硅基锗材料的外延生长及其应用

硅基锗材料的外延生长及其应用

摘要:硅是最重要的半导体材料,在信息产业中起着不可替代的作用。但是硅材料也有一些物理局限性,比如它是间接带隙半导体材料,它的载流子迁移率低,所以硅材料的发光效率很低,器件速度比较慢。在硅衬底上外延生长其它半导体材料,可以充分发挥各自的优点,弥补硅材料的不足。本文介绍了硅衬底上的锗材料外延生长技术进展,讨论了该材料在微电子和光电子等方面的可能应用,重点介绍了它在硅基高速长波长光电探测器研制方面的应用。

关键词:硅基;锗,外延;光电探测器

Epitaxy and application of Ge layer on Silicon substrate

Huiwen Nie1, Buwen Cheng2

(1.Hunan Chemical Engineering Machinery School, Hunan Industrial Technology College

2.State Key Laboratory on Integrated Optoelectronics, Institute

of Semiconductors, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100083)

Abstract: Silicon is the most important semiconductor material and it is irreplaceable in the information industry. But Silicon also has some shortcomings, such as very low luminescence efficiency and low device speed due to the indirect bandgap and low carrier mobility. Growing other semiconductors on Si substrate can take the advantages of the different semiconductors and improve the performance of the

Si-based devices and integrated circuits. The progress of Ge growth on Si was introduced in the paper. The application of the Si-based Ge epitaxy layer was discussed, especially the application on Si-based high speed photodetectors operating at long wavelength.

Key words: Si-based, Germanium, Epitaxy, Photodetector

1引言

硅基光电集成将微电子技术和光子学技术进行融合,是

微电子技术的继承和发展,是信息技术发展的重要前沿研究

领域。其研究内容包括硅基高效光源、硅基高速光电探测器、硅基高速光调制器、低损耗光波导器件等。硅衬底上外延生长的锗(Ge)材料是硅基高速长波长光电探测器的首选材料

[1]。近几年来人们在硅基Ge材料外延生长方面取得了突破性进展,并用它研制出了3 dB带宽达40 GHz的高速光电探测器,解决了硅基光电集成的探测器研制难题。

Ge的电子和空穴迁移率都很高,Ge是所有半导体体材料中空穴迁移率最高的材料,所以Ge是研制高速集成电路的可选材料。人们曾经用Ge研制出了第一只半导体晶体管,但是由于Ge的氧化物不稳定,界面态控制困难,限制了其在集成电路方面的应用,使载流子迁移率并不高的Si材料成为集成电路和信息产业的支柱。硅集成电路遵循摩尔定律飞速发展着,但是随着特征线宽的进一步缩小,集成电路的集成度和性能的提高遇到了前所未有的挑战。人们在不断提出创新性的方案以使硅集成电路继续沿着摩尔定律发展,包括应变硅技术、高K介质技术等等。利用新的高迁移率半导体材料来替换(部分替换)Si材料,研制新型高速电路也是一个很好的途径。近年有很多的研究组开展了Ge高速集成电路方面的研究,取得了很多重要的进展。但是Ge材料的机械加工性能比硅差、Ge衬底材料的尺寸比较小、Ge材料价格昂贵、地球上Ge 的丰度小,这些将是限制Ge集成电路发展的重要障碍。在硅衬底上外延出Ge材料,并用它研制高速电路,则可以解决上述障碍,并且可以充分发挥Si和Ge的各自优势,实现Si CMOS 和Ge CMOS集成的高速集成电路,所以硅基Ge外延材料在新型高速集成电路方面将有可能发挥重要作用。

另外,由于Ge的晶格常数与GaAs的晶格常数匹配较好,硅基Ge外延材料可以作为GaAs系材料外延的衬底材料,制备化合物半导体材料与硅材料集成的新型材料,在多节高效太阳能电池、硅基高速电路、硅基光电单片集成等方面具有潜在的重要应用前景。所以硅基Ge材料是近年最重要的硅基异质外延材料之一。本文将重点介绍硅基Ge材料的外延生长方法及其在硅基光电探测器方面的应用。

