[发明专利]一种直接带隙Ge薄膜的制备方法及层叠结构

说明书

技术领域

本发明涉及硅基光电集成领域，特别是涉及一种直接带隙Ge薄膜的制备方法及层叠结构。

背景技术

随着信息产业的发展，信息数据将海量增加，对信息计算、传输等技术在今后的发展也提出了更高的要求和挑战。其主要的解决途径之一就是将现有成熟的微电子和光电子结合，实现硅基光电集成，这将成为信息产业发展的重要方向之一。近十年来，由于重大的工业意义，硅基光电集成关键材料和器件的研究引起了国际科学界(如美国MIT、哈佛大学)和工业界(如Intel，ST)的严重关注，仅Intel公司对硅基光电子的研发就投入数十亿美元巨资。一旦突破，不仅可以实现芯片光互连、光电集成以及将来的光计算，而且在光通讯、光显示等领域具有重大的潜在应用前景，对我国的信息产业的发展具有重大意义。

光子集成回路(Photon Integrated Circuit，PIC)和光电子集成回路(Optic Electronics Integrated Circuit，OEIC)不仅可以在大容量、高保密的光纤通信中应用，而且能在光学遥感、传感，光互联、光计算、光数据存储及光电显示等领域发挥重要作用。因而，硅基光电集成技术近年来发展迅速，具有优异性能的材料是这一发展的主要推动力。

诚如业内所知的，当Ge薄膜中张应变大于1.4％，由间接带隙材料变成了直接带隙材料，可以用来做激光发射器，同时由于Ge与Si可以有效的集成，从而提高了一种低成本的实现片上光电集成的途径。

为了得到具有直接带隙的Ge薄膜，人们从不同途径进行了探索，例如利用Ge和Si的热膨胀系数的差异直接在Si上外延可以得到张应变的Ge薄膜，但应变只有0.3％左右；再例如，利用III-V族组分递增的缓冲层做虚拟衬底，可以得到较大应变的Ge薄膜，但是，由于III-V外延需要用生长速度慢的MBE(分子束外延)或MOCVD(金属有机化合物化学气相沉积)，而且组分递增的缓冲层一般厚度较大，增加了成本。

因而，如何提供一种直接带隙Ge薄膜所需的低厚度、低位错密度虚拟衬底的制备技术，实已成为本领域从业者亟待解决的问题。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种直接带隙Ge薄膜的制备方法及层叠结构，以制备出所需的低厚度、低位错密度虚拟衬底。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种直接带隙Ge薄膜的制备方法，至少包括以下步骤：1)提供一GaAs衬底，在所述GaAs衬底上分别外延出In_xGa_1-xAs层和Ge层，所述In_xGa_1-xAs层中In组分x为0.223＜x≤1，并使所述In_xGa_1-xAs层的厚度不超过其生长在所述GaAs衬底上的临界厚度，使所述Ge层的厚度不超过其生长在所述In_xGa_1-xAs层上的临界厚度，以制备出Ge薄膜的样品；2)对所述样品进行氦离子或氢离子注入，并使氦离子或氢离子的峰值分布在所述In_xGa_1-xAs层与GaAs衬底相结合的界面下10nm～1000nm，然后对所述样品进行快速热退火，退火后得到弛豫的In_xGa_1-xAs层和张应变Ge薄膜；3)测量所述In_xGa_1-xAs层的弛豫度，依据所述弛豫度得出In_yGa_1-yAs中In组分y，并在所述Ge层上外延出In_yGa_1-yAs层，以进一步减少所述样品中的缺陷密度，然后在所述In_yGa_1-yAs层上再外延出一顶层Ge薄膜，并使所述顶层Ge薄膜的厚度不超过其生长在所述In_yGa_1-yAs层上的临界厚度，以制备出直接带隙Ge薄膜。

在本发明直接带隙Ge薄膜的制备方法的步骤1)中，系通过分子束外延工艺或金属有机化合物化学气相沉淀工艺在所述GaAs衬底上分别外延出In_xGa_1-xAs层和Ge层；所述In_xGa_1-xAs层厚度小于100nm。