[发明专利]硅基IV族合金材料及其外延方法

说明书

一种硅基IV族合金材料及其外延方法，该外延方法包括以下步骤：步骤1：将衬底送入高真空的生长腔室，进行脱氢脱氧处理；步骤2：调节衬底温度；步骤3：在衬底上至少共同沉积Ge、Sn和Pb原子，完成材料外延。本发明的锗锡铅合金材料可实现直接带隙，并且与硅基CMOS工艺兼容；制备的锗锡铅合金材料晶体质量良好，相比同组分的锗锡或锗铅材料具有更窄的带隙；为硅基发光和探测器件的制作提供一种新型材料，在望在硅基光电子领域发挥重大的作用。

技术领域

本发明属于硅基光电材料技术领域，主要涉及一种硅基IV族合金材料及其外延方法。

背景技术

实现硅基光电集成，是解决传统电互联功耗、时延、I/O等问题的重要手段。寻找一种与硅兼容的直接带隙半导体材料，实现硅基高效光源具有重大的意义及应用价值。目前，可实现硅基兼容的光电材料主要是IV族材料，而其中锗锡、锗铅合金可通过调节Sn和Pb的组分实现直接带隙的转变。

研究表明，锗锡转变为直接带隙所需要的Sn组分要大于8％，而锗铅则需要约3.4％的Pb。在锗锡和锗铅的外延中，需要克服以下难点：1)Sn或Pb与Ge具有较大的晶格失配；2)Sn或Pb在Ge中较低的平衡固溶度；3)Sn或Pb具有较低的表面自由能，容易形成表面分凝和偏析现象。因此，难以外延高组分且高质量的锗锡、锗铅合金，无法满足高效硅基发光器件制作的需求。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种硅基IV族合金材料及其外延方法，以期至少部分地解决上述技术问题中的至少之一。

为了实现上述目的，本发明提供了一种硅基IV族合金材料的外延方法，包括以下步骤：

步骤1：将衬底送入高真空的生长腔室，进行脱氢脱氧处理；

步骤2：调节衬底温度；

步骤3：在衬底上至少共同沉积Ge、Sn和Pb原子，完成材料外延。

其中，步骤1之前还包括清洗的步骤；

所述清洗步骤的最后一步用稀释的氢氟酸进行表面处理，实现表面氢钝化。

其中，步骤1中所述脱氢脱氧的温度在500℃-1100℃之间，时间为5-25min。

其中，步骤2中所述衬底温度为120℃-350℃。

其中，步骤2中所述衬底为硅衬底、锗衬底或硅上的锗虚衬底。

其中，步骤2中的所述衬底晶向为(100)、(110)或(111)。

其中，步骤3中，采用物理气相沉积或化学气相沉积的方法在衬底上共同沉积Ge、Sn、Pb原子。

一种根据如上所述的外延方法制备得到的硅基IV族合金材料。

其中，通过调控步骤4中在衬底上共同沉积的Ge、Sn、Pb原子的组分来实现调节带隙的目的，所述带隙的调节范围为0-0.66eV。

其中，所述硅基IV族合金材料为直接带隙材料。

基于上述技术方案可知，本发明的硅基IV族合金材料及其外延方法相对于现有技术至少具有如下有益效果之一：

(1)锗锡铅合金材料可实现直接带隙，并且与硅基CMOS工艺兼容；

(2)制备的锗锡铅合金材料晶体质量良好，相比同组分的锗锡或锗铅材料具有更窄的带隙；

(3)为硅基发光和探测器件的制作提供一种新型材料，在望在硅基光电子领域发挥重大的作用。

附图说明

图1为本发明中锗锡铅能带转变示意图；