CN102162137B - 一种高质量应变的Ge/SiGe超晶格结构及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于半导体材料技术领域，涉及Ge/Si_1-xGe_x超晶格结构及其制备。本发明的高质量应变Ge/Si_1-xGe_x超晶格结构，包括Si衬底、在Si衬底上依次外延生长的Si_0.2Ge_0.8虚拟衬底层、B掺杂Si_0.2Ge_0.8外延层、Si_0.2Ge_0.8阻挡层、Ge/Si_1-xGe_x超晶格层、P掺杂Si_0.2Ge_0.8外延层、Si_0.2Ge_0.8阻挡层和Si保护层，且0.6≤x≤0.7。本发明采用减压化学气相沉积法在Si衬底上依次生长各外延层，所得超晶格结构具有位错缺陷密度低、厚度薄、界面/表面平整、Ge/Si_1-xGe_x超晶格处于应变状态等特性；且质量高，特别适于制作硅基激光器和波导调制器。

Description

一种高质量应变的Ge/SiGe超晶格结构及其制备方法

技术领域

本发明属于半导体材料技术领域，涉及一种高质量应变的Ge/Si_1-xGe_x(0.6≤x≤0.7)超晶格结构及其制备方法。

背景技术

随着科学技术的发展，人类迈进了高度电子化、信息化的社会。信息传输、处理和存储将要求空前的规模和速度。在半导体产业中，以Si材料作为主导的半导体器件已经发展了半个多世纪。随着半导体器件特征尺寸的不断缩小，单个晶体管的加工工艺已逐渐达到了物理和技术的双重极限。如何实现上述电子信息技术的飞跃，已成为本世纪面临的重大科学问题之一。硅基微电子器件和光子器件的集成研究由于具有广泛的应用前景而备受关注。硅光子器件领域包括光子器件的设计、制造和在光通信、光互连、光计算等领域中的实际应用，可将功能不同的微电子器件和光子器件集成在同一硅片上，构成具有特殊性能的光电子集成电路，实现光互连。因此硅基光电子器件具有高性能、低成本、与微电子工艺兼容等诸多优点，成为未来实现高速光互连芯片的关键技术之一，具有十分诱人的前景。

为了实现Si基光电子器件的集成发展，必须突破以Si作为半导体材料间接带隙特性的局限，制备出有效的Si基光子器件，如硅基光源、波导调制器、探测器等。现已公知，处于应变状态的Si、SiGe、Ge等材料的能带结构、半导体性能和光学性能与传统的材料相比表现出很大的不同。应变的Ge/SiGe超晶格结构在光学和电学性能上表现出许多新的特性，被认为是实现硅基光源和光波导调制器的有效途径。但是制备Si基应变的Ge/SiGe超晶格结构目前仍具有很大的挑战性，尤其是高Ge含量的应变Ge/Si_1-xGe_x(x＞0.5)超晶格。主要是因为Ge和Si之间存在较大的晶格失配(4.2％)，不能直接将Ge/Si_1-xGe_x(x＞0.5)超晶格结构外延生长在Si晶圆上，晶格失配会使Ge/SiGe超晶格的外延层会发生弛豫，产生缺陷和位错，严重影响超晶格的能带结构和光电特性。Si_1-yGe_y虚拟衬底能有效降低Ge/Si_1-xGe_x超晶格和Si_1-yGe_y虚拟衬底之间的晶格失配，适合作为上述量子的缓冲层。虚拟衬底一般是通过各种方法在Si衬底上获得一层高质量并且与所需外延材料性质差别较小的薄膜缓冲层，做为新材料的衬底，在其上外延制备所需的结构。传统的制备Si_1-yGe_y虚拟衬底的方法是通过外延正向(Ge含量逐渐增加)组份渐变的SiGe层得到虚拟衬底，这在低锗含量的Si_1-yGe_y(y＜0.5)虚拟衬底上是可行的。但是，如果制备高Ge含量应变Ge/Si_1-xGe_x(x＞0.5)超晶格结构，就需要高锗含量的Si_1-yGe_y(0.7≤x≤0.9)虚拟衬底。如果采用传统的组份渐变的方式，Si_1-yGe_y(0.7≤y≤0.9)虚拟衬底的整体厚度将非常大。如，通过正向SiGe组份渐变层制备的Si_1-yGe_y(0.7≤x≤0.9)虚拟衬底厚度多在10μm以上，从而导致加工时间长，成本较高，而且较厚的SiGe组份渐变层使虚拟衬底表面具有严重的交叉影线(cross-hatch)，使得表面粗糙度较大，需要化学机械抛光(CMP)才能得到比较平坦的表面，增加了工艺的复杂性。因此，制备高质量、高Ge含量应变的Ge/SiGe超晶格结构仍是一个具有实际应用的研究，也能为Si基光子器件的发展提供良好的材料支撑。

