硅基锗材料的外延生长及其应用

外延工艺在集成电路制造产业中的应用外延(Epitaxy,简称Epi)工艺是指在单晶衬底上生长一层跟衬底具有相同晶格排列的单晶材料，外延层能够是同质外延层(Si/Si)，也能够是异质外延层(SiGe/Si或SiC/Si等)；同样实现外延生长也有许多方法，包括分子束外延(MBE)，超高真空化学气相沉积(UHV/CVD)，常压及减压外延(ATM&RPEpi)等等。

本文仅介绍广泛应用于半导体集成电路生产中衬底为硅材料的硅(Si)和锗硅(SiGe)外延工艺。

依据生长方法能够将外延工艺分为两大类(表1)：全外延(BlanketEpi)和选择性外延(SelectiveEpi,简称SEG)。

工艺气体中常用三种含硅气体源：硅烷(SiH4)，二氯硅烷(SiH2Cl2,简称DCS)和三氯硅烷(SiHCl3,简称TCS)；某些特别外延工艺中还要用到含Ge和C的气体锗烷(GeH4)和甲基硅烷(SiH3CH3)；选择性外延工艺中还需要用到刻蚀性气体氯化氢(HCl)，相应中的载气一般选用氢气(H2)。

外延选择性的实现一般通过调节外延沉积和原位(in-situ)刻蚀的相对速率大小来实现，所用气体一般为含氯(Cl)的硅源气体DCS，利用相应中Cl原子在硅表层的吸附小于氧化物或者氮化物来实现外延生长的选择性；由于SiH4不含Cl原子而且活化能低，一般仅应用于低温全外延工艺；而另外一种常用硅源TCS蒸气压低，在常温下呈液态，需要通过H2鼓泡来导进相应腔，但价格相对低廉，常利用其快速的生长率〔可抵达5um/min〕来生长对比厚的硅外延层，这在硅外延片生产中得到了广泛的应用。

IV族元素中Ge的晶格常数(5.646A与Si的晶格常数(5.431A区不最小，这使得SiGe与Si工艺易集成。

在单晶Si中引进Ge形成的SiGe单晶层能够落低带隙宽度，增大晶体管的特征截止频率fT(cut-offfrequency)，这使得它在无线及光通信高频器件方面应用十分广泛；另外在先进的CMOS集成电路工艺中还会利用Ge跟Si的晶格常数失配(4%)引进的晶格应力来提高电子或者空穴的迁移率(mobility)，从而增大器件的工作饱和电流以及响应速度，这正成为各国半导体集成电路工艺研究中的热点。

SOI基外延纯Ge材料的生长及表征蔡志猛;陈荔群【摘要】The tensile stained Ge grown on a silicon-on-insulator(SOI)substrate were fabricated successfully by ultra-high chemical wapor deposition.Firsty, a thin relaxed low-temperature SiGe buffer was grown followed by a low-temperature Ge layer,then,a high temperature Ge layer was grown at 600℃.High crystal quality and low surface roughness of 0.55nm of the Ge layer are characterized.%利用超高真空化学气相沉积系统采用低温-高温两步法外延Ge材料.我们先在低温下生长硅锗作为过渡缓冲层利用其界面应力限制位错的传播,然后在低温下生长的纯锗层,接着高温生长纯锗,最后在SOI基上成功的外延出了高质量的纯锗层,测试结果表明厚锗层的晶体生长质量很好,芯片表面也很平整,表面粗糙度5.5nm.【期刊名称】《电子测试》【年(卷),期】2016(000)006【总页数】3页(P38-39,31)【关键词】超高真空化学气相沉积系统;外延;锗【作者】蔡志猛;陈荔群【作者单位】厦门华厦学院,福建厦门,361000;集美大学诚毅学院,福建厦门,361021【正文语种】中文Ge 材料由于自身在电子和空穴迁移率及禁带宽度方面都比Si材料更优越同时其晶格常数同III-V族半导体材料相匹配等优点,近年来一直是研究的热点。

