趙 ，張彬庭

(中國電子科技集團公司第四十八研究所，湖南長沙 410111)

元素硅半導(dǎo)體是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基石，目前占據(jù)著統(tǒng)治地位，以硅為材料制作的器件被廣泛的應(yīng)用于微波、微電子等領(lǐng)域。盡管如此，Si仍舊不能算是理想的半導(dǎo)體，Si的電子遷移率約只有 GaAs的 1/6，禁帶寬度只有 1.17 eV，又是間接帶隙半導(dǎo)體、發(fā)光效率和吸收效率較低；隨著硅集成電路晶體管尺寸的不斷減小，進一步利用尺縮效應(yīng)來提高電路的性能變得越來越困難，同時將大大增加電路的制作成本。這些特性制約了硅材料在諸如高頻、高速、光電等領(lǐng)域的應(yīng)用[1，2]。

以Si為基底的鍺硅異質(zhì)結(jié)構(gòu)是一種新型半導(dǎo)體材料，鍺硅材料的載流子遷移率高、能帶寬度隨Ge的組分變化而連續(xù)可調(diào)，如果在Si材料上生長SiGe/Si異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料，則可以在Si上靈活地運用能帶工程進行能帶剪裁，制作新型Si基量子結(jié)構(gòu)器件，同時又可以與成熟的Si微電子工藝相兼容，這將推動Si微電子工業(yè)跨上一個新臺階。Ge材料由于其具有比Si材料高的電子和空穴遷移率，與硅工藝兼容等優(yōu)點，成為研究的熱點[3]。另外，Ge的帶隙寬度小于Si，室溫下為0.67 eV，對光通信波段1.3～1.6 μm的光具有較高的吸收系數(shù)，成為集成化光電探測器的理想材料[4]。Ge也可以作為Ⅲ-Ⅴ族光電器件與Si基集成的緩沖層[5]。在Si基上外延Ge材料對光電子集成具有重要的現(xiàn)實意義。因此，鍺硅材料在微電子和光電子方面有重大的應(yīng)用價值，可制作高速異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管(HBT)[6]，異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)管(HFET)[7]、調(diào)制摻雜場效應(yīng)管 (MODFET)[8]，異質(zhì)結(jié)紅外探測器(HIP)[9，10]、低噪聲放大器[11]等多種器件。分子束外延(MBE)和超高真空化學(xué)氣相沉積(UHVCVD)是兩種主要的低溫外延方法。由于UHVCVD成本相對較低、使用方便，易于工業(yè)化生產(chǎn)，是目前國際上低溫外延所采用的主要手段之一，其在鍺硅超晶格生長及硅基薄膜新材料的制備上具有良好的應(yīng)用前景[12]。

1 硅基SiGe薄膜的外延生長

SiGe/Si異質(zhì)結(jié)和超晶格是近年來興起的新型半導(dǎo)體材料，它具有許多獨特的物理性質(zhì)和重要的技術(shù)應(yīng)用價值，受到人們的高度重視，是“第二代硅”材料。表1列舉了Si、Ge、SiGe合金材料的一些基本性質(zhì)，從表中可以看出，Si、Ge具有類似的性質(zhì)和結(jié)構(gòu)，使得由Si、Ge構(gòu)成的SiGe合金的很多性質(zhì)都與Si、Ge類似，并介于兩者之間，正是由于這些特點，使得我們可以通過改變Ge含量來影響SiGe/Si異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的特性。

表 1 Si、Ge、SiGe合金材料的一些基本性質(zhì)[13]

然而，由于Si和Ge的晶格失配較大，達到4.18%，在Si基上直接外延純Ge材料將引入大量的失配位錯，這將嚴重影響器件的性能。近年來，通過緩沖層技術(shù)的引入，在Si基上外延出了高質(zhì)量純Ge材料。常用的一種方法是利用Ge組分漸變弛豫緩沖層技術(shù)[14，15]，Ge 組分以 10%/μm 的變化速率從0變到1，將位錯壓制于緩沖層內(nèi)，然后在緩沖層上外延純Ge材料作器件的有源層。Luo等人[16]采用兩層總厚度只有1.6 μm的組分躍變的SiGe層作緩沖層，1 μm厚的Ge外延層位錯密度為3×106cm-2，表面粗糙度為3.2 nm。Huang等人[17]進一步調(diào)整兩層SiGe層的組分，使得緩沖層的總厚度降低到0.5 μm，Ge晶體質(zhì)量依然很好(位錯密度為7×106cm-2，表面粗糙度為 4.7 nm)。另外一種方法是采用低溫Ge作緩沖層，直接在低溫Ge上外延高溫Ge層，然后用高低溫循環(huán)退火的方法得到純Ge層[18，19]。該法將位錯壓制在低溫層內(nèi)，使有源區(qū)位錯密度降低，低溫高溫兩步法的低溫緩沖層很薄(僅幾十納米)，并且Ge外延層表面非常平整(粗糙度0.4～2 nm)，但是位錯密度偏高(1×108cm-2)，需要高溫退火進一步降低位錯密度。Nakatsuru[20]和Loh[21]等人在超薄SiGe(Ge組分0.2～0.5，SiGe層厚度5～30 nm)緩沖層上采用低溫高溫兩步法生長了高質(zhì)量的Ge。此外，還有選區(qū)外延技術(shù)[18]，該技術(shù)為在特定區(qū)域制備高質(zhì)量的鍺硅薄膜提供了保障，也為不同材料器件間的集成提供了便利。