发明内容

本发明的目的是提供一种高质量应变的Ge/Si_1-xGe_x(0.6≤x≤0.7)超晶格结构及其制备方法，以克服现有技术中难以制备高质量应变的Ge/Si_1-xGe_x(0.6≤x≤0.7)超晶格、厚度大、缺陷密度高、界面/表面粗糙等缺点。本发明提供的一种在完全弛豫的Si_0.2Ge_0.8衬底上，制备出了高质量应变的Ge/Si_1-xGe_x(0.6≤x≤0.7)超晶格结构，该超晶格结构具有应变、位错密度低、厚度薄、界面/表面平整等特性。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案来实现：

一种高质量应变的Ge/Si_1-xGe_x超晶格结构(如图1所示)，包括Si衬底、在Si衬底上由下而上依次外延生长的Si_0.2Ge_0.8虚拟衬底层、B掺杂的Si_0.2Ge_0.8外延层、Si_0.2Ge_0.8阻挡层、Ge/Si_1-xGe_x超晶格层、P掺杂的Si_0.2Ge_0.8外延层、Si_0.2Ge_0.8阻挡层和Si保护层，其中0.6≤x≤0.7。

所述Si_0.2Ge_0.8和Si_1-xGe_x中组分为Si和Ge，其各自含量为摩尔百分含量，如Si_0.2Ge_0.8中Ge的摩尔百分含量为80％。

所述Si衬底上外延生长的各层中，Ge/Si_1-xGe_x超晶格层为应变层，其余各外延层均为弛豫层。

所述Si衬底采用Si(100)晶圆，所述Si晶圆片为标准尺寸的工业化晶片，所述Si晶圆片的尺寸大小选用4英寸、6英寸、8英寸、12英寸等尺寸规格。所述Si衬底可采用高温1150℃烘焙2分钟进行处理备用。

所述Si_0.2Ge_0.8虚拟衬底层依次包括Ge弛豫缓冲层，SiGe组份渐变层和Si_0.2Ge_0.8组份恒定层。

所述Ge弛豫缓冲层包括Ge晶籽层和Ge缓冲层。所述Ge弛豫缓冲层的厚度为350-700nm；所述Ge晶籽层的厚度为50-100nm，所述Ge缓冲层的厚度为300-600nm。整个Ge缓冲层为弛豫的，为组份渐变的SiGe外延层提供缓冲。

所述SiGe组份渐变缓冲层和SiGe组分恒定层中组分为Si和Ge，其各自含量为摩尔百分含量。所述SiGe组份渐变层中，以紧邻Ge弛豫缓冲层的侧面为起点、以紧邻组分恒定的Si_0.2Ge_0.8层的侧面为终点，Ge的摩尔百分含量从100％逐渐减少至与Si_0.2Ge_0.8组分恒定层中的Ge摩尔百分含量相同。在所述SiGe组份渐变层中，所述Ge的摩尔百分含量每200-250nm厚度变化5％的Ge含量。所述SiGe组份渐变缓冲层的厚度为800-1000nm。

较佳的，所述Ge的摩尔百分含量以线性递减的方式从100％递减至80％。

所述Si_0.2Ge_0.8组份恒定层的厚度为500-1000nm，可根据实际所需厚度而定。

较佳的，所述Si_0.2Ge_0.8组份恒定层的表面平均粗糙度为1.3-1.6nm，位错密度在10⁶cm^-2的量级，为Ge/Si_1-xGe_x超晶格层的生长提供了良好的衬底。

所述B掺杂的Si_0.2Ge_0.8外延层和P掺杂的Si_0.2Ge_0.8外延层，B和P的掺杂浓度均10¹⁹个原子cm^-3量级，这两种缓冲层的厚度均可根据实际应用情况而定，所述B掺杂的Si_0.2Ge_0.8外延层的厚度为200-400nm，P掺杂的Si_0.2Ge_0.8外延层的厚度为100-200nm。