2硅基Ge材料的生长

材料的平衡生长模式有三种:Frank-van der Merwe模式(FM,层状)、V olmer-Weber模式(VW,岛状)和

Stranski-Krastanow模式(SK,先是层状生长,然后是岛状生长)。图1示出了三种生长模式的生长过程。晶体薄膜的平衡生长按哪一种模式生长取决于衬底表面能、薄膜表面能和界面能。如果薄膜表面能和界面能之和总是小于衬底的表面能,即满足浸润条件,则是层状生长,反之,如果薄膜表面能与界面能之和总是大于衬底的表面能,则生长会是岛状生长模式。如果在开始生长时,满足浸润条件,是层状生长,但由于存在应变,随生长层数的增加,应变能增加,使界面能增加,从而使浸润条件不再满足,外延层会形成位错以释放应变或者在表面原子有足够的迁移率时,形成三维的岛,从而生长转化为岛状生

长。虽然大多数的低温生长过程是远离平衡态或接近平衡态的生长,但平衡生长模式是材料生长的热力学极限情况,对真实的材料生长模式有重要的决定作用。

硅和锗具有相同的金刚石结构,但它们的晶格常数不同,Si的晶格常数为0.5431 nm,Ge的晶格常数为0.5657 nm,Si 衬底上外延生长Ge时,其晶格失配达4.2%。Ge-Ge键比Si-Si 键弱,所以Ge具有比Si小的表面能。在Si上生长Ge时,开始时满足浸润条件,生长是层状生长,随生长厚度的增加,由于晶格失配,应变能增加,浸润条件不再满足,生长将转化为岛状生长。所以Si衬底上生长Ge是典型的SK生长模式。而且由于晶格失配,将会形成高密度的失配位错,难于在Si上生长出高质量的Ge材料,需要在工艺技术上进行创新研究,将失配位错限制在界面附近,从而保持表面器件层材料有好的晶体质量。

目前在Si衬底上生长Ge材料的主要工艺有三种:

(1) 组分渐变的SiGe Buffer层工艺[2][3]。该工艺首先生长Ge组分从0到100%逐渐增加的SiGe Buffer层,使应变逐渐释放,以获得位错密度低的Buffer层,然后在其上生长Ge外延层。该方法可以生长晶格质量很好的Ge材料,位错密度可以达到106 cm-2量级,但是由于表面会有很大的起伏,必须在生长后或生长中间插入化学机械抛光工艺流程,制作的工艺

复杂耗时,而且为了获得好的晶体质量,SiGe Buffer层中Ge组分的增加速度必须控制在≤0.1/μm,所以SiGe组分渐变层的厚度将达到10μm以上,这样的材料不利于制作集成器件。

(2) Si图形衬底上生长Ge。就是在刻蚀有图形的Si衬底上进行Ge的生长,主要有两种方式,一种是在Si衬底上刻蚀出一维或二维结构的台面,然后进行Ge的外延生长[4][5][6],该方法使失配位错只要迁移到图形台面的边沿就可以消失,而不像平面衬底材料,必须迁移到衬底的边沿,所以图形衬底可以减小失配位错迁移的距离,从而减少了位错的相互作用和衍生的几率,进而降低了位错密度。另一种图形衬底是在Si衬底上制备SiO2薄膜,然后光刻并刻蚀SiO2露出生长Ge的窗口,Ge将选择性地在露出Si的位置生长,并可以横向过生长而在SiO2表面合并,形成完整的Ge外延层[7][8]。该方法的原理可以理解为与前述方法一样,但是如果窗口很小,与SiO2层厚度相当时,可以有另外一种减少位错密度的机制,那就是位错瓶颈(necking)机制[9]。Si与Ge之间由于晶格失配形成的穿透位错一般存在于方向的{111}面,所以如果在(110)横截面观察,会发现位错与(100)衬底呈54.7度角向表面延伸。当SiO2厚度与窗口尺寸相当,则窗口内生长形成的位错向上延伸过程中将全部或大部分被氧化硅的侧壁所阻档,从而生长出高质量的Ge材料。该工艺过程类似于切克劳斯基(Czochralski) Si单晶拉制过程,在切克劳斯基Si单