2 SiGe半導(dǎo)體薄膜外延生長設(shè)備

SiGe異質(zhì)結(jié)材料的研究始于20世紀(jì)50年代中期，但由于工藝條件的原因，直到20世紀(jì)70年代初期，無論在單晶Si或單晶Ge襯底上，均未能生產(chǎn)出具有“器件質(zhì)量”的SiGe外延層，大多出現(xiàn)三維島狀并產(chǎn)生大量的穿透位錯、堆垛位錯和裂紋。隨著近年來薄膜生長技術(shù)的長足發(fā)展，現(xiàn)已能生長出晶格質(zhì)量優(yōu)良、電光性能完美的多種SiGe/Si異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料。

2.1 分子束外延

分子束外延是1970年提出的[23]，在MBE中通過源分子的熱蒸發(fā)或電子束激發(fā)得到所需要的粒子，粒子到達適當(dāng)加熱的襯底表面上進行生長，獲得需要的外延層，其所具有的典型低溫生長實際上排除了摻雜擴散的可能性。分子束外延系統(tǒng)具有超高真空（UHV，指的是比1×10-6Pa高的真空度），并配有原位監(jiān)測和分析系統(tǒng)，能夠獲得高質(zhì)量的單晶薄膜[24]。

分子束外延是首先被用來研究SiGe材料的外延工藝。在20世紀(jì)70年代中期，Kasper和其同事首先使用MBE研究在硅上生長應(yīng)變SiGe層[25，26]，得到Ge成分低于15%的高質(zhì)量外延層薄膜，臨界厚度與理論估測相符；到20世紀(jì)80年代中期，Bean等發(fā)現(xiàn)在550℃條件下可以得到所有Ge成份的SiGe外延層[27，28]，并研究了溫度對生長模式的影響，測量了應(yīng)變SiGe的禁帶寬度[29]，顯示了應(yīng)變外延層器件的初步應(yīng)用[30，31]。在90年代初，NEC的Hirayama等人將MBE與CVD技術(shù)相結(jié)合，形成所謂的 GSMBE[32，33]，即在 MBE中采用氣體（乙硅烷、鍺烷等）作為反應(yīng)源；它具有MBE的控制精度，也具有CVD的平整性的優(yōu)點，生長速率和摻雜與UHVCVD的數(shù)據(jù)相接近；除此之外，GSMBE還可以進行選擇性外延。

分子束外延是制備半導(dǎo)體超晶格及微結(jié)構(gòu)不可缺少的研究手段。但其設(shè)備復(fù)雜、價格昂貴、產(chǎn)量低、難于工業(yè)化，不適合于器件規(guī)?；a(chǎn)，因此MBE和GSMBE主要應(yīng)用于實驗室基礎(chǔ)研究。

2.2 超高真空化學(xué)氣相沉積

超高真空化學(xué)氣相沉積技術(shù)是20世紀(jì)80年代后期發(fā)展起來的一種新型的薄膜制備技術(shù)。人們在研究低壓CVD[34，35]的基礎(chǔ)上，把超高真空技術(shù)與CVD技術(shù)結(jié)合起來，發(fā)展了UHVCVD技術(shù)，其最初是由Donahue等人[36]在1986年提出的。同一年，IBM Watson研究中心的Meyerson[37]正式建立了一套UHVCVD系統(tǒng)，如圖1所示。系統(tǒng)類似于帶有裝片鎖的LPCVD爐管，其反應(yīng)裝置可一次裝入35片硅片進行生長，系統(tǒng)的本底真空可以達到1×10-7Pa，生長壓強一般在0.1～1 Pa，反應(yīng)用氣源為SiH4和GeH4，生長溫度為550～580℃，生長速率為8 nm/min。摻雜和組分控制由改變?nèi)肟跉怏w的組成來實現(xiàn)。

