[发明专利]一种锗-硅基砷化镓材料及其制备方法和应用

说明书

本发明提供一种锗‑硅基砷化镓材料及其制备方法和应用，所述锗‑硅基砷化镓材料包括表面具有周期性凹槽结构的硅衬底、附着在所述硅衬底表面的锗中间层、以及附着在所述锗中间层表面的砷化镓层。本发明利用锗(113)晶面对砷化镓反相畴的抑制作用以及锗与砷化镓晶格匹配的特点消除硅与砷化镓由于晶格失配所产生的应力，从而在III‑V族分子束外延设备上实现高质量单晶且超薄的砷化镓在硅(100)衬底上的外延生长。

技术领域

本发明涉及一种锗-硅基砷化镓材料及其制备方法和应用。

背景技术

随着摩尔定律的失效，微电子芯片的发展面临了前所未有的困难。Intel近期的报告表明，谷歌数据中心的数据量已经超过5Zetabyte(2⁷⁰字节)，脸书(Facebook)的数据中心投资也已超过10亿美金。因此通过硅光电子集成芯片大幅提高数据传输带宽已迫在眉睫。随着数据中心的光传输速率由100G并入400G时代，III-V族有源光电器件和硅基光电子器件的混合集成从而变得势在必行。并且，未来芯片互联对硅基片上光源的需求显得极为迫切。

硅基光电集成目前的最大难点为“缺少硅基高性能、可集成片上光源”，但硅和锗是间接带隙材料，不适合用于光源制备。因此硅基III-V族InAs/GaAs量子点激光器是解决硅基光源的最有效途径。

现有技术中采用硅和III-V族材料的直接键合：通过对III-V族和硅晶片进行清洗和化学处理，实现低粗糙度的表面。从而在高温下实现两个异质晶圆的直接键合。还有报道GaAs在硅(100)斜切衬底上的直接外延生长：利用硅小角度斜切衬底，实现反相畴在界面出的自湮灭效果，从而抑制反相畴向表面的衍生。另一方面通过InGaAs/GaAs量子阱位错过滤层技术所产生的应力场将晶格适配导致的位错限制在GaAs缓冲层内。

然而，硅基III-V族材料生长的最大问题为：由硅和砷化镓之间极性和非极性键差异产生反相畴，从而导致硅基砷化镓的生长具有大量位错和缺陷。

关于现有的硅基砷化镓材料，存在的问题主要包括：

1.III-V族材料和硅直接键合技术存在着以下几个问题：

(1)导热性较差；

(2)键合良品率不高；

(3)III-V族晶圆和硅晶圆尺寸不匹配(III-V族：2-6寸；硅：8-12寸)。

2.在硅基上生长III-V族材料存在着反向畴、晶格失配和热膨胀系数差异等一系列问题，具体主要包括以下几个问题：

(1)硅小角度斜切衬底需特殊制备，且与CMOS工艺不兼容，属于非常规衬底；

(2)热膨胀系数差异和晶格失配导致大量热裂缝和高密度位错；

(3)生长结构极为复杂(需要位错过滤层等技术抑制穿透位错的延生)，且需要2μm以上厚度的砷化镓。

发明内容

因此，本发明的目的是克服现有技术中存在的问题，实现超薄无反相畴砷化镓在锗-硅基衬底上的外延生长，提供一种高质量锗-硅基砷化镓材料及其制备方法和应用。

本发明提供了一种锗-硅基砷化镓材料，其包括表面具有周期性凹槽结构的硅衬底、附着在所述硅衬底表面的锗中间层、以及附着在所述锗中间层表面的砷化镓层。

根据本发明提供的锗-硅基砷化镓材料，其中，所述表面具有周期性凹槽结构的硅衬底为硅(100)晶面。

根据本发明提供的锗-硅基砷化镓材料，其中，所述凹槽结构的周期可以为100～800nm，优选为200～500nm；凹槽的深度可以为200～1000nm，优选为400～600nm。