G锗材料由于与硅工艺相兼容,被大量应用在近红外光电方面。

另一方面,由于硅锗间高达4.2%的晶格失配,直接在硅材料上外延锗材料将会使得失配位错过多，无法得到平整的表面。

硅外延及其应用徐远志;胡亮;吴忠元【摘要】Silicon epitaxy growth technology is introduced,and three kindsof technologies applied to silicon epitaxy are summarized:molecular beam epitaxy (MBE),chemical vapor deposition (CVD),liquid deposition (LPE),and the application of Si base epitaxial material device is also introduced.%介绍了硅外延生长技术,综述了应用于硅外延的分子束外延(MBE)、化学气相沉积(CVD)、液相沉积(LPE)三种工艺,并介绍了Si基外延材料器件的应用.【期刊名称】《云南冶金》【年(卷),期】2013(042)003【总页数】5页(P46-50)【关键词】MBE;CVD;LPE;硅外延;应用【作者】徐远志;胡亮;吴忠元【作者单位】昆明冶研新材料股份有限公司,云南昆明650031;昆明理工大学化学工程学院,云南昆明650500;昆明理工大学化学工程学院,云南昆明650500;昆明理工大学化学工程学院,云南昆明650500【正文语种】中文【中图分类】TN304.1+2硅具有储量丰富、价格低廉、热性能与机械性能优良、易于生长大尺寸高纯度晶体等优点。

目前，硅半导体材料仍是电子信息产业最主要的基础材料，95%以上的半导体器件和99%以上的集成电路(IC)是用硅材料制作的。

在21 世纪，它的主导和核心地位仍不会动摇。

半导体制造商生产IC 芯片用硅片分别采用硅抛光片(PW)和硅外延片以及非抛光片三种类型，用量最多的为前二类硅片。

半导体硅材料自从60 年代被广泛应用于各类电子元器件以来，其用量保持高速增长。

SEMI(国际半导体设备与材料协会)报告预测了晶圆的需求前景，2013 年预计99.95 亿in2 (不包括非抛光硅片)。

硅基锗材料的外延生长及其应用摘要:硅是最重要的半导体材料,在信息产业中起着不可替代的作用。

但是硅材料也有一些物理局限性,比如它是间接带隙半导体材料,它的载流子迁移率低,所以硅材料的发光效率很低,器件速度比较慢。

在硅衬底上外延生长其它半导体材料,可以充分发挥各自的优点,弥补硅材料的不足。

本文介绍了硅衬底上的锗材料外延生长技术进展,讨论了该材料在微电子和光电子等方面的可能应用,重点介绍了它在硅基高速长波长光电探测器研制方面的应用。

关键词:硅基;锗,外延;光电探测器Epitaxy and application of Ge layer on Silicon substrateHuiwen Nie1, Buwen Cheng2(1.Hunan Chemical Engineering Machinery School, Hunan Industrial Technology College2.State Key Laboratory on Integrated Optoelectronics, Instituteof Semiconductors, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100083)Abstract: Silicon is the most important semiconductor material and it is irreplaceable in the information industry. But Silicon also has some shortcomings, such as very low luminescence efficiency and low device speed due to the indirect bandgap and low carrier mobility. Growing other semiconductors on Si substrate can take the advantages of the different semiconductors and improve the performance of theSi-based devices and integrated circuits. The progress of Ge growth on Si was introduced in the paper. The application of the Si-based Ge epitaxy layer was discussed, especially the application on Si-based high speed photodetectors operating at long wavelength.Key words: Si-based, Germanium, Epitaxy, Photodetector1引言硅基光电集成将微电子技术和光子学技术进行融合,是微电子技术的继承和发展,是信息技术发展的重要前沿研究领域。

低压锗硅外延
低压锗硅外延（Low Pressure Germanium Silicon Epitaxy，简称LPGeSi Epitaxy）是一种半导体材料生长技术，主要用于在硅衬底上沉积一层高质量的锗硅合金层。