圖1 超高真空氣相沉積系統(tǒng)設(shè)備圖[37]

UHVCVD外延過程屬于反應(yīng)速率控制范圍，決定生長速率的是硅表面H鍵的脫附速率，而不是硅原子的表面到達率。一般而言，H鍵的脫附速率很低，這樣一方面可以在外延前利用H鍵保護，有效保證硅片表面的潔凈；另一方面限制了外延時生長速率。如同Meyerson[38]所指出：沉積速率與反應(yīng)室形狀及氣流流動無關(guān)，只與硅表面H脫附的熱激活能有關(guān)，因此生長過程中表面氫的解吸速率控制著外延層的生長，從而可以很容易在整個襯底表面很均勻的生長，以及實現(xiàn)均勻性、可控性良好的多片生長，這可以彌補UHVCVD生長速率低的缺點，使得SiGe材料可以進行大規(guī)模生產(chǎn)。同時，表面氫限制生長也對溫度均勻性的控制提出了挑戰(zhàn)，由于H鍵脫附激活能為1.9×105J/mol，生長表面上1℃的差異可以導(dǎo)致沉積速率發(fā)生3%的變化，容易影響到外延的均勻性。

在SiGe外延層的生長中，典型的溫度為550～650℃，研究發(fā)現(xiàn)Ge的加入可以很大程度促進反應(yīng)速率[39]，如圖2所示。UHVCVD中硅外延速率很低，一般小于1 nm/min，如圖2中虛線所示，這是由于H原子與硅表面原子間的吸附很強；而H原子在Ge表面原子吸附較弱，很容易實現(xiàn)H的脫附，加上H原子可在表面自由遷移，因此表面Ge原子的存在可以有效提高硅片表面H的解附，從而提高SiGe外延的生長速率。在UHVCVD中乙硼烷是有效的P型摻雜劑，可以達到很高的摻雜程度，而N型的摻雜只能達到5×1018/cm3的程度[40]，這對UHVCVD的使用產(chǎn)生了一些限制。

圖2 UHVCVD中外延層生長速率與Ge成分函數(shù)關(guān)系[39]

1988年，Meyerson等人[41]用此法共度生長了無缺陷的Si1-xGex(0

UHVCVD系統(tǒng)一般由主體部分和輔助部分組成，其中主體部分包括反應(yīng)室、預(yù)處理室和進樣室；輔助部分包括真空系統(tǒng)、加熱及溫控系統(tǒng)、氣體輸送系統(tǒng)及計算機控制系統(tǒng)等。由于SiGe薄膜生長質(zhì)量、膜厚均勻性、薄膜組份等對溫度均勻性、工藝氣體流量、工藝壓力控制等要求非常高。加上SiGe外延工藝環(huán)境潔凈度要求特別高，工藝過程對碳、氧污染特別敏感，要求反應(yīng)室高潔凈，真空度能夠達到1×10-7～1×10-8Pa。因此用于SiGe材料外延生長的UHVCVD設(shè)備需解決的關(guān)鍵技術(shù)：超高真空度的獲取；高潔凈外延環(huán)境技術(shù)研究；高均勻性和穩(wěn)定性熱場的控制；工藝氣體流量的精確控制；反應(yīng)壓力的精確控制技術(shù)。其中，針對超高真空的要求，可以對設(shè)備采取如下措施：設(shè)置預(yù)真空室；真空系統(tǒng)的配置（預(yù)處理室可采用機械旋片泵作為前級泵，分子泵作為主抽泵，實現(xiàn)預(yù)備室的高真空，反應(yīng)室可采用鈦升華泵）；反應(yīng)室密封結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計；真空管道的合理設(shè)計與加工。

超高真空化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)在生長SiGe材料方面如此成功，主要歸功于以下幾點[13]：

