专利名称：在Si衬底上分子束外延生长GeSn合金的方法
技术领域：
本发明涉及半导体薄膜材料的制备技术，更具体地说，本发明提供一种在Si衬底 上外延生长GeSn合金的方法。
背景技术：
Si是现代微电子技术的基础。Si微电子技术由于具有工艺成熟、价格便宜、源材 料丰富等优势，在现代电子信息社会中具有难以取代的地位。Si微电子技术发展到今天，已 经渗透国民经济、国家安全和人们日常生活中的方方面面，比如目前世界上90%以上的电 子器件和电路都是以Si为基础的。然而，微电子技术采用电子作为信息载体，具有其自身 的一些限制，难以满足未来信息化社会对信息传输容量、处理速度、存储能力以及灵活性、 安全性的迫切需求。用不具有荷电性的光子作为信息的载体的光子学技术有望满足未来信 息化的这一要求。光子学技术在信息传输容量和速度、信息安全保障、交叉互连密度、串扰 抑制等方面比微电子技术具有明显的优势，是信息高技术领域的另一强大支柱。光子学技 术既是微电子技术的补充，又是它的发展，实现微电子技术和光子学技术的融合是为了信 息技术发展的必由之路。在光子技术与微电子技术的的渗透融合中，主要的解决途径之一 就是将现有成熟的Si微电子技术为光子学技术结合，实现Si基光电集成，所以，Si基光子 学技术的研究成为目前重要的前沿研究课题。但是，由于Si是间接带隙半导体，其发光效率极低，带边光吸收系数较小；另外， Si是高对称性材料，其线性光电效应几乎为零；这些都严重地制约了它在光电子领域的发 展，成为Si基光电子集成的主要障碍。突破这些障碍需要人们在Si基材料的设计和生长、 能带工程和掺杂工程的应用、新型Si基光电子器件等方面开展创新性的理论和实验研究。GeSn合金是一种有望在Si基光电集成方面得到广泛应用的IV族新材料，具有十 分重要的研究意义。首先，GeSn合金在Sn的含量高于大约11%时将成为一种直接带隙的 半导体材料，因此GeSn合金有望在Si基激光器或者高效发光器件等方面得到重要的应用。 其次，GeSn合金的带隙在0至0. 67eV之间连续可调，可以覆盖从近红外到甚长波长的范围， 在红外光电子器件方面有很好的应用前景。另外，GeSn合金具有较小的载流子有效质量， 没有极性光学散射，可能具有很高的电子迁移率，因此有望在Si基高速电子器件方面得到 应用。由于具有上述的应用前景，GeSn合金已经逐渐成为Si基光电子学中的一个新的研
J Ll ^^ O但是，GeSn合金薄膜的生长却存在着许多困难。首先，Ge和Sn之间的相互平衡固 溶度都小于1%，并且Sn比Ge具有更小的表面自由能，从而使得在材料生长的过程中，Sn 非常容易分凝到表面上。其次，虽然Sn与Si和Ge同属于IV元素，但是，与Si和Ge不同的 是，常见的Sn并不是具有金刚石结构的半导体(α-Sn，俗称“灰锡”)，而是具有体心四方 结构的金属(β-Sn，俗称“白锡”)。当温度高于13. 2°C时，Sn将发生从α相到β相的转 变。另外，Ge和α -Sn的晶格常数分别为为0. 56579nm和0. 64892nm，二者的晶格常数差高 达14. 7%。因此，在Si或者Ge上生长GeSn时将存在比较大的晶格失配，从而不利于GeSn合金薄膜的生长。到目前为止，人们主要采用分子束外延(MBE)法和超高真空化学气相沉积法 (UHV-CVD)法来研究GeSn合金的生长。虽然这两种方法各自都取得了一些结果，但是还都 是比较初步的。采用UHV-CVD法生长虽然得到了目前最好的GeSn材料，但是材料的质量还 不够好，还达不到器件级材料的水平，并且所采用的Sn源-SnD4难以制备；而MBE生长的材 料热稳定性比较差，Sn易于分凝；所以，GeSn合金的材料生长有待新技术和方法的突破。本发明就是为了提供一种制备高质量GeSn合金材料的外延生长方法。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种制备高质量GeSn合金材料的外延生长方法。本发明提供一种在Si衬底上分子束外延生长GeSn合金的方法，包括如下步骤步骤1 在Si衬底上生长一层第一 Ge材料层；步骤2 在第一 Ge材料层上生长一层第二 Ge材料层；步骤3 在第二 Ge材料层上生长一层第一 GeSn合金层；步骤4 在第一 GeSn合金层上生长一层第二 GeSn合金层，完成材料的生长。