晶拉制工艺中,在拉制前子晶被限制成很小的尺寸以消除缺陷。结合低温Ge Buffer工艺和图形衬底,Ge层的晶体质量可以得到进一步的提高,位错密度可以降低到106 cm-2量级。图形衬底上生长异质结材料(如Ge/Si, GaAs/Si等)的研究表明,外延层材料的位错密度与图形的尺寸密切相关,图形尺寸越小,位错密度越低,所以,制作具有小尺寸图形的衬底是生长低位错密度材料的基础。人们开始时利用的是普通的光刻腐蚀方法制备图形衬底,由于受光刻尺寸的限制,图形尺寸比较大,为微米量级。电子束光刻可以实现小尺寸,但不适合于制作大面积图形衬底,用它难于实现产业化生产。激光干涉法光刻可以制作几百nm级的小尺寸图形,而且可以进行大面积图形衬底的制作,是一种很好的方法,被人们所应用。但是为了进一步提高外延材料的质量,减少外延材料的位错密度,需要制作更小的纳米尺寸图形的衬底,这时,激光干涉光刻法也无能为力了,需要寻求新的方法。利用高密度的反应离子刻蚀,可以在Si表面刻蚀出纳米微结构的表面。在SF6气氛下,用脉冲激光照射Si表面,也可以制作出纳米微结构的表面。这些制作纳米微结构表面的方法被人们用于研制高响应度的光电探测器。如果在这些方法制备的具有纳米微结构的Si 衬底上生长Ge材料,由于其图形尺寸小,可望获得低位错密度的Ge外延材料。另外,采用阳极氧化Al膜的方法也可以制备出纳米尺寸的图形衬底。

(3) 低温Ge Buffer层工艺。该工艺首先在400℃以下的温度下生长出应力弛豫的Ge Buffer层,厚度约50 nm,然后将衬底温度提高到600℃左右,生长合适厚度的Ge层。生长后,为了提高材料质量,可以进行循环退火处理。最终获得的材料的位错密度一般在107 cm-2量级的水平,表面的平整度也比较好。该方法的优点是工艺简单、生长时间短、Buffer层薄、适合制作集成器件。该生长工艺的机理已经为人们所熟悉[10]。人们用MBE在低温生长Ge层时发现了H可以当作表面活性剂,使之保持二维生长而不是向三维生长转化的SK模式[11][12][13]。根据这一原理,人们提出了CVD两步生长Ge 的方法,即低温Ge Buffer层方法[14]。由于CVD方法生长Ge时,在低温时表面会有H的覆盖,第一步的低温过程中Ge 的生长将保持二维生长,并且以位错而不是以起伏的形式释

放应力,从而获得平整弛豫的Ge Buffer层。接着在Buffer层上在约600℃下生长厚的Ge材料。

目前人们基本上倾向于用Ge低温过渡层技术来外延生长硅基Ge材料,取得了很好的结果。图2是中国科学院半导体研究所用低温Ge过渡层技术在Si(100)衬底上外延生长的Ge材料的截面透射电镜照片[15]。从图可以看出晶格失配位错主要是以处于Si/Ge界面附近的Lomer位错的形式存在,

而且分布比较均匀,具有好的周期性,表面附近的Ge外延层中

位错很少。理论计算表明,如果认为应力全部由Lomer位错释放,位错将周期性均匀分布,沿(110)方向,位错分布的周期为9.6 nm。从图2中可以看出位错分布周期为9.7 nm,说明绝大部分的应力是通过Lomer位错释放的。Lomer位错与生长平面平行,不会向外延的Ge层穿透,这就保障了Ge外延层的晶格质量。图3给出了Si衬底上外延生长的Ge材料的X光双晶衍射曲线和卢瑟福背散射测量的结果。从X射线双晶衍射曲线可以看出,除了Si衬底的衍射峰外,只有一个强而锐的Ge 衍射峰,Ge衍射峰的半高宽只有128秒,说明Ge材料具有很好的晶体质量。卢瑟福背散射测试结果可以看出,沟道谱产额与随机谱产额之比为3.4%左右,与衬底Si材料的值相当,说明材料质量很好。在Si/Ge界面处,沟道产额有增加,这说明在界面处晶体质量要差一些。

