[发明专利]基于LRC工艺SiGe选择外延致准直接带隙Ge及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及集成电路技术领域，特别涉及一种基于LRC工艺SiGe选择外延致准直接带隙Ge及其制备方法。

背景技术

自从世界上第一支晶体管诞生以来，微电子技术一直成功地按照摩尔定律预测的趋势发展，即集成电路的集成度每18个月增长一倍，而价格则相应地降低一半。但是，随着集成电路集成度的不断提高，器件的尺寸将越来越小——根据国际半导体技术蓝图(ITRS)2011年发布的半导体技术路线图预测，到2026年最小线宽将减小到5.8nm——微电子技术将面临诸多挑战，如芯片集成度提高导致散热问题严重，功耗大，互连速度受限，小尺寸下的量子限制效应突显，工艺制备难度大等问题。

另一方面，为了响应高度信息化的需求，集成光路以其光信号处理速度高，信号带宽大，不受电磁场干扰等优点也将在信息技术的发展中扮演着重要的角色。然而，目前集成光路仍然存在着许多技术问题亟待突破，如器件之间连接处需要精确的耦合对准，光波导的传输损耗等。光逻辑和光处理器件的发展相对于集成电路而言仍处于初级阶段。Si基光电子技术充分地利用微电子先进成熟的工艺技术、高集成度、成本低廉优势和光子互联高带宽、低功耗等的优点，有望打破微电子学所面临的诸多局限并扩展其性能，引起了世界范围内学术界 和产业界的特别关注。

Si基光互连电路中最重要的基础器件有Si基光源、波导、调制器和探测器，其中除了Si基光源外，其他的器件都有了有效的解决方案，Si基发光器件的发展却相对缓慢，其最主要的原因是Si属于间接带隙材料，发光效率比直接带隙化合物半导体小5～6个数量级，很难实现高效发光器件，这使得高效的Si基光源成为Si基光互连中最具挑战的目标。同为Ⅳ族元素的Ge，虽然与Si同属于间接带材料，但其室温下直接带带隙为0.8eV，仅比间接带隙大0.136eV，而且Ge的能带结构容易通过张应变和n型掺杂来调控，使其变为准直接带材料，极大地提高辐射复合几率；此外，Ge器件的制作工艺几乎与Si CMOS工艺完全兼容，不仅易于与其它光电器件实现片上集成，而且制作成本低。鉴于以上几个优点，Si基外延Ge薄膜被认为是未来Si基片上集成激光器最有希望的材料之一，成为了当前国内外研究的热点和重点。

要实现更高效发光率，需要实现Ge直接带隙发光，但直接带隙Ge的制作比较困难，例如典型的GeSn合金化方法，硅基GeSn合金的材料生长存在着许多困难，例如:Sn非常不稳定、Sn非常容易发生分凝、GeSn与Si之间的晶格失配较大。目前，更为常见的方法为实现Ge的准直接带隙发光。准直接带隙Ge材料能够极大地提高辐射复合几率，将发光波长调制在光通信和光互连波段(1.55μm)，具有准直接带特性的Ge材料有望成为增益介质，实现光激射。国内外准直接带隙Ge改性实现方法主要是施加低强度张应力配合掺杂的方法。 即在Si衬底上直接外延Ge(Ge/Si)虚衬底技术，利用Si与Ge之间的热失配引入张应力，并对Ge外延层进行N型重掺杂。但是，Si与Ge较大的晶格失配导致Ge材料内位错较高，晶体质量不好。若单纯采用这种方法，使用这种工艺对样品进行退火时工艺要求高，实现难度较大且存在Ge外延层表面粗糙度与位错密度大、Si-Ge互扩问题，以及工艺周期长，热预算高等缺点。因此，解决Si衬底上实现高质量的准直接带隙Ge半导体，已成为本领域亟待突破的关键技术问题之一。

发明内容

因此，为解决现有技术存在的技术缺陷和不足，本发明提出一种基于LRC工艺SiGe选择外延致准直接带隙Ge及其制备方法。

具体地，本发明一个实施例提出的一种基于LRC工艺SiGe选择外延致准直接带隙Ge的制备方法，包括：

S101、选取单晶Si衬底；

S102、在275℃～325℃温度下，利用CVD工艺在所述单晶Si衬底上生长40～50nm的第一Ge籽晶层；

S103、在500℃～600℃温度下，利用CVD工艺在在所述第一Ge籽晶层表面生长150～250nm的第二Ge主体层；

S104、利用CVD工艺在所述第二Ge主体层表面上淀积150nm SiO₂层；

S105、将包括所述单晶Si衬底、所述第一Ge籽晶层、所述第二Ge主体层及所述SiO₂层的整个衬底材料加热至700℃，连续采用激 光工艺晶化所述整个衬底材料，其中，激光波长为808nm，激光光斑尺寸10mm×1mm，激光功率为1.5kW/cm²，激光移动速度为25mm/s；

S106、自然冷却整个衬底材料；