所述Si_0.2Ge_0.8阻挡层，其厚度一般为50-100nm，所述Si_0.2Ge_0.8阻挡层的厚度可根据实际应用调节，以阻挡B和P向Ge/Si_1-xGe_x超晶格中扩散。

所述Ge/Si_1-xGe_x超晶格层包括交替排列的Si_1-xGe_x栅层和Ge量子阱层，且以Si_1-xGe_x栅层开始并以Si_1-xGe_x栅层结束。所述Ge/Si_1-xGe_x超晶格中Ge的摩尔百分比含量为60-70％，为高锗含量的超晶格，Ge量子阱和Si_1-xGe_x栅层的厚度可根据实际需要生长。

进一步的，所述Ge量子阱层处于压应变，Si_1-xGe_x栅层处于拉伸应变。

所述Ge/Si_1-xGe_x超晶格层的交替周期为10-100周期；所述Ge量子阱层的厚度为7～9nm，Si_1-xGe_x栅层的厚度为5.6～7.1nm。所述Ge/Si_1-xGe_x超晶格层的总厚度由Ge量子阱层和Si_1-xGe_x栅层的厚度和层数决定。

所述Si保护层的厚度为2-3nm。

本发明的高质量应变的Ge/Si_1-xGe_x超晶格结构的制备方法，采用减压化学气相沉积法以GeH₄、Si₂H₆、SiH₂Cl₂为气相前驱物、以H₂为载气，在Si衬底上依次生长各外延层。

本发明的高质量应变的Ge/Si_1-xGe_x超晶格结构的制备方法，包括如下步骤(如图1所示)：

1)在Si衬底上外延生长Ge晶籽层，所述的Ge晶籽层的生长温度为350-400℃，生长室压力为50-150Torr，生长厚度为50-100nm。

所述Ge晶籽层的生长以GeH₄为气相前驱物，H₂为载气，如10％GeH₄/H₂(GeH₄/H₂代表GeH₄和H₂的混合气体，且GeH₄的体积百分含量为10％)，气体流量为100-150sccm。

2)在生长好的Ge晶籽层上外延生长Ge缓冲层，所述的Ge缓冲层的生长温度为650-700℃，生长室压力为50-150Torr，生长厚度为300-600nm。

所述Ge缓冲层的生长以GeH₄为气相前驱物，H₂为载气，如10％GeH₄/H₂气体流量为100-150sccm。

3)所述步骤2)的Ge缓冲层生长完成后在生长室原位退火，退火温度为800-850℃，获得完全弛豫的Ge弛豫缓冲层，所述Ge弛豫缓冲层的厚度为350-700nm。

所述退火色时间，如可以为40秒-10分钟。

4)在生长好的Ge弛豫缓冲层上外延生长组份渐变的SiGe缓冲层，所述外延生长温度为800-900℃，生长室压力为20-100Torr，生长厚度为800-1000nm。

所述组份渐变的SiGe缓冲层的生长以GeH₄和SiH₂Cl₂为气相前驱物，H₂为载气，通过在外延生长过程中动态调节所述气相前驱物GeH₄和SiH₂Cl₂的流速比来制备，如固定3％GeH₄/H₂的流量为500sccm，3％SiH₂Cl₂/H₂的流量由0增至33sccm。

5)在生长好的组份渐变的SiGe缓冲层上外延生长组份恒定的Si_0.2Ge_0.8外延层，所述的外延生长温度为800-900℃，生长室压力为20-100Torr，生长厚度为500-1000nm。

所述组份恒定的Si_0.2Ge_0.8外延层以GeH₄和SiH₂Cl₂为气相前驱物，H₂为载气，其中气体的流速比如，3％GeH₄/H₂的流量为400-500sccm，3％SiH₂Cl₂/H₂的流量为26-33sccm。

6)在生长好的组份恒定的Si_0.2Ge_0.8外延层上外延生长B掺杂的Si_0.2Ge_0.8层，所述外延生长温度为400-450℃，生长室压力为20-100Torr。所述B掺杂的Si_0.2Ge_0.8层生长的厚度为视实际应用情况而定，一般应为200～400nm以便作为刻蚀的判据。

所述B掺杂的Si_0.2Ge_0.8层以B₂H₆、Si₂H₆和GeH₄为气相前驱物，H₂为载气，其中气体流量如，10％GeH₄/H₂的流量为100～150sccm，3％ Si₂H₆/H₂的流量为16～23sccm，1％B₂H₆/H₂的流量为1～3sccm。

