[发明专利]基于GeSiC选择外延的直接带隙改性Ge材料及其制备方法

说明书

本发明涉及一种基于GeSiC选择外延的直接带隙改性Ge材料及其制备方法。该制备方法包括：选取Si衬底；生长第一Ge层；生长第二Ge层；利用刻蚀工艺对第二Ge层进行刻蚀形成位于中间位置的多个Ge台阶；在第二Ge层表面淀积Si₃N₄材料，选择性刻蚀Si₃N₄材料，保留多个Ge台阶的Si₃N₄材料形成Si₃N₄阻挡层；在第二Ge层表面利用化学气相淀积法生长Ge_0.73Si_0.24C_0.03合金材料；去除Si₃N₄阻挡层，以形成直接带隙改性Ge材料。本发明提供了一种Ge_1‑x‑ySi_xC_y选择外延致Ge直接带隙半导体的实现方法，由于Ge的晶格常数大于Ge_1‑x‑ySi_xC_y的晶格常数，因此利用晶格失配致应力原理，在刻蚀出的Ge四周选择性外延Ge_1‑x‑ySi_xC_y，将对中心区域Ge半导体引入双轴张应力。

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GeSiC选择外延的直接带隙改性Ge材料及其制备方法。

背景技术

光电集成是将光学元件和电子器件(集成电路)集成在一起，以期同时实现信息的传输和处理。从集成形式来讲，光电集成可以分为混合集成和单片集成。其中，成本低，产量高且器件性能稳定和可靠的单片集成方式备受瞩目，而高度成熟的硅基半导体加工工艺和集成电路系统为硅基单片光电集成的发展提供了便利条件。

硅材料具有间接带隙半导体的特点，其发光效率很低，因此关键在于寻找方法来突破硅低辐射复合速率的限制，进行技术创新，发展新型的工艺技术和半导体材料，进一步提高单片光电集成的性能，以适应信息化高速发展的需求。近年来，具有拉伸应变的锗的发现使硅基光电集成方向的研究有了很大的进展。

Ge为间接带隙半导体，改性可致其转变为直接带隙半导体。改性情况下Ge载流子迁移率显著高于Si载流子迁移率，应用于电子器件，工作速度高、频率特性好；应用于光子器件，转换效率高，发光效率可与Ⅲ-Ⅴ族半导体相当。同时，直接带隙改性Ge涉及光电集成的各重要元件(光源、光调制器、光探测器、电子器件)甚至均可在同一有源层集成于同一芯片上，为高速器件与电路提供了又一新的技术发展途径。因此，有关直接带隙改性Ge的相关研究已成为了当前国内外研究的热点和重点。特别地，如何制备和实现直接带隙改性Ge材料备受关注。

为了实现直接带隙Ge，需要首先从理论原理上给出Ge发生带隙转化的条件。请参见图1，图1为理论分析中晶向(001)的双轴张/压应变Ge导带各能级随应力变化关系图，依据广义胡克定律和形变势原理，在双轴张应力达到约2.4GPa时，由于Γ谷的收缩速率比L谷快，两者的能量差会相继减小直到Ge变成直接带隙半导体材料。根据应力与应变关系，当应力为2.4GPa时，相对应变张量约为1.7％～2.0％。

然而，单纯施加应力作用时所需强度过大，目前常见外延技术工艺很难实现2.4GPa的双轴应力，工艺实现难度大。如Si衬底上先外延Ge，退火过程中再利用Si与Ge不同的热膨胀系数，可使Ge外延层获得0.3％的拉伸应变，但仍无法使Ge转化为直接带隙半导体材料，还需配合重掺杂才仅实现准直接带隙Ge。

因此，解决直接带隙改性Ge材料制备技术，已成为本领域亟待突破的技术问题。

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GeSiC选择外延的直接带隙改性Ge材料及其制备方法。

具体地，本发明一个实施例提出的一种基于GeSiC选择外延的直接带隙改性Ge材料的制备方法，包括：