(1)UHV背景有利于保持表面干凈和生長高純材料；

(2)非常低的生長壓強(<10-1Pa)，保證在生長過程中潔凈的生長表面；

(3)氣體流動方式介于粘滯流與分子流之間，減少氣體之間的干擾，從而減少均相成核；

(4)低的粘附系數(shù)，保證多片之間的均勻生長；

(5)低溫下生長外延層，自摻雜現(xiàn)象得到抑制；

(6)相對其它生長方法，其具有生長設(shè)備簡單，產(chǎn)量大，易于工業(yè)化生產(chǎn)的特點。

3 SiGe材料的應(yīng)用

SiGe/Si異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料由于具有許多優(yōu)于Si材料的性能，其加工工藝又與Si工藝兼容，因而成為備受矚目的硅基半導(dǎo)體材料。目前用Si1-xGex/Si材料制造的較成熟的高速電子器件有：Si1-xGex基區(qū)異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管(heterojunction bipolar transistor，HBT)和調(diào)制摻雜場效應(yīng)晶體管(modulation-doped field-effecttransistor，MODFET)。在光電子器件領(lǐng)域，在(遠)紅外探測器方面有Si1-xGex/Si超晶格紅外探測器和異質(zhì)結(jié)內(nèi)光電發(fā)射紅外探測器(heterojunction internal photoemission infrared detectors，HIP)，已實現(xiàn) 400×400異質(zhì)結(jié)內(nèi)光電發(fā)射紅外探測器陣列。Si1-xGex基區(qū)異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管HBT是應(yīng)變Si1-xGex/Si材料在器件應(yīng)用領(lǐng)域中最重要的成就，已進入商業(yè)化生產(chǎn)，現(xiàn)在正向單片集成電路發(fā)展。

3.1 SiGe基區(qū)HBT

提高Si基雙極型晶體管BJT運行速度的一個途徑是進一步減小器件尺寸，這要求發(fā)展更復(fù)雜的高新技術(shù)。另一個途徑是Si1-xGex基區(qū)HBT，即將SiGe能帶工程與傳統(tǒng)硅工藝結(jié)合，在相同的工藝條件下大幅度提高器件的特性。與采用GaAs的異質(zhì)結(jié)雙極晶體管不同，SiGe HBT是通過采用減小基區(qū)的禁帶寬度來實現(xiàn)高的電流增益的。與硅同質(zhì)結(jié)晶體管相比，SiGe HBT具有以下幾個顯著的優(yōu)點[50，51]：

(1)SiGe基區(qū)的禁帶寬度較窄，從而降低了導(dǎo)帶的勢壘高度，因而在相同的發(fā)射極-基極偏壓下，能夠顯著地提高收集極電流；

(2)基區(qū)內(nèi)的禁帶寬度可以是緩變的(在集電極一側(cè)帶寬較窄)，從而提供了一個“內(nèi)建”電場，大大提高了電子跨越基區(qū)的速度，使電子以較高的縱向的本征速度穿越過整個器件區(qū)域。

(3)HBT具有更好的低溫工作特性。

(4)由于SiGe基區(qū)與Si發(fā)射區(qū)的禁帶差別主要體現(xiàn)在價帶上，這相當(dāng)于增加基區(qū)多數(shù)載流子渡越到發(fā)射區(qū)的勢壘高度，從而有助于器件的電流增益的提高。

表3列出了HBT的主要發(fā)展歷程，可以看到SiGe HBT的特征頻率在2003年達到了375 GHz[47]，已完全具有與GaAs HBT相媲美的性能了。研究人員預(yù)計，約5年后將有室溫下500 GHz以及單位增益頻率300 GHz的SiGe器件出現(xiàn)。

表3 SiGe HBT的主要發(fā)展歷程[13]

圖3顯示了骨干網(wǎng)絡(luò)用電子器件中不同材料工藝比特率及所要求的截止頻率fT的關(guān)系，可以看到，Si雙極工藝可以滿足fT在25～50 GHz、10 Gbit/s系統(tǒng)的要求。對 40 Gbit/s(相應(yīng) fT在100～200 GHz)系統(tǒng)則必須采用SiGe、GaAs和InP器件。

圖3 骨干網(wǎng)絡(luò)用電子器件中不同材料工藝比特率及所要求的截止頻率fT的關(guān)系[52]

因此，就目前應(yīng)用而言，SiGe HBT已經(jīng)完全可以滿足高頻、高速的需求，并且在某些方面可以替代占傳統(tǒng)優(yōu)勢地位的GaAs器件。

3.2 掩埋溝道MODFET(調(diào)制摻雜FET)

SiGe掩埋溝道MODFET有兩種結(jié)構(gòu)，即所謂的電子和空穴量子阱MODFET，也就是N溝道和P溝道MODFET。它們是根據(jù)SiGe/Si二元體系的能帶之間的相互錯位而設(shè)計的。P型MODFET溝道為受壓應(yīng)力的SiGe層與無應(yīng)變的硅層相接觸時，禁帶寬度90%以上出現(xiàn)在價帶上，從而形成二維空穴勢阱；N型MODFET溝道則為由于張應(yīng)力Si層與弛豫的SiGe層接觸時，禁帶寬度之差主要發(fā)生在導(dǎo)帶上，從而形成二維電子勢阱。利用這種原理制備的N-MODFET器件的最高振蕩頻率fmax已達183 GHz，模擬計算表明：柵長50nm的SiGe N-MODFET最高頻率可達300GHz；調(diào)制摻雜的SiGe溝道達到的最高空穴遷移率在296 K時為1 000 cm2/V，77 K 時達到 3 400 cm2/V[53]。

