[发明专利]低穿透位错密度锗锡渐变缓冲层的制备方法

说明书

本发明具体公开了低穿透位错密度锗锡渐变缓冲层的制备方法，所述方法包括：将硅衬底送入MBE腔中去除表面的氧化层；在去除表面氧化层的硅衬底上生长一层低温N型掺杂锗缓冲层；在低温N型掺杂锗缓冲层上进行中温无掺杂锗外延生长，形成中温无掺杂锗缓冲层，完成后在MBE腔内进行循环退火；在经过循环退火的中温无掺杂锗缓冲层上进行高温无掺杂锗外延生长，形成高温无掺杂锗缓冲层；在高温无掺杂锗缓冲层上进行多个不同锡组分的锗锡合金外延生长，并分别进行恒温退火，形成渐变锡组分的锗锡合金缓冲层。该方法可有效降低锗锡缓冲层的穿透位错密度并提升晶体质量，为后续外延高组分锗锡合金有源区打下坚实的基础。

技术领域

本发明涉及半导体外延技术领域，具体涉及低穿透位错密度锗锡渐变缓冲层的制备方法。

背景技术

目前制约硅基光子集成电路进一步发展的瓶颈是缺少合适的片上光源。公认的IV族激光是硅基光子集成电路理想化的片上光源，包括硅/锗激光。由于硅/锗材料是间接带隙半导体材料，发光效率低，现有的IV族激光例如硅拉曼激光，应变N型掺杂锗激光等都不具备实际用途，如何实现电泵浦高工温低阈值的IV族激光仍是一个悬而未决的科研难题。近期有研究显示在锗里掺杂一定比例的锡能形成锗锡合金且此种材料具有直接带隙，锗锡合金也被视为目前最有希望实现实用的IV族激光的有源区材料。由于锗锡合金与硅的晶格系数相差较大，在硅衬底上异质外延锗锡合金则不可避免的产生高密度的穿透位错，这些穿透位错会形成大量的载流子非辐射复合中心，并蔓延至硅基光源的有源层从而大幅度地减少器件发光效率和寿命。除此之外，由于高锡组分的锗锡合金晶格常数较大，通常直接在锗缓冲层上外延生长高锡组分的锗锡合金存在应力无法完全弛豫的情况，多余的应力会改变锗锡的组分以及带隙结构，进一步得降低锗锡有源区的发光性能。另外，IV族激光需要锗锡合金有源区拥有尽可能高的锡组分来提高发光性能，因此低穿透位错密度，拥有高锡组分的锗锡缓冲层是实现使用IV族激光必不可或缺的关键一环。

在此背景下，在高质量锗/硅虚拟沉底上外延生长渐变组分锗锡缓冲层能实现锗锡缓冲层应力的完全释放并有效降低穿透位错密度，为后续外延高组分锗锡合金有源区打下坚实的基础。此项成果对后续高性能IV族激光器的研发以及硅基光子集成电路的发展都具有重大的意义。

发明内容

本发明的目的在于，设计一种针对不同组分的锗锡缓冲层的多步热退火技术来提升锗锡合金晶体质量，具体为使用分子束外延生长(MBE,MolecularBeamEpitaxy)设备在锗/硅虚拟衬底上通过多步热退火技术来制备低穿透位错密度锗锡渐变缓冲层，在抑制锡分离的同时促进穿透位错在锗锡缓冲层里的自我湮灭，大幅度提升锗锡的晶体质量。

为解决上述技术问题，本发明提供低穿透位错密度锗锡渐变缓冲层的制备方法，方法包括：

S1、将硅衬底送入MBE腔中，并利用MBE腔内高温以去除硅衬底表面的氧化层；

S2、在去除表面氧化层的硅衬底上生长一层低温N型掺杂锗缓冲层；

S3、在低温N型掺杂锗缓冲层上进行中温无掺杂锗外延生长，形成中温无掺杂锗缓冲层，完成后在MBE腔内进行循环退火；

S4、在经过循环退火的中温无掺杂锗缓冲层上进行高温无掺杂锗外延生长，形成高温无掺杂锗缓冲层；

S5、在高温无掺杂锗缓冲层上进行多个不同锡组分的锗锡合金外延生长，并分别进行恒温退火，形成渐变锡组分的锗锡合金缓冲层。

优选地，S1具体实现方式为：将硅衬底送入温度为1000-1100℃之间的MBE腔内并保持20-40min，进而去除硅衬底表面的氧化层。

优选地，S2具体实现方式为：将MBE腔内温度降至200-250℃之间并保持，在去除表面氧化层的硅衬底上生长一层厚度为50nm的低温N型掺杂锗缓冲层，生长速率为0.5埃每秒。

优选地，S3具体实现方式包括：