[发明专利]锗衬底-砷化镓/锗异质结薄膜复合结构及其制法和应用

说明书

本发明提供一种锗衬底‑砷化镓/锗异质结薄膜复合结构，其包括具有图形结构的锗衬底、位于所述锗衬底上的具有无原子台阶锗表面的锗层，以及位于所述锗层上的砷化镓层。本发明还提供一种制备本发明的锗衬底‑砷化镓/锗异质结薄膜复合结构的方法。本发明还提供本发明的锗衬底‑砷化镓/锗异质结薄膜复合结构或本发明的方法制得的锗衬底‑砷化镓/锗异质结薄膜复合结构在锗基III‑V族半导体光电器件中的应用。本发明的锗衬底‑砷化镓/锗异质结薄膜复合结构能够完全避免砷化镓/锗异质结构中反向畤的产生，进而实现无缺陷的异质结薄膜。本发明的制备方法简单，且能够实现大规模阵列式可控生长。

技术领域

本发明属于材料领域。具体地，本发明涉及一种锗衬底-砷化镓/锗异质结薄膜复合结构及其制法和应用。

背景技术

III-V族半导体材料由于其优秀的光电性质，被广泛应用于半导体激光器、光电探测器和高迁移率晶体管器件。生长高质量的砷化镓/锗异质结薄膜，为在工艺成熟的IV族基底上直接外延砷化镓基光电器件提供了重要技术途径。砷化镓/锗薄膜结构由于其本身独特的能带排列和光吸收性质，被广泛应用于太阳能电池。得益于砷化镓的高电子迁移率和锗的高空穴迁移率，砷化镓/锗异质结也被应用于高效率互补式金属氧化物半导体(CMOS)器件。上述半导体器件的性能直接受到砷化镓/锗薄膜质量的影响，然而在锗上直接外延砷化镓存在反向畤(APD)问题。学界与工业界十分关注高效消灭反向畤的技术方法。

现有技术中，制备高质量砷化镓/锗异质结薄膜的主要方法是在斜切锗衬底上分子束外延(MBE)生长砷化镓，通过形成锗表面双原子台阶来抑制异质结界面反相畴的产生，诱导反向畤快速湮灭。该种方法需要先在锗衬底上进行退火形成双原子台阶，再利用表面迁移增强外延(MEE)方法生长砷化镓，且需要生长500nm以上厚度的砷化镓薄膜才能获得高质量的平整表面，其厚度与繁琐的步骤加大了制备工艺难度，限制了其在半导体领域的应用前景。

现有技术获得砷化镓/锗异质结薄膜，存在的问题主要包括：

1.砷化镓/锗异质结薄膜的异质结界面存在缺陷，进而影响器件的性能；

2.砷化镓/锗异质结薄膜中的砷化镓薄膜厚度非常厚，限制了其在超薄器件上的应用；

3.现有的制备砷化镓/锗异质结薄膜的方法的步骤繁琐，加大了时间成本和源材料成本。

因此，目前急需一种节约成本、制备方法简单且无缺陷的砷化镓/锗异质结薄膜。

发明内容

本发明的目的是提供一种锗衬底-砷化镓/锗异质结薄膜复合结构，该复合结构能够完全避免砷化镓/锗异质结构中反向畤的产生，进而实现无缺陷的异质结薄膜。本发明的另一目的是提供制备本发明的锗衬底-砷化镓/锗异质结薄膜复合结构的方法。本发明的又一目的是提供本发明的锗衬底-砷化镓/锗异质结薄膜复合结构在III-V族半导体光电器件中的应用。

本发明的上述目的是通过以下技术方案实现的。

在本发明上下文中，术语“方块状平台”包括正方体和长方体。

在本发明上下文中，术语“锗衬底的[1-10]方向”是指垂直于锗衬底的[110]方向的方向。

第一方面，本发明提供一种锗衬底-砷化镓/锗异质结薄膜复合结构，其包括具有图形结构的锗衬底、位于所述锗衬底上的具有无原子台阶锗表面的锗层，以及位于所述锗层上的砷化镓层。

优选地，在本发明所述的锗衬底-砷化镓/锗异质结薄膜复合结构中，所述锗衬底的晶面为(001)晶面。

优选地，在本发明所述的锗衬底-砷化镓/锗异质结薄膜复合结构中，所述图形结构具有平行于所述锗衬底的[110]方向上的尺寸为1-8μm且平行于所述锗衬底的[1-10]方向上的尺寸为1-8μm的图形。