合附图来详细说明本发明的实施方案，其中：

图1是本发明实施例的步骤(1)制得的表面具有周期性凹槽结构的硅衬底的截面扫描电子显微图；

图2为本发明实施例的步骤(2)中生长300nm的锗中间层时的截面扫描电子显微图；

图3为本发明实施例的步骤(2)中生长560nm的锗中间层的截面扫描电子显微图；

图4为本发明实施例的步骤(3)在锗锯齿状图形结构上生长砷化镓后的截面扫描电子显微图；

图5为本发明实施例的步骤(3)在锗锯齿状图形结构上生长砷化镓后的表面原子力显微图；

图6为对比例制备的硅基砷化镓材料(左侧)与本发明实施例制得的锗-硅基砷化镓材料(右侧)的表面扫描电子显微图对比；

图7为本发明实施例步骤(2)中生长的560nm的锗中间层的x射线衍射谱；

图8为本发明实施例步骤(3)在锗锯齿状图形结构上生长砷化镓后的x射线衍射谱。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述，给出的实施例仅为了阐明本发明，而不是为了限制本发明的范围。

实施例

本实施例用于说明本发明的锗-硅基砷化镓材料及其制备方法。

(1)在硅衬底上形成周期性凹槽结构：

在硅(100)衬底表面利用等离子增强化学气相沉积方法，生长sio2掩模；利用深紫外光刻技术在sio2掩模上沿(110)方向构筑周期性凹槽结构；通过反应离子刻蚀技术完成表面具有周期性凹槽结构的硅衬底的制备；利用氢氟酸移除表面sio2掩模；

(2)利用分子束外延生长技术，在表面具有周期性凹槽结构的硅衬底上外延生长560nm的锗中间层，生长温度为340℃，其表面为锗(113)晶面，并且具有锯齿状图形结构；

(3)在锗锯齿状图形结构上利用两步法(低温380℃生长20～40nm，高温580℃生长360～380nm)直接外延生长砷化镓层，得到粗糙度小于1nm，且厚度小于400nm的高质量砷化镓单晶薄膜。

对比例

本对比例用于说明硅衬底上有无周期性凹槽结构的差别。

按照与上述实施例相同的方法制备硅基砷化镓材料，不同之处在于，没有在硅(100)衬底表面形成周期性凹槽结构。

产品表征

图1是实施例步骤(1)制得的表面具有周期性凹槽结构的硅衬底的截面扫描电子显微图。从图1可见，凹槽结构的周期为360nm，凹槽的深度为500nm，凹槽结构的顶部平台宽度为150nm，凹槽结构的底部宽度为110nm。

图2为实施例步骤(2)中生长300nm的锗层时的截面扫描电子显微图。从图2可以看出，结构顶部构造出三个不同的锗稳定晶面：(100)、(111)和(113)，凹槽之间的间距保持为360nm。

图3为实施例步骤(2)中生长560nm的锗中间层的截面扫描电子显微图。从图3可以看出，结构顶部构造出倾斜角为25.2°的锗(113)稳定晶面，其表面具有锯齿状图形结构，锯齿之间的间距保持为360nm，锯齿深度为80nm。

图4为实施例步骤(3)在锗锯齿状图形结构上生长砷化镓后的透射电子束显微图。从图4可以看出，由于砷化镓的生长温度高于锗，因此锗(113)锯齿结构的下端空洞部分产生了扩散融合现象，但对上部结构不产生影响。图4中可看到锗(113)锯齿结构有效的抑制了反相畴的生成，从而有助于实现砷化镓高质量生长，并且同时将生长厚度控制在400nm以内。

图5为实施例步骤(3)在锗锯齿状图形结构上生长砷化镓后的表面原子力显微图。图5显示，厚度为400nm的砷化镓缓冲层的表面粗糙度为0.73nm。

图6为对比例制备的硅基砷化镓材料(左侧)与实施例制得的硅基砷化镓材料(右侧)的表面扫描电子显微图对比。从图6可以看出，左侧无周期性凹槽结构区域存在大量反相畴和高密度位错；右侧有周期性凹槽结构区域生长的砷化镓高度平整、无反相畴和明显位错。

图7为实施例步骤(2)中生长的560nm的锗中间层的x射线衍射谱。其中锗(113)锯齿结构的x射线衍射谱的半高宽为13弧秒。

图8为实施例步骤(3)在锗锯齿状图形结构上生长砷化镓后的x射线衍射谱。从图8中可以看出，硅锗基砷化镓的x射线衍射谱的半高宽为12.25弧秒；在砷化镓生长过程中锗与硅的界面产生了互扩散和融合现象，因此锗的x射线谱的半高宽大幅增加，且强度减弱，但不影响砷化镓的晶体质量。