7)在生长好的B掺杂的Si_0.2Ge_0.8层上外延生长Si_0.2Ge_0.8阻挡层，所述外延生长温度为400-450℃，生长室压力为20-100Torr，生长厚度为视实际应用情况而定，一般应为50～100nm，以达到阻挡B向Ge/Si_1-xGe_x超晶格扩散的效果，但考虑到器件加工中的刻蚀工艺，厚度应越小越好。

所述Si_0.2Ge_0.8阻挡层以Si₂H₆和GeH₄为气相前驱物，H₂为载气，如10％ GeH₄/H₂的流量为100～150sccm，3％ Si₂H₆/H₂的流量为22～33sccm。

8)在生长好的Si_0.2Ge_0.8阻挡层上外延生长Ge/Si_1-xGe_x超晶格层，所述Ge/Si_1-xGe_x超晶格层为交替生长Si_1-xGe_x栅层和Ge量子阱层，以Si_1-xGe_x栅层开始并以Si_1-xGe_x栅层结束；所述外延生长温度为400-450℃，生长室压力为20-100Torr，Ge量子阱层和Si_1-xGe_x栅层的厚度可根据实际需要调节。

所述Ge/Si_1-xGe_x超晶格层以Si₂H₆和GeH₄为气相前驱物，H₂为载气；生长Ge量子阱时，如10％GeH₄/H₂的流量为100～150sccm，Si₂H₆的流量为0sccm；生长Si_1-xGe_x栅层时，如10％GeH₄/H₂的流量为100～150sccm，不同的Si₂H₆/H₂流量可生长不同Ge含量的Si_1-xGe_x栅层，如3％Si₂H₆/H₂的流量为41sccm时可生长Si_0.4Ge_0.6，如3％Si₂H₆/H₂的流量为37sccm时可生长Si_0.35Ge_0.65，如3％Si₂H₆/H₂的流量为32sccm时可生长Si_0.3Ge_0.7。

9)在生长好的Ge/Si_1-xGe_x超晶格层上外延生长Si_0.2Ge_0.8阻挡层，所述外延生长温度为400-450℃，生长室压力为20-100Torr，生长厚度为视实际应用情况而定，一般应为50～100nm，以达到阻挡P向Ge/Si_1-xGe_x超晶格扩散的效果，但考虑到器件加工中的刻蚀工艺，厚度应越小越好。

所述Si_0.2Ge_0.8阻挡层以Si₂H₆和GeH₄为气相前驱物，H₂为载气，如10％ GeH₄/H₂的流量为100～150sccm，3％ Si₂H₆/H₂的流量为22～33sccm。

10)在生长好的Si_0.2Ge_0.8阻挡层上外延生长P掺杂的Si_0.2Ge_0.8层，所述外延生长温度为400-450℃，生长室压力为20-100Torr，一般应为100-200nm以便作为刻蚀的判据。

所述P掺杂的Si_0.2Ge_0.8层以PH₃、Si₂H₆和GeH₄为气相前驱物，H₂为载气，10％GeH₄/H₂的流量如为100-150sccm，3％ Si₂H₆/H₂的流量如为22-41sccm，1％ PH₃/H₂的流量如为1sccm。

11)在生长好的P掺杂的Si_0.2Ge_0.8层上外延生长Si保护层，所述外延生长温度为400-450℃，生长室压力为50～100Torr，生长厚度为2-3nm。

所述的Si保护层以Si₂H₆为气相前驱物，H₂为载气，如3％Si₂H₆/H₂的流量为300～500sccm。

优选的，所述步骤6)至步骤11)中，所述外延生长必须在低温，400-450℃的温度下生长，以防止Si和Ge在Ge/Si_1-xGe_x超晶格中扩散以及B和P向Ge/Si_1-xGe_x超晶格中扩散。

本发明的Ge/Si_1-xGe_x超晶格结构的制备方法中，其中完全弛豫的Si_0.2Ge_0.8虚拟衬底是外延生长应变Ge/Si_1-xGe_x超晶格的必须条件，虚拟衬底的质量决定了其它各外延各层的质量，如应变弛豫、位错密度、界面粗燥度等，因此获得高质量弛豫Si_0.2Ge_0.8虚拟衬底也是影响整个Ge/Si_1-xGe_x超晶格结构的关键因素之一。

