Si基Ge材料的外延生长、原位掺杂及其光电性质

摘要

硅基锗材料因其优异的光电性能，广泛应用于硅基光电集成和微电子等领域。硅基锗材料的生长及其相关器件的研制引起人们浓厚的兴趣。由于锗与硅的晶格失配度较大，在硅衬底上生长高质量锗材料仍然是一个挑战性的课题，需要引入缓冲层技术。而保持较好晶体质量下，提高原位掺杂锗材料中的掺杂浓度也是器件应用中亟待解决的课题。本论文采用低温缓冲层技术在UHV/CVD系统中生长出高质量硅基锗材料，较系统地研究了Ge的原位掺杂技术，并在此基础上研制出硅基Ge PN结和PIN结构。主要工作和研究成果如下:
　　 1、提出采用低温相干Ge岛缓冲层并结合SiGe/Ge超晶格插层的方法，在Si衬底上外延生长高质量Ge材料。研究了低温Ge缓冲层和SiGe/Ge超晶格插层在降低Ge材料位错密度和提高表面平整度等方面的作用机理。在硅衬底上制备出880 nm的厚Ge外延层，其表面无Cross-hatch形貌，表面粗糙度仅为0.72 nm，X射线衍射峰的峰形对称且峰值半高宽为273 arc sec，化学腐蚀位错坑法测试位错密度为1.49×106cm-2。
　　 2、提出了Ge中硼(B)和磷(P)原位掺杂的表面动力学模型，较好地解释了实验中生长速率和掺杂浓度的变化规律。在630℃的生长温度下，以B2H6和PH3为源气体，探索了掺杂源气体流量对Ge生长速率、样品表面形貌及掺杂浓度的影响。结果表明在掺杂时样品的生长速率变小，掺杂浓度随源气体流量增加而增加，表面粗糙度有所增加。当生长温度降低到500℃时，Si基N型Ge材料的原位掺杂浓度可以提高到6.67×1018cm-3。通过对样品的测试分析，结果表明在锗的原位掺杂中存在提高掺杂浓度和保持较好晶体质量的矛盾。通过PL谱和XRD谱的表征，研究了700℃下不同退火时间对原位P掺杂Si基Ge材料性质的影响，结果表明退火能改善材料晶体质量，但是，P的扩散却降低了材料的掺杂浓度。
　　 3、在Si基n-Ge材料上溅射60nm的Ni，通过快速热退火测试其热稳定性。结果表明，低阻NiGe在300℃开始生成，到700℃表面NiGe才开始发生团聚现象。SEM和XRD测试很好地分析了方块电阻随退火温度的变化机理。并通过线性传输线方法对其欧姆接触的比接触电阻率进行测量，其中Ni与掺杂浓度为6.61×1018cm-3的n-Ge的欧姆接触获得了较低的比接触电阻率。
　　 4、优化材料和器件制备工艺，制作了Si基Ge PN结和SOI基Ge PIN结构。优化后的Ge PN结在-1V偏压下器件的漏电流密度为59mA/cm2，+1 V偏压下PN结的正向电流密度为1.09A/cm2，整流比为1.84×102。结果发现退火对Ge PIN结构的漏电流的减小和电致发光的强度都有改善作用。电致发光谱表明10mA时PIN结构就开始发光，而且随着注入电流增大发光强度增强，发光峰位发生红移。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景和意义

1．2 Si基Ge外延生长的研究进展与存在的问题

1．3 Si基Ge材料的器件应用与存在的问题

1．4 本论文主要工作和结构安排

参考文献

第二章 Si基Ge材料的外延生长

2．1 材料生长系统及表征方法

2．2 高质量Si基Ge材料的制备

2．2．1 低温Ge缓冲层设计思想

2．2．2 低温相干Ge岛缓冲层的优化

2．2．3 SiGe/Ge超晶格插层改善Si基Ge材料质量

2．3 本章小结

参考文献

第三章 Si基Ge材料的原位掺杂

3．1 Si基Ge原位掺杂硼(B)和磷(P)的理论模型

3．2 Si基Ge材料中硼(B)和磷(P)的原位掺杂

3．2．1 630℃时Si基Ge材料中硼(B)和磷(P)的原位掺杂

3．2．2 500℃时Si基Ge材料中磷(P)的原位掺杂

3．3 退火对原位P掺杂Ge材料的影响

3．4 本章小结

参考文献

第四章 Ni与Si基n-Ge接触的热稳定性与电学特性

4．1 Ni/n-Ge接触的热稳定性

4．1．1 Ni/n-Ge样品的制备

4．1．2 结果和讨论

4．2 Ni/n-Ge接触的电学特性

4．2．1 比接触电阻的定义及其测量

4．2．2 Ni/n-Ge的比接触电阻测量及分析

4．3 本章小结

参考文献

第五章 Si基Ge刚结和SOI基PIN结构

5．1 Si基原位掺杂Ge PN结的制作

5．2 Si基Ge PN结的I-V特性和C-V特性

5．3 SOI基Ge PIN结构的研制与电致发光谱

5．4 本章小结

参考文献

第六章 总结与展望

附录 博士期间科研成果

致谢