这种工艺通常在很低的压力下（低于大气压）进行，通过化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition, CVD）方法，在高温条件下，将锗和硅的前驱体气体输送到反应室中，使得锗原子和硅原子能够在硅衬底表面有序地一层一层地生长，形成均匀且结构高度有序的单晶锗硅外延层。

锗硅材料因其独特的电子特性（如能带结构、载流子迁移率等），被广泛应用于微电子和光电子领域，例如制作高性能的双极型晶体管、异质结场效应晶体管（HBTs, Heterojunction Bipolar Transistors）、光电探测器以及集成光学器件等。

非对称面电极硅基锗金属-半导体-金属光电探测器的设计张诗雨;洪霞;方旭;叶辉【摘要】We have proposed a design of silicon based germanium metal-semiconductor-metal (MSM) photodetectors with asymmetric area electrodes based upon its dark current suppression mechanism. The influence of electrode structure on the dark current are simulated using ATLAS software. And the dark current of the samples is reduced to µA scale in experiment. Effective dark current suppression and performance improvement in silicon based germanium MSM photodetectors are then demonstrated.%针对金属-半导体-金属(MSM)光电探测器暗电流抑制的机理，本文提出了一种具有非对称面电极结构的硅基锗MSM光电探测器的设计方法，利用ATLAS仿真软件分析了电极结构参数对暗电流的影响，并通过实验得出样品器件的暗电流降低至微安量级。

实验结果表明，采用非对称面电极结构设计可以有效抑制硅基锗MSM光电探测器的暗电流，提高器件性能。

【期刊名称】《光电工程》【年(卷),期】2015(000)001【总页数】5页(P84-88)【关键词】非对称面电极;锗探测器;暗电流【作者】张诗雨;洪霞;方旭;叶辉【作者单位】浙江大学光电信息工程学系，杭州 310027;浙江大学光电信息工程学系，杭州 310027;浙江大学光电信息工程学系，杭州 310027;浙江大学光电信息工程学系，杭州 310027【正文语种】中文【中图分类】O472;TH74近年来，随着硅光子学技术的加速发展，实现具有更短传输距离，更高带宽和集成度的光互连技术成为了人们追求的目标。

锗硅异质结双极晶体管概述及解释说明1. 引言1.1 概述锗硅异质结双极晶体管（Germanium-Silicon Heterojunction Bipolar Transistor，简称GeSi HBT）是一种重要的半导体元件，其特点在于将锗和硅这两种不同材料组成异质结，以取得优异的性能和应用效果。

由于GeSi HBT具有高速度、低噪声、低功耗等优势，在通信、微电子学和射频电子学等领域被广泛应用。

1.2 文章结构本文将对锗硅异质结双极晶体管进行详细的介绍和解释说明。

首先，在引言部分概述了该主题的研究背景与意义，并介绍了文章的整体结构。

接着，第二部分将详细介绍GeSi HBT的原理和工作原理，以便读者能够理解其基本工作方式。

第三部分将回顾GeSi HBT发展历程，从初期研究到现阶段的技术突破和应用情况进行梳理，并展望其未来前景。

第四部分将介绍GeSi HBT的制备方法与工艺流程，包括材料选择、加工工艺流程介绍以及结构参数优化和工艺改进等内容。

最后，第五部分将对全文进行总结并提出未来的发展方向和实际应用推广建议。

1.3 目的本文旨在全面介绍锗硅异质结双极晶体管的原理、特点、制备方法以及其在不同领域的应用情况，以帮助读者深入了解该技术，并推动其在科学研究和工程应用中得到更广泛的应用。