本发明的Ge/Si_1-xGe_x超晶格结构中采用的Si_0.2Ge_0.8虚拟衬底，具有应变弛豫、位错缺陷密度低，表面平整等特性，其中所述的Ge弛豫缓冲层和组份渐变的SiGe外延层是关键。Ge弛豫缓冲层采用两温法生长，在低温(如350-400℃)生长Ge晶籽层，避免高温下的岛状结晶和过低低温生长的结晶性差；组份渐变的SiGe外延层是降低组份恒定Si_0.2Ge_0.8缓冲层中位错密度缺陷的关键，随着组份渐变的SiGe缓冲层厚度的增加，组份渐变的SiGe缓冲层中每250nm厚度实现5％Ge含量的变化，逐步释放晶格失配的应变，有效减低了Si_0.2Ge_0.8缓冲层中位错缺陷密度。

本发明的Ge/Si_1-xGe_x超晶格结构的制备方法中，其中所述Ge/Si_1-xGe_x超晶格、B掺杂的Si_0.2Ge_0.8导电层和P掺杂的Si_0.2Ge_0.8导电层、Si_0.2Ge_0.8阻挡层的生长温度是关键因素之一。所述Si_0.2Ge_0.8虚拟衬底上的各外延层必须在合适的温度下生长，生长温度过低，如低于350℃，Si_1-xGe_x易出现多晶现象而且沉积速率很低，导致生长整个Ge/Si_1-xGe_x超晶格结构时间太长；生长温度过高，如生长温度高于550℃，在生长过程中会发生Si和Ge在Ge/Si_1-xGe_x超晶格中的互扩散，以及B和P向超晶格中扩散。本发明中所述Si_0.2Ge_0.8虚拟衬底上的各外延层均在400-450℃下生长，有效解决了上述问题。

本发明的高质量应变Ge/Si_1-xGe_x超晶格结构的制备方法中，通过引入Ge弛豫缓冲层和组份渐变的SiGe外延层的方式制备了高质量的Si_0.2Ge_0.8虚拟衬底，所述Si_0.2Ge_0.8虚拟衬底具有表面平整、位错密度低、厚度薄(2μm左右)、弛豫等特性。在弛豫的Si_0.2Ge_0.8虚拟衬底上低温(400-450℃)下外延生长了Ge/Si_1-xGe_x超晶格层，所述Ge/Si_1-xGe_x超晶格具有界面/表明平整、位错密度低、应变等特性。整个生长过程在工业化的外延设备上进行，不需要额外的加工工艺，如CMP等，缩短了外延时间，节省成本。本发明所制备Ge/Si_1-xGe_x超晶格结构，具有高Ge含量、位错密度低、厚度薄、界面/表面平整等特性，为高质量的Ge/Si_1-xGe_x超晶格结构，满足硅基光子器件的制作要求。本发明所制得的Ge/Si_1-xGe_x超晶格结构质量高，适用于制作与Si基CMOS工艺相兼容的光子器件，特别适用于制作硅基激光器和波导调制器。

