Si基Ge材料在材料生長及探測器研制方面的主要進展探討

蔡志猛　廈門華廈學院　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展探討

蔡志猛廈門華廈學院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，加上優越的性能,在硅基光電子器件如光電探測器、場效應晶體管等方面得到了廣泛的應用。III-Ⅴ族半導體材料在1.3~1.55μm具有較大的吸收系數，是理想的吸收區材料；然而，III-Ⅴ族半導體材料價格昂貴、導熱性能不好，機械性能較差，并且與現有成熟的硅基工藝兼容性差，限制了其在光電集成技術中的應用。而SiGe材料與Si基微電子器件的制作工藝相兼容，應變的外延Ge材料吸收波長擴展到了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展情況。

【關鍵詞】

Ge;光電探測器;外延

21世紀，隨著科學技術的高速發展，數據的保存、信息的傳輸也將逐漸步入光子時代。Si是信息領域中最重要的半導體材料，在微電子領域已獲得了巨大的發展，然而由于它的間接帶隙特性限制了它在光電子領域的應用，如何實現其與光電子器件的集成，即實現光電集成接收機芯片一直是人們追求的目標。

1　Si基純Ge材料外延及其光電探測器發展

相對于SiGe材料來說Ge材料具有帶隙小、吸收系數大、遷移率高等優點加上其與Si工藝兼容，被廣泛的應用到Si基探測器的研制中。然而Ge與Si晶格失配達4.2%，Ge的臨界厚度只有幾個原子層，Ge材料的生長困難成為了Ge探測器發展的瓶頸。雖然采用Ge量子點作吸收區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，材料生長技術的進步和設備的改進，已經能夠在Si基上生長出高質量Ge層，Si基Ge探測器得以飛速發展。

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結構Ge探測器。Ge層的位錯密度為109cm-2，在1.45μm處量子效率達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機械拋光（CMP），經過二次外延，在10μm SiGe緩沖層上生長出高質量的純Ge。在1.3μm處量子效率高達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之間的應力，把位錯限制在緩沖層內因此位錯密度很低。然而緩沖層的厚度往往高達10m，不僅生長時間需要很長，而且熱導性變差，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展。

1.2組份跳變Si1-xGex緩沖層再外延Ge層

用超高真空化學汽相淀積（UHV/CVD）技術生長低溫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層后進行原位退火，最后再生長純Ge層。如圖1所示，他們在Si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。通過調整兩層SiGe的組份和厚度，界面處的失配應力能夠有效地阻止位錯向上傳播，將大部分位錯“俘獲”在界面處，從而降低了Ge層的位錯密度。得到的Ge表面粗糙度為3.2nm，位錯密度3.0×106cm-2。Huang等在此基礎上調整了兩層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波長的響應度在為0.62A/W，3dB帶寬達到了21.5GHz。

組份跳變的SiGe層作緩沖層，通過界面應力限制了位錯的傳播，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性能差，不利于集成的缺點，是Si基外延純Ge材料的一次巨大發展。

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，弛豫晶格失配應力，并獲得相對平整的表面。接著在600℃高溫下快速生長高質量厚Ge層。此法得到的Ge外延材料，表面非常平整，粗糙度為1nm，但是位錯密度比較高，需要進一步的循環退火來降低Ge層的位錯密度。如圖3給出了經過和沒有經過退火的樣品TEM圖像，從圖中可以看出經過退火后的樣品位錯密度明顯下降。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處的響應度為520mA/W。

圖3　Ge層TEM圖片(a)為未經過退火樣品(b)為經過循環退火后的樣品

Nakatsuru和Loh等提出了改進的低溫高溫兩步法：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層來吸收部分應力，提供Ge原子的成核區，壓制位錯。得到的Ge層表面平坦，即使沒有對樣品進行退火處理，也得到較低的位錯密度（6×106cm-2），實驗制得的探測器在-1V偏壓下暗電流密度僅為1.5-2mA/cm2，3dB帶寬超過15GHz 。

1.4熱應力增強Ge吸收

MIT Yasuhiko Ishikawa小組發現直接生長在Si上的Ge帶隙縮小，光吸收增強的現象，他們認為是Si和Ge熱膨脹系數不同引起的。Ge的熱膨脹系數比Si大，高溫生長的弛豫Ge層，冷卻到室溫時受到張應力，應力的大小為：

圖4　直接帶隙與應力的關系

熱失配引入了0.2%張應力，使Ge的直接帶隙從0.8eV縮小到0.77eV，增大了Ge的吸收系數，擴展了吸收波長，使Si基Ge探測器對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C帶和大部分L帶。本征吸收區Ge厚度為2.4μm，熱膨脹失配引入的張應力為0.2%。偏壓為-1V時，在0.85、0.98、1.31、1.55和1.605μm波長處的響應度分別可達0.55、0.68、0.87、0.56 和0.11A/W。適用于光互連和光通信，并且驅動電壓低，可以滿足Si超大規模集成電路（ULSI）低工作電壓的要求。

2　總結

目前，隨著光纖通信技術的迅猛發展，人們對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，低成本等優勢，長期以來受到人們的關注，盡管目前還沒見有商用產品面世，但是相信隨著技術的進步在不久的將來必將有質的飛躍。

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圖5　張應力0.2%的Ge和體Ge的吸收系數

圖2　Si基外延Ge探測器結構示意圖

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