其中第一 Ge材料层的生长温度小于400°C。其中第二 Ge材料层的生长温度大于400°C。其中步骤1和步骤2中的第一、第二 Ge材料层是以固体Ge为源材料，采用分子束 外延方法生长生长的。其中步骤1和步骤2中的第一、第二 Ge材料层是以GeH4和Ge2H6的Ge和H的化 合物为源材料，采用化学气相沉积方法生长的。其中第一 GeSn合金层采用分子束外延方法生长，生长温度为50_150°C。其中第二 GeSn合金层采用分子束外延方法生长，生长温度为150-300°C。本发明还提供一种在Si衬底上分子束外延生长GeSn合金的方法，包括如下步 骤步骤1 在Si衬底上生长一层第一 GeSn合金层；步骤2 在第一 GeSn合金层上生长一层第二 GeSn合金层，完成材料的生长。其中第一 GeSn合金层采用分子束外延方法生长，生长温度为50-150°C。其中第二 GeSn合金层采用分子束外延方法生长，生长温度为150-300°C。
为进一步说明本发明的技术内容，以下结合实施例及附图详细说明如后，其中图1是在Si衬底上生长的高质量的Ge材料上采用低高温两步法生长GeSn合金 的材料截面示意图。图2是在Si衬底上采用低高温两步法生长GeSn合金的材料截面示意图。
具体实施例方式请参阅附图1，为本发明的第一实施例，本发明为一种低高温两步法生长Si基 GeSn合金的方法。包括如下步骤
步骤1 在Si衬底11上生长一层第一 Ge材料层12，该第一 Ge材料层12的生长 温度小于400°C ；步骤2 在第一 Ge材料层12上生长一层第二 Ge材料层13，该第二 Ge材料层13 的生长温度大于400°C ；其中该第一、第二Ge材料层是以固体Ge为源材料，采用分子束外延方法生长生长 的；其中第一、第二 Ge材料层是以GeH4和Ge2H6的Ge和H的化合物为源材料，采用化学气 相沉积方法生长的；步骤3 在第二 Ge材料层13上生长一层第一 GeSn合金层14，该第一 GeSn合金层 14采用分子束外延方法生长，生长温度为50-150°C ；步骤4 在第一 GeSn合金层14上生长一层第二 GeSn合金层15，该第二 GeSn合金 层15采用分子束外延方法生长，生长温度为150-300°C，完成材料的生长。请参阅图2，为本发明的第二实施例，本发明还提供一种在Si衬底上分子束外延 生长GeSn合金的方法，包括如下步骤步骤1 在Si衬底21 (相当于第一实施例的Si衬底11)上生长一层第一 GeSn合 金层22 (相当于第一实施例的第一 GeSn合金层14)，该第一 GeSn合金层22采用分子束外 延方法生长，生长温度为50-150°C ；步骤2 在第一 GeSn合金层22上生长一层第二 GeSn合金层23 (相当于第一实施 例的第二 GeSn合金层15)，该第二 GeSn合金层23采用分子束外延方法生长，生长温度为 150-300°C，完成材料的生长。第一实施例请再参阅附图1，本发明为一种低高温两步法生长Si基GeSn合金的方法。包括如 下步骤步骤1 在Si衬底11上，采用固体Ge材料作为Ge源，利用分子束外延系统沉积 一层厚度50nm的第一 Ge材料层12，该第一 Ge材料层12的生长温度为200°C ；第一层Ge 材料12也可以采用GeH4和Ge2H6等Ge和H的化合物作为源材料，利用超高真空化学气相 沉积方法来生长，生长温度为330°C，厚度为60nm ；该层Ge材料是应变弛豫，并且表面比较 平整的，适合用来作为Si上生长Ge薄膜的缓冲层；步骤2 在第一 Ge材料层12上，采用固体Ge材料作为Ge源，利用分子束外延系 统沉积一层厚度250nm的第二 Ge材料层13，生长温度为500°C ；第二 Ge材料层13也可以 采用GeH4和Ge2H6的Ge和H的化合物作为源材料，利用超高真空化学气相沉积方法来生长， 生长温度为630°C，厚度为300nm ；该层Ge薄膜具有很高的晶体质量，并且表面平整，在该层 Ge薄膜上生长GeSn合金，可以使减小晶格失配，有利于GeSn合金的外延生长；步骤3 在第二 Ge材料层13上，分别采用固体Ge材料和固体Sn材料作为Ge源 和Sn源，利用分子束外延系统沉积一层厚度为25nm的第一 GeSn合金层14，生长温度为 IOO0C ；步骤4 在第一 GeSn合金层14上，分别采用固体Ge材料和固体Sn材料作为Ge源 和Sn源，利用分子束外延系统沉积一层厚度为300nm的第二 GeSn合金层15，生长温度为 180 "C。第二实施例