附图说明

图1本发明的Ge/Si_1-xGe_x超晶格结构的结构示意图及制备流程图。

图2实施例1中具有Ge/Si_0.4Ge₆超晶格结构c横截面透射电子显微镜(TEM)照片。

图3实施例1中具有Ge/Si_0.4Ge_0.6超晶格结构c表面原子力显微镜(AFM)照片。

图4实施例1中具有Ge/Si_0.4Ge_0.6超晶格结构c高分辨X射线衍射摇摆曲线图。

图5实施例1中具有10个周期的Ge/Si_0.4Ge₆超晶格结构c高分辨X射线二维倒易空间图谱

图6实施例1中具有10个周期的Ge/Si_0.4Ge₆超晶格结构c中Si和Ge含量沿深度方向分布的二次离子质谱图谱图

图7实施例1中10个周期的Ge/Si_0.4Ge₆超晶格结构c经刻蚀后的光学显微镜照片

具体实施方式

下面结合具体实施例进一步阐述本发明，应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。

实施例1

一种高质量Ge/Si_1-xGe_x超晶格结构的制备流程如图1所示，制备具有10周期的Ge/Si_0.4Ge_0.6超晶格，包括以下步骤：

步骤s100，分别准备四片4英寸、6英寸、8英寸和12英寸的Si(100)晶圆片作为Si衬底。

步骤s101，Ge弛豫缓冲层的生长：分别以4英寸、6英寸、8英寸和12英寸的Si衬底为基础，先在400℃以GeH₄为气相前驱物，H₂为载气，10％GeH₄/H₂气体流量为150sccm，生长室压力为100Torr，分别沉积一层厚度为100nm的Ge晶籽层；保持生长气氛不变，然后在沉积好的四片Ge晶籽层上在700℃分别沉积厚度为400 nm的Ge缓冲层，完成后均在850℃原位(外延生长室)退火10分钟，退火时保持生长室压力为100 Torr。获得4片完全应变弛豫的Ge弛豫缓冲层。该4片Ge弛豫缓冲层分别为4英寸Si衬底500nm厚度的Ge弛豫缓冲层，标记为a1，6英寸Si衬底500nm厚度的Ge弛豫缓冲层，标记为b1、8英寸Si衬底500nm厚度的Ge弛豫缓冲层，标记为c1、12英寸Si衬底500nm厚度的Ge弛豫缓冲层，标记为d1。

步骤s102，组份渐变的SiGe缓冲层的生长：在步骤s101获得的弛豫Ge缓冲层a1、b1、c1和d1的基础上，分别外延生长组份渐变的SiGe缓冲层，以H₂为载气，GeH₄和SiCl₂H₂为气相前驱物，生长温度为850℃，生长室压力为20Torr，随组份渐变的SiGe缓冲层中Ge含量的变化，通过调节GeH₄与SiH₂Cl₂流量比实现SiGe组份渐变，3％ GeH₄/H₂的流量为500sccm，3％ SiH₂Cl₂/H₂的流量随生长时间线性渐增。组份渐变的SiGe缓冲层每250nm厚度实现5％ Ge的减少，直到渐变到Ge和Si的含量比为0.8∶0.2为止，分别得到厚度均为1000nm的组份渐变的Si_0.2Ge_0.8缓冲层a2、b2、c2和d2。

步骤s103，组份恒定的SiGe层的生长：在步骤s102获得的组份渐变的Si_0.2Ge_0.8缓冲层a2、b2、c2和d2的基础上，均以GeH₄和SiCl₂H₂为气相前驱物，H₂为载气，3％GeH₄/H₂的流量为500sccm，3％SiH₂Cl₂/H₂的流量为33sccm，外延生长温度为850℃，生长室压力为20Torr，生长厚度为500nm的组份恒定的Si_0.2Ge_0.8层，分别得到弛豫的Si_0.2Ge_0.8虚拟衬底a3、b3、c3和d3，经检测其外延层的总厚度均为2000nm。

步骤s104，B掺杂的Si_0.2Ge_0.8层的生长：在步骤s103获得的弛豫Si_0.2Ge_0.8虚拟衬底a3、b3、c3和d3的基础上，均以GeH₄、Si₂H₆和B₂H₆为气相前驱物，H₂为载气，10％GeH₄/H₂的流量为150sccm，3％Si₂H₆/H₂的流量为23sccm，1％B₂H₆/H₂的流量为1sccm，外延生长温度为450℃，生长室压力为20Torr，生长厚度为200nm的B掺杂的Si_0.2Ge_0.8层，分别得到B掺杂的Si_0.2Ge_0.8层的外延片a4、b4、c4和d4。

步骤s105，不掺杂的Si_0.2Ge_0.8阻挡层的生长：在步骤s104获得的B掺杂的Si_0.2Ge_0.8层a4、b4、c4和d4的基础上，均以GeH₄和Si₂H₆为气相前驱物，H₂为载气，10％GeH₄/H₂的流量为150sccm，3％ Si₂H₆/H₂的流量为23sccm，外延生长温度为450℃，生长室压力为20Torr，生长厚度为100nm的不掺杂的Si_0.2Ge_0.8层，分别得到不掺杂的Si_0.2Ge_0.8层的外延片a5、b5、c5和d5。

步骤s106，10周期Ge/Si_0.4Ge_0.6超晶格的生长：在步骤s105获得的不掺杂的Si_0.2Ge_0.8层的外延片a5、b5、c5和d5的基础上，均以GeH₄和Si₂H₆为气相前驱物，以H₂为载气，生长Si_0.4Ge_0.6外延层时10％ GeH₄/H₂的流量为150sccm，3％ Si₂H₆/H₂的流量为41sccm；生长Ge外延层时10％ GeH₄/H₂的流量为150sccm，Si₂H₆流量为0sccm，外延生长温度为450℃，生长室压力为20Torr，分别获得具有11层6.4nm Si_0.4Ge_0.6栅层和10层8nm Ge量子阱的Ge/Si_0.4Ge_0.6超晶格外延片a6、b6、c6和d6。

