Si1-xGex/SOI材料的基本性质与应用前景
发布时间:2008/6/5 0:00:00 访问次数:635
张海鹏，章红芳，吕幼华 |
（杭州电子工业学院电子信息分院, 浙江 杭州310037） |
摘要：主要讨论了si1-x gex/soi材料的si1-x gex应变层临界厚度、折射率增量、载流子迁移率、超晶格的线性电光效应、等离子色散效应等基本性质，比较了soi、si1-xgex/soi光波导与石英光波导在光、光电集成方面的优势，简述了与体硅相比，soi在vlsi应用方面的优越性及其在微电子领域的广泛应用。最后探讨了si1-xgex/soi材料在光电集成和光集成领域的巨大应用前景。 关键词：si1-xge x/soi；应变层；光波导；光电集成；超晶格 中图分类号：tn304.2 文献标识码：a 文章编号：1003-353x(2004)03-0035-06
1 引言 近年来，光纤通信、计算机技术和绝缘层上硅（soi）技术的发展，使集成光学与集成光电子学领域对si、sige、soi等硅基材料的研究愈来愈重视。光纤通信的应用表明，用光子作信息的载体具有电子无与伦比的优点。而光子与电子的物理本质差异决定了光子在信息处理方面的应用具有更显著的优势。首先，光子不带电荷，使光学信息处理具有固有的并行性，恰好与信息的并行处理和并行计算吻合，是电子学无法比拟的。其次，光子无静质量，传播过程中能量损耗极小，传输频率很高，且传输带宽没有类似rc弛豫过程的限制。光学系统的空间和时间带宽积都很大，能容纳大量独立的信道以完成所需的各种操作。第三，光互连具有极高的带宽，可利用很多独立的信道，还可以提供大量连接数并能实现动态互连，这是电子互连做不到的。 对硅单晶掺杂在禁带中形成杂质能级，利用电子由杂质能级跃迁到价带顶的辐射复合发射波长为1.3-1.6μm红光的实验研究已有不少报道[1-4]。用硅材料制作1.3-1.6μm波长的全硅雪崩二极管[5]、肖特基二极管和sige（c）/si/soi超晶格光探测器也已成为可能[6-10]。s y lin等人研制出了硅基pbg（photonic band gap）棱镜和1.5μm波长的pbg激光器[11]。有关soi光波导及探测器的研究也已有许多报道[12-17]。soi材料不但具有良好的导波性能，在工艺上与体硅工艺兼容，还具有无闩锁效应、抗辐射、耐高温、便于三维集成和极好的按比例缩小性质等优点。所以，利用mbe、mocvd等技术在soi上生长sige/si异质结光、电、光电和电光器件，制成光电子回路将成为光电混合集成的最佳选择之一。 2 sige/soi材料的基本性质
但当soi膜足够厚（几十纳米），且在soi上外延生长的si1-xgex 合金层足够薄时，通过si1-xgex合金层的应变来补偿其晶格失配，则可获得无界面失配位错的si1-xgex 应变层。显然，si1-xgex应变层沿平行于硅膜生长表面方向受到压应力，从而使与硅膜保持共面晶格常数a//；沿垂直于硅膜生长表面方向受到张应力，使该方向晶格常数a⊥增大。因此在si1-xgex/soi应变层异质结构中，a⊥>a//，破坏了晶体的立方对称性，从而产生一些新的物理特性，如应变层的弹性能随层厚增加而增大[18]
式中μ为切变模量，ν为泊松比， ε为共面应变，t为层厚。 2.1 临界厚度
伴随si-mbe等外延技术的发展，目前已能在soi膜上实现sige/si晶格失配系统共度生长，形成一薄层si1-xgex应变层。这是由于在一定厚度范围内，sige外延层晶格常数受到失配应力的调节，其晶格产生弹性应变，使生长平面两侧的外延层晶格常数与硅膜晶格常数相等，从而在外延层中基本消除失配位错。由式3可知，应变层的应变能随层厚的增大而增加。当层厚增大到某一厚度值时，应变能将通过产生失配位错释放出来，所以应变层厚度存在一个临界值tc。当应变层厚度超过临界厚度时，应变被弛豫产生失配位错，从而破坏材料的物理性质。根据能量平衡模型 [19]，临界厚度为
该式与实验结果吻合很好。 对于由si1-xgex应变层与si交替构成的超晶格，假设其处于孤立的自由状态，应变的两组薄层的晶格常数为asige和asi。当tsige＜tcsige和tsi＜tcsi时，组成的超晶格无任何失配位错。若两层的弹性系统相同，且soi顶层硅膜不受薄外延层的影响