3.3 SiGe/Si異質(zhì)結(jié)內(nèi)光電發(fā)射型紅外探測器 (HIP)

SiGe器件另外一個主要的應(yīng)用是在光電子領(lǐng)域。目前廣泛應(yīng)用的紅外凝視式成像系統(tǒng)中使用的是以PtSi/Si肖特基勢壘型為主的紅外探測器，其突出的優(yōu)點是完全采用Si集成電路工藝；但是這種結(jié)構(gòu)器件的紅外吸收區(qū)的量子效率偏低。而采用SiGe/Si異質(zhì)結(jié)勢壘可以消除這一缺點。這是由于在高摻雜的SiGe合金中，空穴都集中在價帶頂?shù)劫M米能級之間，摻雜濃度為1×1020/cm3時，SiGe的費米能級進入價帶的深度只有0.1～0.2 eV左右，因此被激發(fā)的光生空穴的極大部分對光生伏特效應(yīng)有貢獻，從而具有很高的量子效率。目前，SiGe/Si HIP紅外焦平面陣列的集成度已達400×400單元[54]。SiGe/Si HIP的另外一個優(yōu)點是對器件的截止波長可以進行調(diào)節(jié)。目前SiGe/Si HIP器件的截止波長已可以做到16 μm[55]。

Si基Ge光電探測器的研究可以追溯到1984年[56]，而受到Ge外延薄膜晶體質(zhì)量的制約，其快速發(fā)展開始于2000年左右。1998年，Colance等[57]采用低溫Ge緩沖層技術(shù)在UHVCVD設(shè)備上制備Ge薄膜，制作了金屬—半導(dǎo)體—金屬(MSM)光電探測器，器件在波長1.3 μm處的響應(yīng)度為0.24 A/W，響應(yīng)時間為 2 ns。2005 年，Jutzi等[58]制作了PIN同質(zhì)結(jié)探測器，本征吸收區(qū)厚度為300 nm，器件的帶寬高達38.9 GHz。2009年，他們通過降低器件的串聯(lián)電阻將探測器帶寬提高到49 GHz[59]。Osmond等[60]也報道了49 GHz帶寬的探測器。Intel公司和IBM公司分別報道了波導(dǎo)集成PIN和MSM光電探測器，波導(dǎo)集成結(jié)構(gòu)將探測器的量子效率—帶寬積提高了～8倍。

綜上所述，SiGe器件在通信、單芯片射頻、全球定位、信號處理等領(lǐng)域均有重要的應(yīng)用，特別是在WLAN和GPS無線通信領(lǐng)域。據(jù)美國商業(yè)部預(yù)測，到2013年，全球定位系統(tǒng)將達到160億美元。有權(quán)威部門統(tǒng)計，2006年SiGe外延材料和器件市場達到了12億美元，預(yù)計到2013年SiGe IC市場規(guī)模將達到28億美元，這些都預(yù)示著鍺硅材料有著美好的應(yīng)用前景。

4 總結(jié)與展望

本文綜述了Si基SiGe材料的外延生長技術(shù)、設(shè)備以及主要應(yīng)用領(lǐng)域。通過使用UHVCVD等外延設(shè)備，綜合各種緩沖層技術(shù)，人們已經(jīng)可以在Si襯底上異質(zhì)外延生長出晶體質(zhì)量優(yōu)良的SiGe薄膜材料，并用這類材料研制出高性能雙極型異質(zhì)結(jié)晶體管和調(diào)制摻雜場效應(yīng)晶體管以及長波長光電探測器，并取得了重要進展。此外，近年來隨著SOI技術(shù)和SiGe技術(shù)的日漸成熟，一種基于這兩種技術(shù)的新的微電子技術(shù)應(yīng)運而生-SiGe on Insulator(SiGe-OI)[61]。SiGe-OI的出現(xiàn)將 Si基能帶工程拓展到了SOI襯底材料上，使得器件速度、功耗等性能大為提高，應(yīng)用前景非常廣闊。近年來，Si基Ge激光器也得到了很大發(fā)展，被認為是最有希望實現(xiàn)Si基片上集成的激光器[2]。充分發(fā)揮硅基鍺硅薄膜優(yōu)良的光電特性、靈活的集成性、低廉的價格等特點，硅基光電集成將會更加快速地向前發(fā)展。

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