3硅基Ge材料的应用

硅基Ge材料可能的应用范围很广。首先,它是硅基长波长光电探测器的首选材料,它的应用对推动硅基光电子学的发展,特别是硅基单片光电集成具有重要意义。其次,硅基Ge 外延材料可以作为硅基高速电路研究的新材料。由于Ge的电子和空穴迁移率都很高,近年人们正在投入大量精力开展Ge MOS电路的研制,并取得了一些很好的结果,可以预见,高

性能的Ge MOS电路将会很快得以实现。但是Ge的机械性能比Si差,价格贵,地球上的丰度低,将硅基Ge外延材料代替Ge单晶材料,在价格、与现有微电子工艺兼容性等方面显然具有明显的优势。再其次,Ge与GaAs材料晶格匹配,硅基Ge 外延材料可以作为硅基GaAs等材料的衬底,在硅基光电集成、硅基高效太阳能电池研制等方面有重要应用前景。

目前,硅基Ge外延材料的主要应用是硅基高速长波长光电探测器。如意大利的Silvia Fama等研制出的Si上Ge长波长光电探测器[16],用CVD方法生长4μm的Ge作为光吸收层,垂直入射的探测方式,在1.3μm 和1.55μm处的响应度分别为0.89 A/W和0.75 A/W,直径为135μm的器件的响应时间

吸收区与倍增区分离的Ge/Si 雪崩光电探测器(SACM-APD)是另一重要的硅基长波长光电探测器。Si是最好的倍增材料,Si APD已经很成熟,但是其带隙决定了它不能实现1310 nm和1550 nm的光响应。在Si上外延生长Ge材料,用Ge作为长波光响应吸收材料,而将Si作为倍增材料,可以实现硅基长波长微弱信号的低噪声探测。目前Intel公司和中国科学院半导体研究所都已研制出这种光电探测器。图6是中国科学院半导体研究所研制出的吸收区与倍增区分离的Ge/Si雪崩光电探测器的结构示意图和不同入射光功率下

的光电流谱[24]。在N型高掺杂的Si衬底上首先生长700 nm 左右的不掺杂的Si倍增区,然后制备100 nm掺杂浓度为1.6×1017 cm-3的电荷层,在电荷层上外延1.0微米的不掺杂的Ge吸收层和0.2微米的p型高掺杂Ge接触层。制作台面结构器件,器件的穿通电压为29 V,击穿电压为39.5 V,工作在39 V下,在1310 nm波长光下的光响应为20 A/W,对应的倍增因子为40。Intel公司对他们研制的Ge/Si SACM-APD进行了深入的特性分析,具有很好的直流和高频特性,增益带宽积达到340 GHz[25],是目前报道的所有半导体APD器件的最好结果。

4结束语

经过不懈努力,人们已经可以在硅衬底上外延生长出晶体质量优良的Ge材料,并用这一材料研制出了多种结构的硅基长波长高速光电探测器及其阵列,取得了重要进展。同时,人们也正在努力探索这一材料在其它方面的应用,如已经用它研制出了室温电注入发光器件[26]、在硅基Ge材料上外延生长出了GaAs等化合物半导体材料等。可以预见,硅基Ge 外延材料将以其优良的加工性、低廉的价格、优良的光电特性、灵活优异的集成性等特点,在微电子学、光子学、光电集成和高效太阳能电池等方面发挥重要作用。

5致谢

本文介绍的部分工作得到"973"课题(2007CB613404)、国家自然科学基金项目(60676005)和"863计划"项目

(2006AA03Z415)的资助。

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