通过对GeSi HBT发展历程的回顾，我们可以总结经验教训，并展望未来的研究方向和技术突破点，从而为相关领域研究人员提供有益的指导和参考。

同时，我们也将提出一些建议，以促进锗硅异质结双极晶体管的实际应用推广。

2. 锗硅异质结双极晶体管2.1 原理介绍锗硅异质结双极晶体管是一种利用不同半导体材料构成的异质结的双极晶体管。

它采用了锗和硅这两种特定的半导体材料作为其结构组件，利用锗和硅之间的能带差异以及异质结界面的特性来实现电子器件的功能。

在锗硅异质结双极晶体管中，通常使用p型锗作为基底材料，而n型硅则被用作活性层。

这样的材料选择可以使得电子在两个不同的能带结构中运动，从而产生许多有趣且独特的效应。

锗硅（Si1-x Ge x）是硅和锗通过共价键结合形成的半导体化合物，是这两种元素无限互溶的替位式固溶体。

锗硅一般有非晶、多晶、单晶和超晶格四种形态，其中单晶锗硅的主要应用之一就是作为异质结双极晶体管（Hetero-junction Bipolar Transistor，HBT）的基区，应用于具有高频、高速需求的无线通讯、卫星及光通讯等领域。

锗硅HBT与传统的硅晶体管相比，唯一区别在于其基区层里引入一定组分的锗元素，如图1 所示。

锗硅与硅的晶格常数很接近，在硅中掺入一定比例x的锗形成Si1-x Ge x化合物，可使其带隙变窄，以这种材料作为基区，以硅作为发射区就能制成宽带隙发射区异质结晶体管。

利用硅/锗硅HBT基区Si1-x Ge x带隙窄，且价带上移变窄的特性，基区空穴向发射区扩散比电子从发射区扩散到基区遇到更高的势垒，使得异质结比同质结的电子、空穴注入比大很多，因而大大提高了晶体管的电流增益。

因此，可以通过改变Si1-x Ge x基区锗组分调节电流增益，而不再受到基区掺杂的影响。

而在满足一定放大系数的前提下，基区可以重掺杂，而且可以做得较薄，以减少载流子的基区渡越时间,从而使器件具有较高的特征频率。

对于基区锗组分x而言，x越大发射结两边的带隙差越大，而电流增益将随带隙差的增大以指数增大。

但是锗组分x并非可以任意增大，因为随着x的增大，Si1-x Ge x化合物的晶格失配就会增加。

晶格失配会产生应变，形成失配错位，使器件的性能退化，这可以通过在锗硅中掺入适量碳（C）元素而得以改善。

以锗硅作为基区的HBT，为了达到更好的器件特性，基区锗浓度x更多的采用缓变掺杂的方式（图3），与均匀掺杂的基区（图2）相比，由于基区锗浓度的变化，而迫使其禁带宽倾斜，于是产生基区自建电场；正是由于此电场存在，发射极注入到基区的电子在基区渡越时获得加速，从而更有效的减少了少数载流子的基区渡越时间，提高了器件的截止频率。

28nm锗硅外延工艺的研究与应用
28纳米锗硅外延工艺是当前半导体领域的研究热点之一。

锗硅
外延技术是一种将锗硅合金材料沉积在硅衬底上的工艺，常用于制
造高性能集成电路。

这种工艺具有许多潜在的应用和研究价值。

首先，从研究角度来看，28纳米锗硅外延工艺的研究对于深入
了解材料的物理特性和电子特性具有重要意义。

通过对锗硅外延材
料的生长过程、晶体结构、缺陷特性等方面的研究，可以帮助我们
更好地理解材料的性能和行为规律。

这对于未来半导体材料的设计
和开发具有重要意义。

其次，从应用角度来看，28纳米锗硅外延工艺具有广泛的应用
前景。

首先，锗硅外延材料可以用于制造高性能的场效应晶体管（FET），其高迁移率和优异的电子特性使其成为下一代集成电路的
理想选择。

其次，锗硅外延材料还可以用于制造光电子器件，如光
探测器和光调制器，其在光通信和光存储领域具有重要的应用潜力。

此外，锗硅外延材料还可以用于制造能量转换器件，如太阳能电池
和热电器件，有望在可再生能源领域发挥重要作用。

总的来说，28纳米锗硅外延工艺的研究与应用具有重要的科学
意义和广阔的市场前景。

通过深入研究材料的物理特性和电子特性，可以为未来半导体材料的设计和开发提供重要的参考；而在应用方面，锗硅外延材料具有广泛的应用前景，有望在集成电路、光电子
器件和能量转换器件等领域发挥重要作用。

