阅读说明：本技术 硅基iv族合金材料及其外延方法 (Silicon-based group IV alloy material and epitaxial method thereof ) 是由 刘香全 郑军 成步文 于 2019-11-05 设计创作，主要内容包括：一种硅基IV族合金材料及其外延方法,该外延方法包括以下步骤：步骤1：将衬底送入高真空的生长腔室,进行脱氢脱氧处理；步骤2：调节衬底温度；步骤3：在衬底上至少共同沉积Ge、Sn和Pb原子,完成材料外延。本发明的锗锡铅合金材料可实现直接带隙,并且与硅基CMOS工艺兼容；制备的锗锡铅合金材料晶体质量良好,相比同组分的锗锡或锗铅材料具有更窄的带隙；为硅基发光和探测器件的制作提供一种新型材料,在望在硅基光电子领域发挥重大的作用。(A silicon-based IV-group alloy material and an epitaxial method thereof are disclosed, wherein the epitaxial method comprises the following steps: step 1: delivering the substrate into a high-vacuum growth chamber for dehydrogenation and deoxidation treatment; step 2: adjusting the temperature of the substrate; and step 3: and co-depositing at least Ge, Sn and Pb atoms on the substrate to complete the material epitaxy. The germanium tin lead alloy material can realize direct band gap and is compatible with a silicon-based CMOS (complementary metal oxide semiconductor) process; the prepared germanium tin lead alloy material has good crystal quality, and has narrower band gap compared with the germanium tin or germanium lead material with the same component; provides a novel material for manufacturing silicon-based luminescent and detecting devices, and is expected to play an important role in the field of silicon-based photoelectronics.)

硅基IV族合金材料及其外延方法

技术领域

本发明属于硅基光电材料技术领域，主要涉及一种硅基IV族合金材料及其外延方法。

背景技术

实现硅基光电集成，是解决传统电互联功耗、时延、I/O等问题的重要手段。寻找一种与硅兼容的直接带隙半导体材料，实现硅基高效光源具有重大的意义及应用价值。目前，可实现硅基兼容的光电材料主要是IV族材料，而其中锗锡、锗铅合金可通过调节Sn和Pb的组分实现直接带隙的转变。

研究表明，锗锡转变为直接带隙所需要的Sn组分要大于8％，而锗铅则需要约3.4％的Pb。在锗锡和锗铅的外延中，需要克服以下难点：1)Sn或Pb与Ge具有较大的晶格失配；2)Sn或Pb在Ge中较低的平衡固溶度；3)Sn或Pb具有较低的表面自由能，容易形成表面分凝和偏析现象。因此，难以外延高组分且高质量的锗锡、锗铅合金，无法满足高效硅基发光器件制作的需求。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种硅基IV族合金材料及其外延方法，以期至少部分地解决上述技术问题中的至少之一。

为了实现上述目的，本发明提供了一种硅基IV族合金材料的外延方法，包括以下步骤：

步骤1：将衬底送入高真空的生长腔室，进行脱氢脱氧处理；

步骤2：调节衬底温度；

步骤3：在衬底上至少共同沉积Ge、Sn和Pb原子，完成材料外延。

其中，步骤1之前还包括清洗的步骤；

所述清洗步骤的最后一步用稀释的氢氟酸进行表面处理，实现表面氢钝化。

其中，步骤1中所述脱氢脱氧的温度在500℃-1100℃之间，时间为5-25min。

其中，步骤2中所述衬底温度为120℃-350℃。

其中，步骤2中所述衬底为硅衬底、锗衬底或硅上的锗虚衬底。

其中，步骤2中的所述衬底晶向为(100)、(110)或(111)。

其中，步骤3中，采用物理气相沉积或化学气相沉积的方法在衬底上共同沉积Ge、Sn、Pb原子。

一种根据如上所述的外延方法制备得到的硅基IV族合金材料。

其中，通过调控步骤4中在衬底上共同沉积的Ge、Sn、Pb原子的组分来实现调节带隙的目的，所述带隙的调节范围为0-0.66eV。

其中，所述硅基IV族合金材料为直接带隙材料。

基于上述技术方案可知，本发明的硅基IV族合金材料及其外延方法相对于现有技术至少具有如下有益效果之一：

(1)锗锡铅合金材料可实现直接带隙，并且与硅基CMOS工艺兼容；

(2)制备的锗锡铅合金材料晶体质量良好，相比同组分的锗锡或锗铅材料具有更窄的带隙；

(3)为硅基发光和探测器件的制作提供一种新型材料，在望在硅基光电子领域发挥重大的作用。

附图说明

图1为本发明中锗锡铅能带转变示意图；

图2为本发明实施例1中外延某组分的锗锡铅单晶薄膜卢瑟福背散射(RBS)随机谱；

图3为本发明实施例1中外延某组分的锗锡铅单晶薄膜原子力显微镜(AFM)图；

图4为本发明实施例1中外延某组分的锗锡铅单晶薄膜X射线衍射(XRD)图；

图5为本发明实施例2中外延某组分的锗锡铅单晶薄膜X射线衍射(XRD)图。

具体实施方式

锗锡或锗铅合金可实现直接带隙转变的主要原理是：在Ge中引入Sn或Pb元素后，可使得Γ能谷(直接带隙)下降的速度大于L能谷(间接带隙)下降的速度。鉴于锗锡、锗铅合金转变为直接带隙的相同机理，可在Ge中同时引入Sn和Pb元素，理论上Sn和Pb可通过非平衡外延手段同时溶于Ge的晶格当中，通过Sn和Pb原子的共同作用，可以形成直接带隙材料，所形成的新型锗锡铅合金有望成为新一代硅基兼容的光电材料。

