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Si 基Ge 材料在材料生长及探测器研制方面的主要进展探讨

浏览131次时间：2016年6月01日 17:28

蔡志猛厦门华厦学院 361000

【文章摘要】

　　硅基硅锗材料由于与成熟的硅微电子工艺兼容，加上优越的性能, 在硅基光电子器件如光电探测器、场效应晶体管等方面得到了广泛的应用。III-Ⅴ族半导体材料在1.3~1.55μm 具有较大的吸收系数，是理想的吸收区材料；然而，III-Ⅴ族半导体材料价格昂贵、导热性能不好，机械性能较差，并且与现有成熟的硅基工艺兼容性差，限制了其在光电集成技术中的应用。而SiGe 材料与Si 基微电子器件的制作工艺相兼容，应变的外延Ge 材料吸收波长扩展到了1.6μm 以上，因此研究Si 基外延纯Ge 探测器引起人们极大兴趣。本文综述了硅基硅锗材料在探测器研制及材料制备方面的主要进展情况。

【关键词】

Ge; 光电探测器; 外延

21 世纪，随着科学技术的高速发展，数据的保存、信息的传输也将逐渐步入光子时代。Si 是信息领域中最重要的半导体材料，在微电子领域已获得了巨大的发展，然而由于它的间接带隙特性限制了它在光电子领域的应用，如何实现其与光电子器件的集成，即实现光电集成接收机芯片一直是人们追求的目标。

1 Si 基纯Ge 材料外延及其光电探测器发展

相对于SiGe 材料来说Ge 材料具有带隙小、吸收系数大、迁移率高等优点加上其与Si 工艺兼容，被广泛的应用到Si 基探测器的研制中。然而Ge 与Si 晶格失配达4.2%， Ge 的临界厚度只有几个原子层， Ge 材料的生长困难成为了Ge 探测器发展的瓶颈。虽然采用Ge 量子点作吸收区的探测器也被广泛研制，但是有效吸收长度太小，量子效率很低。近年来，材料生长技术的进步和设备的改进，已经能够在Si 基上生长出高质量Ge 层， Si 基Ge 探测器得以飞速发展。

1.1 组份渐变SiGe 弛豫衬底上生长Ge 层

早在1984 年， Luryi 等利用分子束外延（MBE）首次在组份渐变的Si1-xGex 缓冲层（组份x 从0-1）上生长了1.25μm n+ 的Ge 层，紧接着是2.0μm 本征Ge 层和p+ Ge 层（0.25um）。制成了PIN 结构Ge 探测器。Ge 层的位错密度为109cm-2，在1.45μm 处量子效率达41%，暗电流密度为50mA/cm2。器件性能良好。Samavedam 采用组份渐变缓冲层加上化学机械抛光（CMP），经过二次外延，在10μm SiGe 缓冲层上生长出高质量的纯Ge。在1.3μm 处量子效率高达12.6%，暗电流密度只有0.15mA/cm2。

这种方法通过缓冲层Ge 组份以10%/m 的变化速率从0 变到1，逐步释放Ge 与Si 之间的应力，把位错限制在缓冲层内因此位错密度很低。然而缓冲层的厚度往往高达10m，不仅生长时间需要很长，而且热导性变差，不利于集成。由于生长困难，很多年以来Ge 材料的生长和探测器的制备都没有取得太大的进展。

1.2 组份跳变Si1-xGex 缓冲层再外延Ge 层

用超高真空化学汽相淀积（UHV/CVD）技术生长低温Ge 层非常困难，生长温度过低， Ge 层长不上；温度过高， Ge 层表面起伏严重。为了降低缓冲层的厚度最近Luo 等提出了两层组份跳变Si1-xGex 缓冲层的方法。采用两层不同组份的Si1-xGex 层作缓冲层，每生长完一层Si1-xGex 层后进行原位退火，最后再生长纯Ge 层。如图1 所示，他们在Si 衬底上依次生长了0.8μm 的Si0.1Ge0.9、0.8μm 的Si0.05Ge0.95 以及1μm 的Ge 层。通过调整两层SiGe 的组份和厚度，界面处的失配应力能够有效地阻止位错向上传播，将大部分位错 “俘获”在界面处，从而降低了Ge 层的位错密度。得到的Ge 表面粗糙度为3.2nm，位错密度3.0×106cm-2。Huang 等在此基础上调整了两层SiGe 层的组份，把缓冲层的总厚度降低到了0.46μm，外延出1.7μm 厚的Ge， Ge 层的位错密度为7×106cm-2，表面粗糙度为4.7nm。如图2 所示，制得的探测器在0.1V 偏压下,1.3μm 波长的响应度在为0.62A/W， 3dB 带宽达到了21.5GHz。