希望我的回答能够满足
你的要求。

分子束外延生长
分子束外延生长技术是近年来在半导体材料领域中风头正劲的一种方法。

它是一种通过分子束瞄准基底表面进行生长的技术，具有高度的精确度和可控性。

这种技术在半导体器件、量子点、纳米线等方面都有广泛的应用。

分子束外延生长技术的核心是通过气相生长来控制材料的组织结构和形态，从而获得更加理想的生长均一度和结晶质量。

在实际应用中，该技术广泛应用于硅基材料、锗基材料、氮化物材料等领域。

它不仅可以用来制备具有高电子迁移率的高性能晶体管，还可以用来制备高效的光电器件。

分子束外延生长技术的工艺是一个复杂的过程，需要高质量的设备和仪器。

生长材料必须先被加热至一定的温度，然后以分子束为载体进行注入。

通过依次添加气体、除去杂质后进行生长的，可控温度和良好真空度是关键。

通过精细的反馈控制，材料的厚度和组织结构可以得到非常精确的控制。

此外，分子束外延生长技术一般需要高度精确的控制，即需要得到非常高的单晶质量才能达到其本质效应。

因此，对于材料的表面和晶面缺陷的要求非常高。

在实际应用中，为了弥补材料表面和晶面缺陷对材料性能的不利影响，还需要通过其他技术进行后期处理。

总之，分子束外延生长技术是一种非常重要的材料制备方法。

一方面，它可以用来制备更高性能的半导体材料，另一方面它也可以用
来制备高效的光电器件。

不过，由于其工艺的复杂性，需要精心设计和控制好整个生长过程，同时也需要后期诸多处理手段来完善。

因此，未来的研究和开发，需要进一步完善相关的控制技术和设备。

锗硅外延工艺的调试和优化课程锗硅外延工艺（Germanium/Silicon epitaxy process）是一种重要的制备技术，用于制造一些高性能光电子器件。

在这门课程中，学生将学习如何进行锗硅外延工艺的调试和优化。

首先，我们将介绍锗硅外延工艺的基本原理和流程。

学生将了解锗硅外延材料的特性，以及为什么它在一些应用中比其他材料更有优势。

然后，我们将详细讲解锗硅外延工艺的工作步骤，包括材料准备、外延生长和后处理等。

接下来，我们将重点介绍锗硅外延工艺中常见的问题和挑战，并讨论如何调试和优化这些问题。

这些问题可能涉及外延层厚度均匀性、杂质控制、表面质量等方面。

学生将学习如何使用不同的工艺参数和条件来解决这些问题，并通过实验和模拟来验证优化效果。

在课程的实验部分，学生将进行一系列的锗硅外延工艺实验。

他们将学习如何使用外延炉、材料预处理设备和分析仪器等设备，并进行外延生长和后处理的操作。

通过实验，学生将更深入地了解锗硅外延工艺的细节，熟悉各种工艺参数的调节和优化方法。

除了实验，课程还将组织学生进行小组项目。

每个小组将选择一个具体的锗硅外延工艺问题，并设计一个解决方案。

学生将通过研究文献、模拟分析和实验验证来探索和优化解决方案的可行性和效果。

最后，小组将向全班做报告，分享他们的项目结果和经验。

通过这门课程，学生将掌握锗硅外延工艺的调试和优化技能，并学会如何运用科学原理和工程方法来解决实际问题。

这将为他们日后从事相关工作或研究提供坚实的基础，并提高他们的实际操作能力和创新能力。

锗硅外延工艺（Germanium/Silicon epitaxy process）是一种重要的制备技术，用于制造一些高性能光电子器件。

在这门课程中，学生将学习如何进行锗硅外延工艺的调试和优化。

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学生将了解锗硅外延材料的特性，以及为什么它在一些应用中比其他材料更有优势。

然后，我们将详细讲解锗硅外延工艺的工作步骤，包括材料准备、外延生长和后处理等。