步骤s107，不掺杂的Si_0.2Ge_0.8阻挡层的生长：在步骤s106获得的Ge/Si_0.4Ge_0.6超晶格层a6、b6、c6和d6的基础上，均以GeH₄和Si₂H₆为气相前驱物，H₂为载气，10％GeH₄/H₂的流量为150sccm，3％Si₂H₆/H₂的流量为23sccm，外延生长温度为450℃，生长室压力为20Torr，生长厚度为50nm的不掺杂的Si_0.2Ge_0.8层，分别得到不掺杂的Si_0.2Ge_0.8层的外延片a7、b7、c7和d7。

步骤s108，P掺杂的Si_0.2Ge_0.8层的生长：在步骤s107获得的不掺杂Si_0.2Ge_0.8层的外延片a7、b7、c7和d7的基础上，均以GeH₄、Si₂H₆和PH₃为气相前驱物，H₂为载气，10％GeH₄/H₂的流量为150sccm，3％Si₂H₆/H₂的流量为41sccm，1％PH₃/H₂的流量为1sccm，外延生长温度为450℃，生长室压力为20Torr，生长厚度为100nm的P掺杂的Si_0.2Ge_0.8层，分别得到P掺杂的Si_0.2Ge_0.8层的外延片a8、b8、c8和d8。

步骤s109，Si保护层的生长：在步骤s108获得的不掺杂Si_0.2Ge_0.8层的外延片a8、b8、c8和d8的基础上，以Si₂H₆为气相前驱物，H₂为载气，3％ Si₂H₆/H₂的流量为500sccm，外延生长温度为450℃，生长室压力为20Torr，生长厚度为2nm Si保护层层，最终获得Ge/Si_0.4Ge_0.6超晶格结构的外延片a、b、c和d。

该实施例1所得的具有Ge/Si_0.4Ge_0.6超晶格结构的结构示意图如图1所示，以Si衬底为基础，由下而上依次外延生长的Ge弛豫缓冲层、组份渐变的SiGe外延层和组分恒定的Si_0.2Ge_0.8缓冲层、B掺杂的Si_0.2Ge_0.8层、Si_0.2Ge_0.8阻挡层、Ge/Si_0.4Ge_0.6超晶格、Si_0.2Ge_0.8阻挡层、P掺杂的Si_0.2Ge_0.8层和Si保护层；在Si衬底上外延生长的各层中，所述Ge/Si_1-xGe_x超晶格层为应变的，其余各外延层均为弛豫的。

图2(a)为实施例1所得的Ge/Si_0.4Ge_0.6超晶格结构c横截面透射电子显微镜(TEM)全景照片，从图中的TEM照片可以看出，Si_0.2Ge_0.8虚拟衬底c的各外延层总厚度为2μm，位错和缺陷主要集中在厚度为1μm的Si_0-0.2Ge_1-0.8组份渐变层，Si_0.2Ge_0.8组份恒定层中则没有明显的位错和缺陷。图2(b)为实施例1所得的Ge/Si_0.4Ge_0.6超晶格c横截面透射电子显微镜(TEM)局域照片，从图中的TEM照片可以看出Ge量子阱层和Si_0.4Ge_0.6栅层的厚度以及不同外延层之间的清晰界面。

图3为实施例1所得的Ge/Si_0.4Ge_0.6超晶格结构c的表面原子力显微镜(AFM)照片，从该表面形貌原子力照片中可以看出，该Ge/Si_0.4Ge_0.6超晶格结构c的平均粗糙度为1.4±0.1nm，满足一般光电子器件的技术工艺要求(＜2.0nm)。

图4为实施例1中具有Ge/Si_0.4Ge_0.6超晶格结构c高分辨X射线衍射摇摆曲线图，图谱表面薄膜具有良好的周期性超晶格结构。

图5为实施例1所得的Ge/Si_0.4Ge_0.6超晶格结构c高分辨X射线衍射倒易空间图谱，外延生长的各层已在图中标出，可以看出Ge/Si_0.4Ge_0.6超晶格为应变的，其中Ge量子阱层处于压应变，Si_0.4Ge_0.6栅层处于拉伸应变，Ge缓冲层、SiGe组份渐变层、Si_0.2Ge_0.8组份恒定层、B掺杂的Si_0.2Ge_0.8层、P掺杂的Si_0.2Ge_0.8层、Si_0.2Ge_0.8阻挡层和Si保护层均处于完全弛豫的。

