[发明专利]一种在硅衬底上直接外延生长锗虚拟衬底的方法

说明书

本发明公开了一种在硅衬底上直接外延生长锗虚拟衬底的方法。该方法具体步骤包括：步骤1，获取(100)晶面的硅衬底或者(111)晶面的硅衬底；步骤2，将硅衬底用氢氟酸处理后，在真空环境中进行表面处理；步骤3，通过分子束外延的方法，在处理后的硅衬底之上生长一层硅缓冲层；步骤4，调至合适的生长温度，然后在硅缓冲层上直接外延生长微米级别厚度的锗虚拟衬底。本发明的方法可以在硅片上直接外延锗虚拟衬底，其生长的锗虚拟衬底表面平整，单晶质量高，晶格可以完全弛豫，可以代替锗衬底用于后续材料的生长。该方法无需采用逐步提高锗含量的逐层生长模式，制备工艺更简单，可以降低成本。

技术领域

本发明涉及一种在硅衬底上直接外延生长锗虚拟衬底的方法，更具体的说，它涉及到硅衬底上直接外延高质量锗虚拟衬底生长条件的优化，包括衬底的处理、缓冲层的生长以及锗虚拟衬底生长温度的优化过程。

背景技术

硅(Si)和锗(Ge)是最为常见的半导体材料，也是重要的电子元器件材料。硅基锗外延材料可以作为硅基高速电路研究的新材料，它是硅基长波长光电探测器的首选材料。

另外，锗与GaAs材料晶格匹配，硅基锗外延材料可以作为硅基GaAs等材料的虚拟衬底，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。

但是由于锗和硅的晶格失配度在4％以上，硅基Ge虚拟衬底技术实现难度大。从硅衬底上直接外延所获Ge外延层的主要技术指标来看，存在以下问题：

1)Ge外延层表面粗糙度大，不利于后续Ge缓冲层上的III-V族异质结构生长；

2)Ge外延层位错密度高，在光电器件中应用时，使得器件性能发生退化。

同时锗衬底价格比较昂贵。因此，开发并优化硅衬底上制备高质量Ge外延层工艺具有重要的应用价值。

在目前硅衬底上外延锗虚拟衬底，已有的方法是：先在硅片上生长低锗含量的锗硅合金，再不断提高锗含量的逐层生长模式。这种方法操作复杂，需要不断地改变锗硅比例，不仅浪费时间且成本高。

发明内容

本发明的目的是提供一种在硅衬底上直接外延生长锗虚拟衬底的方法，这种生长方法制备工艺更简单，成本更低。

为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：

一种在硅衬底上直接外延生长锗虚拟衬底的方法，具体步骤包括：

步骤1，获取(100)晶面的硅衬底，或者(111)晶面的硅衬底；

步骤2，将硅衬底用氢氟酸处理后，在真空环境中进行表面处理；

步骤3，通过分子束外延的方法，在经表面处理后的硅衬底之上生长一层硅缓冲层；

步骤4，调至合适的生长温度，然后在硅缓冲层上直接外延生长微米级别厚度的锗虚拟衬底。

优选地，所述步骤2中，对于(100)晶面的硅衬底，在温度500-600℃下进行表面处理。处理的时间为5-10分钟。

优选地，所述步骤2中，对于(111)晶面的硅衬底，在温度800-1000℃下进行表面处理。处理的时间为5-10分钟。

进一步地，所述步骤3中，硅缓冲层的生长厚度为20-50nm。硅缓冲层的生长温度为400-600℃。

进一步地，所述步骤4中，合适的生长温度为200℃。

本发明在硅衬底上直接外延生长锗虚拟衬底，提供了一种新型的锗虚拟衬底的制备手段，具有以下优势：

(1)通过本发明方法制备得到的锗虚拟衬底表面平整，单晶质量高，晶格可以完全弛豫，可以代替锗衬底，用于后续材料的生长。