本发明公开了一种新型硅基IV族合金材料及其制备方法，该材料是锗锡铅(Ge_{1-x- y}Sn_xPb_y)合金材料，可实现直接带隙，且具有硅基兼容的特性。外延方法步骤如下：步骤1)取衬底，清洗后备用；步骤2)将衬底快速送入高真空的生长腔室，之后进行脱氢脱氧处理；步骤3)调节衬底温度；步骤4)在衬底上共同沉积Ge、Sn、Pb原子，完成材料外延制备。本发明提供的锗锡铅合金材料，在硅基光源和探测器件制作等方面具有极大的应用前景。

具体的，本发明提供了一种硅基IV族合金材料的外延方法，包括以下步骤：

步骤1：将衬底送入高真空的生长腔室，进行脱氢脱氧处理；

步骤2：调节衬底温度；

步骤3：在衬底上至少共同沉积Ge、Sn和Pb原子，完成材料外延。

其中，步骤1之前还包括清洗的步骤；

所述清洗步骤的最后一步用稀释的氢氟酸进行表面处理，实现表面氢钝化。

其中，步骤1中所述脱氢脱氧的温度在500℃-1100℃之间，时间为5-25min。

其中，步骤2中所述衬底温度为120℃-350℃。

其中，步骤2中所述衬底为硅衬底、锗衬底或硅上的锗虚衬底。

其中，步骤2中的所述衬底晶向为(100)、(110)或(111)。

其中，步骤3中，采用物理气相沉积或化学气相沉积的方法在衬底上共同沉积Ge、Sn、Pb原子。

一种根据如上所述的外延方法制备得到的硅基IV族合金材料。

其中，通过调控步骤4中在衬底上共同沉积的Ge、Sn、Pb原子的组分来实现调节带隙的目的，所述带隙的调节范围为0-0.66eV。

其中，所述硅基IV族合金材料为直接带隙材料。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

请参阅图1，本发明提供一种新型硅基IV族合金材料，名为锗锡铅合金，该材料可实现直接带隙，且与硅基CMOS工艺兼容，有望在硅基光电子领域发挥重大的作用。其实现直接带隙的原理如下：

在Ge中引入Sn和Pb原子，可使得Γ能谷(直接带隙)下降的速度大于L能谷(间接带隙)下降的速度，进而成为直接带隙材料。

本发明还提供一种锗锡铅合金材料的外延方法，包括以下步骤：

步骤1：取衬底，对其进行清洗。衬底清洗首先用丙酮、酒精、去离子水依次进行超声清洗，最后用稀释的HF进行表面处理，其目的是在去除表面的氧化锗后，表面的锗悬挂键与氢成键，实现表面氢钝化。

步骤2：将衬底快速送入高真空的生长腔室，之后进行脱氢脱氧处理，脱氢脱氧时的温度为500℃-1000℃，时间为5min-25min。由于氢钝化阻止衬底氧化的能力有限，因此传样过程要快速，并采用了较高的温度。脱氢脱氧的目的是露出洁净的衬底表面，有利于高质量锗锡铅合金的外延生长。

步骤3：调节衬底温度到120℃-350℃左右。衬底温度不宜过高或过低，过高容易引起材料表面分凝；过低则无法提供足够的动能，使外延材料为非晶。

步骤4：在衬底上共同沉积Ge、Sn、Pb原子，完成材料外延。外延方法可采用分子束外延、磁控溅射、电子束蒸发或化学气相沉积。

实施例1

本发明提供一种GeSnPb合金材料的外延方法，包括以下步骤：

步骤1：取硅上锗虚衬底，对其进行清洗，该虚衬底晶面为(100)，是用分子束外延方法制备。锗虚衬底依次用丙酮、酒精、去离子水超声清洗各10min，最后用10％的HF浸泡30s，后用去离子水浸没冲洗6min，在去除表面的氧化锗后，实现表面氢钝化。

步骤2：将锗虚衬底用氮***吹干后，快速送入高真空的生长腔室，进行脱氢脱氧处理，温度为800℃，时间为25min。

步骤3：调节衬底温度到135℃。

步骤4：采用磁控溅射方法，在衬底上共同沉积Ge、Sn、Pb原子，沉积厚度为60nm(参阅图2-4)。

图2的卢瑟福背散射(RBS)随机谱表明Sn，Pb原子已成功融入到Ge的晶格之中，GeSnPb合金已被成功外延。图3的原子力显微镜(AFM)图表明所外延的GeSnPb合金具有平坦的表面形貌，没有Sn或Pb的表面分凝。图4的X射线衍射(XRD)图表明GeSnPb合金晶体质量良好，Sn和Pb原子替位地占据四面体的格点位置。

实施例2

制备方法同实施例1，区别仅在于在溅射外延时，提高了Sn靶和Pb靶的溅射功率，从而提高了GeSnPb合金中Sn和Pb原子的比例(参阅图5)。

图5的X射线衍射(XRD)图表明所制备的GeSnPb合金具有良好的晶体质量，且相比实施例1，GeSnPb合金中的Sn、Pb原子的比例更高，具有更大的晶格常数。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。