张海鹏，章红芳，吕幼华 | （杭州电子工业学院电子信息分院, 浙江 杭州310037） |
摘要：主要讨论了si1-x gex/soi材料的si1-x gex应变层临界厚度、折射率增量、载流子迁移率、超晶格的线性电光效应、等离子色散效应等基本性质，比较了soi、si1-xgex/soi光波导与石英光波导在光、光电集成方面的优势，简述了与体硅相比，soi在vlsi应用方面的优越性及其在微电子领域的广泛应用。最后探讨了si1-xgex/soi材料在光电集成和光集成领域的巨大应用前景。 关键词：si1-xge x/soi；应变层；光波导；光电集成；超晶格 中图分类号：tn304.2 文献标识码：a 文章编号：1003-353x(2004)03-0035-06
1 引言 近年来，光纤通信、计算机技术和绝缘层上硅（soi）技术的发展，使集成光学与集成光电子学领域对si、sige、soi等硅基材料的研究愈来愈重视。光纤通信的应用表明，用光子作信息的载体具有电子无与伦比的优点。而光子与电子的物理本质差异决定了光子在信息处理方面的应用具有更显著的优势。首先，光子不带电荷，使光学信息处理具有固有的并行性，恰好与信息的并行处理和并行计算吻合，是电子学无法比拟的。其次，光子无静质量，传播过程中能量损耗极小，传输频率很高，且传输带宽没有类似rc弛豫过程的限制。光学系统的空间和时间带宽积都很大，能容纳大量独立的信道以完成所需的各种操作。第三，光互连具有极高的带宽，可利用很多独立的信道，还可以提供大量连接数并能实现动态互连，这是电子互连做不到的。 对硅单晶掺杂在禁带中形成杂质能级，利用电子由杂质能级跃迁到价带顶的辐射复合发射波长为1.3-1.6μm红光的实验研究已有不少报道[1-4]。用硅材料制作1.3-1.6μm波长的全硅雪崩二极管[5]、肖特基二极管和sige（c）/si/soi超晶格光探测器也已成为可能[6-10]。s y lin等人研制出了硅基pbg（photonic band gap）棱镜和1.5μm波长的pbg激光器[11]。有关soi光波导及探测器的研究也已有许多报道[12-17]。soi材料不但具有良好的导波性能，在工艺上与体硅工艺兼容，还具有无闩锁效应、抗辐射、耐高温、便于三维集成和极好的按比例缩小性质等优点。所以，利用mbe、mocvd等技术在soi上生长sige/si异质结光、电、光电和电光器件，制成光电子回路将成为光电混合集成的最佳选择之一。 2 sige/soi材料的基本性质
但当soi膜足够厚（几十纳米），且在soi上外延生长的si1-xgex 合金层足够薄时，通过si1-xgex合金层的应变来补偿其晶格失配，则可获得无界面失配位错的si1-xgex 应变层。显然，si1-xgex应变层沿平行于硅膜生长表面方向受到压应力，从而使与硅膜保持共面晶格常数a//；沿垂直于硅膜生长表面方向受到张应力，使该方向晶格常数a⊥增大。因此在si1-xgex/soi应变层异质结构中，a⊥>a//，破坏了晶体的立方对称性，从而产生一些新的物理特性，如应变层的弹性能随层厚增加而增大[18]
式中μ为切变模量，ν为泊松比， ε为共面应变，t为层厚。 2.1 临界厚度
伴随si-mbe等外延技术的发展，目前已能在soi膜上实现sige/si晶格失配系统共度生长，形成一薄层si1-xgex应变层。这是由于在一定厚度范围内，sige外延层晶格常数受到失配应力的调节，其晶格产生弹性应变，使生长平面两侧的外延层晶格常数与硅膜晶格常数相等，从而在外延层中基本消除失配位错。由式3可知，应变层的应变能随层厚的增大而增加。当层厚增大到某一厚度值时，应变能将通过产生失配位错释放出来，所以应变层厚度存在一个临界值tc。当应变层厚度超过临界厚度时，应变被弛豫产生失配位错，从而破坏材料的物理性质。根据能量平衡模型 [19]，临界厚度为
该式与实验结果吻合很好。 对于由si1-xgex应变层与si交替构成的超晶格，假设其处于孤立的自由状态，应变的两组薄层的晶格常数为asige和asi。当tsige＜tcsige和tsi＜tcsi时，组成的超晶格无任何失配位错。若两层的弹性系统相同，且soi顶层硅膜不受薄外延层的影响
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