[发明专利]一种锗铅合金材料的制备方法

说明书

本发明提供了一种锗铅合金材料的制备方法。该方法包括：在衬底上沉积基底介质层；在基底介质层中形成开孔所述衬底从所述开孔露出的部分被作为生长种子窗口；在所述基底介质层表面以及从所述开孔露出的衬底表面沉积包含锗(Ge)元素和铅(Pb)元素的材料层；在所述材料层表面沉积阻挡介质层；以及对所述衬底进行退火，在所述材料层中形成所述四族半导体锗铅合金材料。根据本申请，能够在衬底表面形成质量较高的GePb合金，并且，该方法与CMOS工艺的兼容性较好，有利于GePb合金在硅基器件中的应用。

技术领域

本发明属于半导体材料领域，具体涉及一种锗铅(GePb)合金材料的制备方法。

背景技术

锗锡(GeSn)材料作为一种新型的四族合金材料，在近红外光电学乃至短波红外有着大的吸收系数，是制备硅基红外光电探测器的重要选择。同时，当Sn组分达到8％，GeSn合金会转变成为直接带隙材料，这使其有望用于制备硅基半导体激光器。然而，受限于Sn在Ge中低的固溶度(1％)，合成高质量高Sn组分的GeSn合金极具挑战。

近年来，研究发现，在Ge中引入另一种四族材料铅(Pb)也可以有效地调制其能带结构。例如，通过引入一定比例的Pb，即可实现间接带隙材料到直接带隙材料的转变，这为硅基光源的实现提供了新的材料选择。

发明内容

本申请的发明人发现，虽然目前存在一些形成锗铅(GePb)合金的方法，然而这些方法存在一定的局限性，例如：较少有技术能在硅衬底上形成GePb合金，因此，与CMOS工艺的兼容性较差；此外，即使在硅衬底上外延形成GePb合金，由于GePb合金与硅的晶格失配，容易在GePb合金和/或硅衬底中形成位错，因而GePb合金的质量较低，且会影响衬底的电学性能；另外，现有技术形成的GePb合金的质量并不高。

本发明的目的是提供一种四族半导体GePb合金材料的制备方法，在该制备方法中，在生长种子窗口以及基底介质层表面形成包含Ge和Pb的材料层，然后进行退火，使得该包含Ge和Pb的材料层中形成单晶的GePb合金，由于该包含Ge和Pb的材料层仅在生长种子窗口处与衬底接触，因而晶格失配产生的位错不会扩展到整个GePb层，能够形成质量较高的GePb合金；此外，在退火过程中，Pb分凝形成的金属Pb能够诱导单晶GePb的合成，因而有利于促进单晶GePb合金的形成；此外，该方法能够在硅衬底上生成高质量的GePb合金材料，因而与CMOS工艺的兼容性较好，有利于GePb合金在硅基器件中的应用。

本发明目的是通过如下技术方案实现的：

一种锗铅合金材料的制备方法，所述方法是基于金属诱导结晶，其包括如下步骤：

1)在衬底上沉积基底介质层，通过光刻刻蚀，在基底介质层上开孔，形成生长种子窗口，对种子窗口处裸露的衬底进行清洗，去除表面氧化层；

2)在步骤1)的种子窗口处裸露的衬底表面以及基底介质层表面衬底上沉积包含锗(Ge)元素和铅(Pb)元素的材料层；此外，还可以通过刻蚀，将该材料层形成为与种子窗口连接的条状结构；

3)在步骤2)的包含锗(Ge)元素和铅(Pb)元素的材料层表面沉积阻挡介质层；

4)对步骤3)的衬底进行高温退火或者激光退火，在包含锗(Ge)元素和铅(Pb)元素的材料层中形成单晶的锗铅合金材料。

根据本发明，步骤1)中，所述的衬底可以是单晶衬底，例如，硅单晶衬底或锗(Ge)单晶衬底。

根据本发明，步骤1)中，所述的基底介质层可以是SiN和/或SiO₂等介质，所述的基底介质层的厚度为20-200nm，例如为20nm、30nm、40nm、50nm、60nm、70nm、80nm、90nm、100nm、120nm、150nm、180nm或200nm。所述的沉积可以是采用等离子体增强化学的气相沉积法(PECVD)，也可以采用其他的可以实现基底介质层沉积的方法。