硅基锗薄膜分子束外延生长与RHEED分析

摘要

硅锗异质材料外延和器件制备成为目前半导体器件技术发展的一个热点，寻求利用锗材料优异的电子学和光学特性来提高传统硅器件性能。由于硅锗之间4.2％的晶格失配，硅衬底上锗薄膜生长的难点在于如何对应力释放的控制。本文利用分子束外延生长技术，探索硅基高质量锗硅外延的工艺条件和相关问题。
　　 实验中采用了原子力显微镜，腐蚀坑技术，拉曼光谱等多种测试手段。但是外延薄膜晶体质量和微结构的测试，尤其是外延过程中的实时监控是比较困难的，本文利用原位反射式电子衍射设备实时监控锗硅薄膜外延生长。在晶体衍射理论基础上，利用运动学理论解释了反射式高能电子衍射在Si—Ge晶体外延生长过程中不同阶段出现的花样。研究了平面衍射花样和晶体岛状生长之后出现的各种透射式衍射花样，并给出了相应的解释。
　　 本文研究了外延生长锗薄膜的生长机理，探索生长高质量锗薄膜的结构设计和工艺条件。文中讨论了插入层对于外延薄膜质量的影响，结合我们的设备状况，提出来一种多缓冲层的方法，在分子束外延系统中生长硅基高质量锗薄膜。缓冲层包括低温锗层和硅锗合金插入层，可以有效阻止位错线的延展，以降低薄膜中的位错密度。结果表明整个系统的厚度在400nm以内，线位错密度小于5×105cm—2，表面粗糙度为1.5nm。高质量锗薄膜外延的研究为我们后续的器件制备打下了基础。

目录

文摘

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致谢

1 绪论

1.1课题背景

1.2锗和锗硅的优势

1.3硅锗外延的器件应用举例

1.4本课题研究内容

参考文献

2 实验方法

2.1分子束外延系统

2.1.1实验流程

2.1.2硅片清洗

2.2反射式高能电子衍射

2.3检测方法

2.3.1原子力显微镜

2.3.2腐蚀坑测试

2.3.3拉曼光谱测试

参考文献

3 硅锗外延中的RHEED花样分析

3.1引言

3.2运动学衍射理论

3.2.1基本衍射条件

3.2.2倒易杆

3.2.3厄瓦德球图示法：

3.3平面衍射花样

3.3.1无重构表面RHEED花样计算

3.3.2重构表面RHEED花样

3.4透射式衍射花样

3.4.1一般透射式衍射花样

3.4.2多晶环衍射花样

3.4.3孪晶花样

3.5硅锗外延过程中RHEED监控

3.5.1衬底RHEED花样

3.5.2硅基锗量子点生长RHEED花样演化

3.5.3硅基锗薄膜外延RHEED花样演化

3.6结论

参考文献

4 硅基锗薄膜外延生长

4.1引言

4.2锗硅外延基本理论

4.2.1外延生长模式

4.2.2临界厚度

4.2.3外延薄膜中位错理论

4.3插入层研究

4.3.1样品制备

4.3.2结果分析

4.4高质量锗外延薄膜

4.4.1样品制备

4.4.2结果分析

4.5结果

参考文献

5 总结和展望

作者简历及在学期间所取得的科研成果