SiGe/Si异质结器件用材料的MBE生长

摘要

SiGe/Si异质结器件以其与现有半导体集成电路工艺良好的兼容性，优异的电学和光电子学性能，在研制高速器件和新型光电子器件领域起到了越来越重要的作用。而分子束外延是一种常用的重要的生长SiGe／Si异质结构的技术。它使我们能够得到界面清晰，组分准确可调，杂质分布和浓度易于控制的良好异质结。 本论文讨论了以下几部分的内容： 1．分子束外延生长需要高度清洁的表面，它不能为杂质玷污(尤其是不能为C玷污)，亦不能为氧化物所覆盖。因此在进行生长前需要进行化学清洗。般使用的化学清洗方法是Shiraki的清沈方法和RCA法。我们对这些方法进行了改进，并用于器件制备。使用改进的清洗方法我们成功制作了n-SiGe／p-sjpn结。测量显示，此pn结的击穿电压高(超过15V)，漏电流小(1μA)。 2．近年来的实验与理论都表明，承受有张应变的Si材料，其载流子有很高的迁移率，在研制高速Si器件上有重要的应用。生长应变Si材料的方法之一，是在Si衬底上先生长一层高应变驰豫低位错密度的SiGe合金薄膜，然后在它上面生长Si。山于SiGe合金的晶格较Si大，因此Si薄膜中就承受有较大的张应变。在这一技术中，关键是生长出结晶良好且高应变驰豫低位错密度的SiGe合金薄膜，同时Ge组分要尽可能的高以期与Si具仃较高品格常数失配而提高Si中的张应变。我们采用Ge组分逐级增大的方法，结合局域外延技术，在Si(001)衬底上由Si3N4掩膜定义的3X3微米窗口中，成功地生长出了高应变驰豫低失配位错密度的Si0.45Ge0.55材料。Raman散射测量表明，其应变驰豫高达90％以上。而使用Schimmel腐蚀液进行化学腐蚀，未见有失配位错线和线位错腐蚀坑。我们认为，这种SiGe薄膜可以成为生长应变Si薄膜的良好的缓冲层材料。这一结果，作者尚未见有类似的报道。 3．Ge量子点捌有与体Ge材料不同的物理性质，有着广阔的应用前景。川于制作器件的Ge量子点要求密度高，均匀性好。我们的实验结果显示，生长温度为470℃时制备的小尺寸量子点满足高密度良好均匀性的要求。对该温度下生长的四层量子点样品在室温测量FTIR，在2．2～2．5μm处观察到量子点的红外吸收。此外，我们还研究了在Si3N4薄膜上刻蚀出的窗LJ内生长量子点的情况。实验中发现，在这种图形衬底上生长的量子点相对于普通衬底片上同条件生长的量子点，尺寸变大且密度提高了一个数量级，而均匀性变化不大。本文对这种现象进行了研究和讨论。 4．SiGe／Si异质结内光电子发射红外探测器(简称SiGe／SiHIP探测器)是一种重要的硅基红外探测器。通过存p-Si衬底上生长重掺杂的应变p＋－SiGe层构成异质结构来实现对红外线的探测。本实验室研制了2X22SiGe／SiHIP探测器阵列，我们测试了它的电学和光电子学特性。该探测器阵列工作在3－5μm波段，1000K黑体的电压响应率Rv=１．9×105Ｖ／Ｗ。尤其出色的是该阵列的响应率均匀性达到了千分之一的水平。

目录

文摘

英文文摘

第一章引言

第二章硅锗分子束外延系统简介及Si衬底处理技术

第三章高应变驰豫低位错密度硅锗合金的局域生长

第四章Si(001)衬底上Ge量子点的低温生长及红外吸收特性研究

第五章高均匀性Si1-xGex/Si异质结内光电子发射红外线探测器阵列研究

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