Si基Ge材料在材料生長及探測器研制方面的主要進(jìn)展探討

蔡志猛　廈門華廈學(xué)院　361000

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Si基Ge材料在材料生長及探測器研制方面的主要進(jìn)展探討

蔡志猛廈門華廈學(xué)院361000

【文章摘要】

硅基硅鍺材料由于與成熟的硅微電子工藝兼容，加上優(yōu)越的性能,在硅基光電子器件如光電探測器、場效應(yīng)晶體管等方面得到了廣泛的應(yīng)用。III-Ⅴ族半導(dǎo)體材料在1.3~1.55μm具有較大的吸收系數(shù)，是理想的吸收區(qū)材料；然而，III-Ⅴ族半導(dǎo)體材料價(jià)格昂貴、導(dǎo)熱性能不好，機(jī)械性能較差，并且與現(xiàn)有成熟的硅基工藝兼容性差，限制了其在光電集成技術(shù)中的應(yīng)用。而SiGe材料與Si基微電子器件的制作工藝相兼容，應(yīng)變的外延Ge材料吸收波長擴(kuò)展到了1.6μm以上，因此研究Si基外延純Ge探測器引起人們極大興趣。本文綜述了硅基硅鍺材料在探測器研制及材料制備方面的主要進(jìn)展情況。

【關(guān)鍵詞】

Ge;光電探測器;外延

21世紀(jì)，隨著科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，數(shù)據(jù)的保存、信息的傳輸也將逐漸步入光子時(shí)代。Si是信息領(lǐng)域中最重要的半導(dǎo)體材料，在微電子領(lǐng)域已獲得了巨大的發(fā)展，然而由于它的間接帶隙特性限制了它在光電子領(lǐng)域的應(yīng)用，如何實(shí)現(xiàn)其與光電子器件的集成，即實(shí)現(xiàn)光電集成接收機(jī)芯片一直是人們追求的目標(biāo)。

1　Si基純Ge材料外延及其光電探測器發(fā)展

相對(duì)于SiGe材料來說Ge材料具有帶隙小、吸收系數(shù)大、遷移率高等優(yōu)點(diǎn)加上其與Si工藝兼容，被廣泛的應(yīng)用到Si基探測器的研制中。然而Ge與Si晶格失配達(dá)4.2%，Ge的臨界厚度只有幾個(gè)原子層，Ge材料的生長困難成為了Ge探測器發(fā)展的瓶頸。雖然采用Ge量子點(diǎn)作吸收區(qū)的探測器也被廣泛研制，但是有效吸收長度太小，量子效率很低。近年來，材料生長技術(shù)的進(jìn)步和設(shè)備的改進(jìn)，已經(jīng)能夠在Si基上生長出高質(zhì)量Ge層，Si基Ge探測器得以飛速發(fā)展。

1.1組份漸變SiGe弛豫襯底上生長Ge層

早在1984年，Luryi等利用分子束外延（MBE）首次在組份漸變的Si1-xGex緩沖層（組份x從0-1）上生長了1.25μm n+的Ge層，緊接著是2.0μm本征Ge層和p+Ge層（0.25um）。制成了PIN結(jié)構(gòu)Ge探測器。Ge層的位錯(cuò)密度為109cm-2，在1.45μm處量子效率達(dá)41%，暗電流密度為50mA/cm2。器件性能良好。Samavedam采用組份漸變緩沖層加上化學(xué)機(jī)械拋光（CMP），經(jīng)過二次外延，在10μm SiGe緩沖層上生長出高質(zhì)量的純Ge。在1.3μm處量子效率高達(dá)12.6%，暗電流密度只有0.15mA/cm2。

這種方法通過緩沖層Ge組份以10%/m的變化速率從0變到1，逐步釋放Ge與Si之間的應(yīng)力，把位錯(cuò)限制在緩沖層內(nèi)因此位錯(cuò)密度很低。然而緩沖層的厚度往往高達(dá)10m，不僅生長時(shí)間需要很長，而且熱導(dǎo)性變差，不利于集成。由于生長困難，很多年以來Ge材料的生長和探測器的制備都沒有取得太大的進(jìn)展。

1.2組份跳變Si1-xGex緩沖層再外延Ge層

用超高真空化學(xué)汽相淀積（UHV/CVD）技術(shù)生長低溫Ge層非常困難，生長溫度過低，Ge層長不上；溫度過高，Ge層表面起伏嚴(yán)重。為了降低緩沖層的厚度最近Luo等提出了兩層組份跳變Si1-xGex緩沖層的方法。采用兩層不同組份的Si1-xGex層作緩沖層，每生長完一層Si1-xGex層后進(jìn)行原位退火，最后再生長純Ge層。如圖1所示，他們?cè)赟i襯底上依次生長了0.8μm 的Si0.1Ge0.9、0.8μm 的Si0.05Ge0.95以及1μm的Ge層。通過調(diào)整兩層SiGe的組份和厚度，界面處的失配應(yīng)力能夠有效地阻止位錯(cuò)向上傳播，將大部分位錯(cuò)“俘獲”在界面處，從而降低了Ge層的位錯(cuò)密度。得到的Ge表面粗糙度為3.2nm，位錯(cuò)密度3.0×106cm-2。Huang等在此基礎(chǔ)上調(diào)整了兩層SiGe層的組份，把緩沖層的總厚度降低到了0.46μm，外延出1.7μm厚的Ge，Ge層的位錯(cuò)密度為7×106cm-2，表面粗糙度為4.7nm。如圖2所示，制得的探測器在0.1V偏壓下,1.3μm波長的響應(yīng)度在為0.62A/W，3dB帶寬達(dá)到了21.5GHz。