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下面结合附图2举例说明本发明的另一种实施方法。请再参阅图2所示，本发明一种在Si衬底上分子束外延生长GeSn合金的方法，包 括如下步骤步骤1 在Si衬底21上，分别采用固体Ge材料和固体Sn材料作为Ge源和Sn源， 利用分子束外延系统沉积一层厚度为25nm的第一 GeSn合金层22，生长温度为100°C ；步骤2 在第一 GeSn合金层22上，分别采用固体Ge材料和固体Sn材料作为Ge源 和Sn源，利用分子束外延系统沉积一层厚度为300nm的第二 GeSn合金层23，生长温度为 180 "C。以上所述，仅为本发明中的具体实施方式
，但本发明的保护范围并不局限于此，任 何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变换或替换，都应涵盖在 本发明的包含范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
权利要求
一种在Si衬底上分子束外延生长GeSn合金的方法，包括如下步骤步骤1在Si衬底上生长一层第一Ge材料层；步骤2在第一Ge材料层上生长一层第二Ge材料层；步骤3在第二Ge材料层上生长一层第一GeSn合金层；步骤4在第一GeSn合金层上生长一层第二GeSn合金层，完成材料的生长。
2.根据权利要求1所述的在Si衬底上外延生长GeSn合金的方法，其中第一Ge材料层 的生长温度小于400°C。
3.根据权利要求1所述的在Si衬底上外延生长GeSn合金的方法，其中第二Ge材料层 的生长温度大于400°C。
4.根据权利要求1所述的在Si衬底上外延生长GeSn合金的方法，其中步骤1和步骤 2中的第一、第二 Ge材料层是以固体Ge为源材料，采用分子束外延方法生长生长的。
5.根据权利要求1所述的在Si衬底上外延生长GeSn合金的方法，其中步骤1和步骤 2中的第一、第二 Ge材料层是以GeH4和Ge2H6的Ge和H的化合物为源材料，采用化学气相 沉积方法生长的。
6.根据权利要求1所述的在Si衬底上外延生长GeSn合金的方法，其中第一GeSn合金 层采用分子束外延方法生长，生长温度为50-150°C。
7.根据权利要求1所述的在Si衬底上外延生长GeSn合金的方法，其中第二GeSn合金 层采用分子束外延方法生长，生长温度为150-300°C。
8.一种在Si衬底上分子束外延生长GeSn合金的方法，包括如下步骤步骤1 在Si衬底上生长一层第一 GeSn合金层；步骤2 在第一 GeSn合金层上生长一层第二 GeSn合金层，完成材料的生长。
9.根据权利要求8所述的在Si衬底上外延生长GeSn合金的方法，其中第一GeSn合金 层采用分子束外延方法生长，生长温度为50-150°C。
10.根据权利要求8所述的在Si衬底上外延生长GeSn合金的方法，其中第二GeSn合 金层采用分子束外延方法生长，生长温度为150-300°C。
全文摘要
本发明提供一种在Si衬底上分子束外延生长GeSn合金的方法，包括如下步骤步骤1在Si衬底上生长一层第一Ge材料层；步骤2在第一Ge材料层上生长一层第二Ge材料层；步骤3在第二Ge材料层上生长一层第一GeSn合金层；步骤4在第一GeSn合金层上生长一层第二GeSn合金层，完成材料的生长。
文档编号C30B23/02GK101962802SQ201010231169
公开日2011年2月2日 申请日期2010年7月14日 优先权日2010年7月14日
发明者左玉华, 张广泽, 成步文, 汪巍, 王启明, 白安琪, 胡炜玄, 苏少坚, 薛春来 申请人:中国科学院半导体研究所