组份跳变的SiGe 层作缓冲层，通过界面应力限制了位错的传播，大大降低了缓冲层的厚度，解决了组份渐变SiGe 所遇到的生长周期长以及热导性能差，不利于集成的缺点，是Si 基外延纯Ge 材料的一次巨大发展。

图1 组分跳变外延生长的材料TEM 图像

1.3 低温生长的柔性衬底上再外延比较厚的Ge 层

近年来， Luan 等报道了外延Ge 的另一种方法——低温- 高温两步法。先在低温350℃下生长30~50nm 的Ge 层作为缓冲层，弛豫晶格失配应力，并获得相对平整的表面。接着在600℃高温下快速生长高质量厚Ge 层。此法得到的Ge 外延材料，表面非常平整，粗糙度为1nm，但是位错密度比较高，需要进一步的循环退火来降低Ge 层的位错密度。如图3 给出了经过和没有经过退火的样品TEM 图像，从图中可以看出经过退火后的样品位错密度明显下降。Liu 等用此方法生长了2.35μmGe 层，制备的光电探测器的暗电流密度在1V 偏压下低于10mA/cm2，零偏压下1.55μm 处的响应度为520mA/W。

图3 Ge 层TEM 图片(a) 为未经过退火样品(b) 为经过循环退火后的样品

Nakatsuru 和Loh 等提出了改进的低温高温两步法：生长低温Ge 之前，生长一层超薄低温SiGe 缓冲层（Ge 组份0.2~0.5， SiGe 层厚度5~30nm）。利用低温SiGe 层来吸收部分应力，提供Ge原子的成核区，压制位错。得到的Ge 层表面平坦，即使没有对样品进行退火处理，也得到较低的位错密度（6×106cm- 2），实验制得的探测器在-1V 偏压下暗电流密度仅为1.5-2mA/cm2， 3dB 带宽超过15GHz 。

1.4 热应力增强Ge 吸收

MIT Yasuhiko Ishikawa 小组发现直接生长在Si 上的Ge 带隙缩小，光吸收增强的现象，他们认为是Si 和Ge 热膨胀系数不同引起的。Ge 的热膨胀系数比Si 大，高温生长的弛豫Ge 层，冷却到室温时受到张应力，应力的大小为：017

实验研究

Experimental Research

电子制作

(1-1)

(1-2)

和分别为Ge 和Si 的厚度， Y 为杨式模量，和为弹性张量，和分别为Si 和Ge 的热膨胀系数。应力会影响能带结构，改变带隙。重空穴和轻空穴直接带隙和应力的关系为：

(1-4)

(1-5)

为无应力时直接带隙，和为静形变势和剪切形变势， D 为自旋轨道分裂能。, , eV， eV， eV， eV。图4 为直接带隙与应力的关系。当时，直接带隙将缩小为0.77eV。材料的带隙变小将增大对光吸收，从图5 看出，应力使吸收系数增大，并且使截止波长向长波长延伸。

图4 直接带隙与应力的关系

热失配引入了0.2% 张应力，使Ge 的直接带隙从0.8eV 缩小到0.77eV，增大了Ge 的吸收系数，扩展了吸收波长，使Si 基Ge 探测器对C 带和L 带的探测成为可能。Liu 利用这种特性制成高性能的Si 基p-i-n Ge 探测器，探测波长覆盖了整个C 带和大部分L 带。本征吸收区Ge 厚度为2.4μm，热膨胀失配引入的张应力为0.2%。偏压为-1V 时，在0.85、0.98、1.31、1.55 和1.605μm 波长处的响应度分别可达0.55、0.68、0.87、0.56 和0.11A/W。适用于光互连和光通信，并且驱动电压低，可以满足Si 超大规模集成电路（ULSI）低工作电压的要求。

2 总结

目前，随着光纤通信技术的迅猛发展，人们对红外探测器速率也要求越来越高， SiGe 材料以其易与硅基光回路集成，低成本等优势，长期以来受到人们的关注，尽管目前还没见有商用产品面世，但是相信随着技术的进步在不久的将来必将有质的飞跃。

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图5 张应力0.2% 的Ge 和体Ge 的吸收系数

图2 Si基外延Ge探测器结构示意图018

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