組份跳變的SiGe層作緩沖層，通過界面應(yīng)力限制了位錯(cuò)的傳播，大大降低了緩沖層的厚度，解決了組份漸變SiGe所遇到的生長周期長以及熱導(dǎo)性能差，不利于集成的缺點(diǎn)，是Si基外延純Ge材料的一次巨大發(fā)展。

圖1　組分跳變外延生長的材料TEM圖像

1.3低溫生長的柔性襯底上再外延比較厚的Ge層

近年來，Luan等報(bào)道了外延Ge的另一種方法——低溫-高溫兩步法。先在低溫350℃下生長30~50nm的Ge層作為緩沖層，弛豫晶格失配應(yīng)力，并獲得相對(duì)平整的表面。接著在600℃高溫下快速生長高質(zhì)量厚Ge層。此法得到的Ge外延材料，表面非常平整，粗糙度為1nm，但是位錯(cuò)密度比較高，需要進(jìn)一步的循環(huán)退火來降低Ge層的位錯(cuò)密度。如圖3給出了經(jīng)過和沒有經(jīng)過退火的樣品TEM圖像，從圖中可以看出經(jīng)過退火后的樣品位錯(cuò)密度明顯下降。Liu等用此方法生長了2.35μmGe層，制備的光電探測器的暗電流密度在1V偏壓下低于10mA/cm2，零偏壓下1.55μm處的響應(yīng)度為520mA/W。

圖3　Ge層TEM圖片(a)為未經(jīng)過退火樣品(b)為經(jīng)過循環(huán)退火后的樣品

Nakatsuru和Loh等提出了改進(jìn)的低溫高溫兩步法：生長低溫Ge之前，生長一層超薄低溫SiGe緩沖層（Ge組份0.2~0.5，SiGe層厚度5~30nm）。利用低溫SiGe層來吸收部分應(yīng)力，提供Ge原子的成核區(qū)，壓制位錯(cuò)。得到的Ge層表面平坦，即使沒有對(duì)樣品進(jìn)行退火處理，也得到較低的位錯(cuò)密度（6×106cm-2），實(shí)驗(yàn)制得的探測器在-1V偏壓下暗電流密度僅為1.5-2mA/cm2，3dB帶寬超過15GHz 。

1.4熱應(yīng)力增強(qiáng)Ge吸收

MIT Yasuhiko Ishikawa小組發(fā)現(xiàn)直接生長在Si上的Ge帶隙縮小，光吸收增強(qiáng)的現(xiàn)象，他們認(rèn)為是Si和Ge熱膨脹系數(shù)不同引起的。Ge的熱膨脹系數(shù)比Si大，高溫生長的弛豫Ge層，冷卻到室溫時(shí)受到張應(yīng)力，應(yīng)力的大小為：

圖4　直接帶隙與應(yīng)力的關(guān)系

熱失配引入了0.2%張應(yīng)力，使Ge的直接帶隙從0.8eV縮小到0.77eV，增大了Ge的吸收系數(shù)，擴(kuò)展了吸收波長，使Si基Ge探測器對(duì)C帶和L帶的探測成為可能。Liu利用這種特性制成高性能的Si基p-i-n Ge探測器，探測波長覆蓋了整個(gè)C帶和大部分L帶。本征吸收區(qū)Ge厚度為2.4μm，熱膨脹失配引入的張應(yīng)力為0.2%。偏壓為-1V時(shí)，在0.85、0.98、1.31、1.55和1.605μm波長處的響應(yīng)度分別可達(dá)0.55、0.68、0.87、0.56 和0.11A/W。適用于光互連和光通信，并且驅(qū)動(dòng)電壓低，可以滿足Si超大規(guī)模集成電路（ULSI）低工作電壓的要求。

2　總結(jié)

目前，隨著光纖通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，人們對(duì)紅外探測器速率也要求越來越高，SiGe材料以其易與硅基光回路集成，低成本等優(yōu)勢(shì)，長期以來受到人們的關(guān)注，盡管目前還沒見有商用產(chǎn)品面世，但是相信隨著技術(shù)的進(jìn)步在不久的將來必將有質(zhì)的飛躍。

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圖5　張應(yīng)力0.2%的Ge和體Ge的吸收系數(shù)

圖2　Si基外延Ge探測器結(jié)構(gòu)示意圖

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