超高真空cvd外延生长sigec材料与性能.研究

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1、王亚东浙江大学硕士学位论文2001．4子亲合势为1．88eV，也小于Si和Ge的电子亲合势。而且金刚石的禁带宽度为5．48eV，比Si和Ge大得多。与原来的SiI．xGe。二元系合金相比，新的Sil．x-yGexCy三元系合金将具有较小的晶格常数和较大的禁带宽度，Sil。yGe。c／si超晶格有可能对电子和空穴都具有很好的限制效果，材料的光电性能将会大大提高。因此，今年来国际上兴起了对Sil-X-yGe、C，三元系合金的研究热潮。本论文将要提到的sil_x。Ge。Cy合金，如果不作特别的说明．都是指在si基上共度生长的Sit．x-yGe。Cy外延单晶。

2、同时，由于s¨Cy、Get．yCy与Sit．x．yGe。Cy合金之问的特殊关系，本论文在讨论sn．yGe。Cy合金的同时，可能会涉及到Sit．yCy和Gel-yCy二元合金的一些性质。Ⅳ族元素c、Si、Ge和化合物碳化硅(SIC)的一些物理参数例如表1。SiC在温度约低于2000"C时通常为B相，在温度高于2000℃时为n相¨I。我们只考虑B的性质。表1几种Ⅳ族元素和SiC的物理参数名称C(金刚石)SiGeSiC原予序数61432结构金刚石闪锌矿原子半径fA)O．771．171．22品格常数(A)3．5675．43l5．6584．36禁带宽度(eV)5

3、．481．12O．662．2电子亲和势(eVl1．884．004．05王亚东浙江大学硕士学位论文2001．4第二章锗硅碳材料的研究进展§2．ISiI-x-yGe。Cy合金的应变补偿作用共度生长的Sit．x．yGe。C。合金之所以引入注目的一个重要原因是合金中的C能够补偿Ge带来的外延层的压应变。1989年，Furokawa[21首先研究了C的这种应变补偿作用。此后，美国的IBM公司、亚利桑那州立大学、加州圣克拉拉大学、日本曰立公司、德国法兰克福半导体物理研究所等处许多人都从事着这方面的研究。其中K．Eberl、H．J．Osten和P．Warren等人的

4、工作具有一定的代表性。K．Eberl[a1研究了x=0．25的Sil．。．yGe。C，合金的应变补偿效果。SiJ．x．rGe。Cv外延层是用MBE方法生长在Si(100)衬底上的，厚度为220～250nm。X．射线衍射实验结果如图2．1．1所示。各样品C组分的增加，合金的晶格常数逐渐减小，外延层与衬底之间的晶格失配也随之减小。可见，c有效地补偿了Ge对合金晶格常数的影响。3ta●-一C3o‘)o最j；翳1Sil一_-yGe，Cya№y。x∞．25．y蝴．019'晰mI锑龃p，●’÷⋯。。广、彳h一3000一2000一1000O60(arcsecl图2．

5、I．I三种样品的X射线摇摆曲线酽萨妒m，矿垆m，矿矿∞，王亚东浙江大学硕士学位论文2001．4H．J．Osten[4】等人用MBE生长了图2．1．2所示结构的样品。他们首先在si(100)上生长60nm厚的Si缓冲层，然后生长50nm厚的Sil．。Ge。层和Sil。yGe。Cy层。这样即保证了生长过程的连续性，又保证了两外延层中Si和Ge的组分比例不变。他们制备了各种组分的样品。其中两个样品的X射线实验结果如图2．1．3、图2．1．4所示。对应Sil．xGe。层和Sil-x-yGe。C，层，1“样品的四方畸变e从0．0141变到O．008，28样品的e

6、从0．0075变到．0．004。可见，C组分增加到一定程度，不但会完全消除合金中原有的压应变，甚至会使合金处于二维张应变状态。50nmSiGeC50nmSiGe60nmSi(缓冲层)Si(001)(衬底)图2．1．2MBE生长的多层样品结构图2．1．3l#样品的X射线摆动曲线d·抽ws。c)图2．1．42#样品的X射线摆动曲线三垩奎堑兰查堂璺主堂堡垒壅!塑!：!一一J．Mi和P．Warren等人也做了出色的工作。他们用快速加热CVD(RTCVD)方法生长了80～100nm厚的Sil-x．yGe。Cy外延薄膜，并通过控制C源的气体分压制备了C组分在0-2

7、at％之间的一系列样品。晶格的应变e随SiCH6的气体分压RP的变化如图2．1．5。以Ge组分为11at％样品的曲线为例，RP从0增大到2．4％，￡则从0．8％逐渐变化到．0．35％。这一结果与}LJ．Osten等人的结果完全一致。i；毫毒图2．1．5Siz。yGe。Cy合金的品格应变与砩的变化关系经过反复的实验验证，人们总结出了Sil。yGe。C，合金的品格常数的变化规律，即Sil．x-yGexCy合金的晶格常数符合Vegard规律，其表达式为：qstr一16。#，=q—X—Y)as,+xnG。+ync因此，只要适当调节Ge／C的比例，就能使Sil-

8、x．yGe。C，合金的晶格常数与si衬底一致．解决晶格失配导致的问题。图2．I．6是Sii-x