图6为实施例1所得的Ge/Si_0.4Ge_0.6超晶格结构c的二次离子质谱(SIMS)，图中为Ge/Si_0.4Ge_0.6超晶中Ge和Si的含量分布图，Ge在Si_1-xGe_x栅层中的摩尔百分含量为60％，Ge阱层与Si_0.4Ge_0.6栅层之间的界面锐利。

图7为实施例1所得的Ge/Si_0.4Ge_0.6超晶格结构c经刻蚀后的光学显微镜照片，通过刻蚀后获得的Si_0.2Ge_0.8虚拟衬底的位错密度为1.2×10⁶cm^-2，满足一般光电子器件的技术工艺要求。

实施例2

一种50周期Ge/Si_0.35Ge_0.65超晶格结构的制备，包括以下步骤：

步骤s100，准备4英寸的Si晶圆片作为Si衬底。

步骤s101，Ge弛豫缓冲层的生长：以4英寸的Si衬底为基础，先在400℃以GeH₄为气相前驱物，H₂为载气，10％GeH₄/H₂气体流量为150sccm，生长室压力为100Torr，分别沉积一层厚度为100nm的Ge晶籽层；保持生长气氛不变，然后在沉积好的Ge晶籽层上在700℃分别沉积厚度为400nm的Ge缓冲层，完成后均在850℃原位(外延生长室)退火10分钟，退火时保持生长室压力为100Torr，获得完全应变弛豫的Ge弛豫缓冲层。

步骤s102，组份渐变的SiGe缓冲层的生长：在步骤s101获得的弛豫Ge缓冲层基础上，分别外延生长组份渐变的SiGe缓冲层，以H₂为载气，GeH₄和SiCl₂H₂为气相前驱物，生长温度为850℃，生长室压力为20Torr，随组份渐变的SiGe缓冲层中Ge含量的变化，通过调节GeH₄与SiH₂Cl₂流量比实现SiGe组份渐变，3％ GeH₄/H₂的流量为500sccm，3％SiH₂Cl₂/H₂的流量随生长时间线性渐增。组份渐变的SiGe缓冲层每250nm厚度实现5％Ge的减少，直到渐变到Ge和Si的含量比为0.8∶0.2为止，得到厚度为1000nm的组份渐变的Si_0.2Ge_0.8缓冲层。

步骤s103，组份恒定的SiGe层的生长：在步骤s102获得的组份渐变的Si_0.2Ge_0.8缓冲层的基础上，均以GeH₄和SiCl₂H₂为气相前驱物，H₂为载气，3％ GeH₄/H₂的流量为500sccm，3％ SiH₂Cl₂/H₂的流量为33sccm，外延生长温度为850℃，生长室压力为20Torr，生长厚度为1000nm的组份恒定的Si_0.2Ge_0.8层，得到弛豫的Si_0.2Ge_0.8虚拟衬底，经检测该虚拟衬底外延层的总厚度均为2500nm。

步骤s104，B掺杂的Si_0.2Ge_0.8层的生长：在步骤s103获得的弛豫Si_0.2Ge_0.8虚拟衬底基础上，均以GeH₄、Si₂H₆和B₂H₆为气相前驱物，H₂为载气，10％GeH₄/H₂的流量为150sccm，3％ Si₂H₆/H₂的流量为23sccm，1％B₂H₆/H₂的流量为1sccm，外延生长温度为400℃，生长室压力为100Torr，生长厚度为300nm的B掺杂的Si_0.2Ge_0.8层，得到B掺杂的Si_0.2Ge_0.8层。

步骤s105，不掺杂的Si_0.2Ge_0.8阻挡层的生长：在步骤s104获得的B掺杂的Si_0.2Ge_0.8层基础上，均以GeH₄和Si₂H₆为气相前驱物，H₂为载气，10％ GeH₄/H₂的流量为150sccm，3％ Si₂H₆/H₂的流量为23sccm，外延生长温度为400℃，生长室压力为100Torr，生长厚度为100nm的不掺杂的Si_0.2Ge_0.8层，得到不掺杂的Si_0.2Ge_0.8层。

步骤s106，50周期Ge/Si_0.35Ge_0.65超晶格的生长：在步骤s105获得的不掺杂的Si_0.2Ge_0.8层基础上，均以GeH₄和Si₂H₆为气相前驱物，以H₂为载气，生长Si_0.25Ge_0.65外延层时10％GeH₄/H₂的流量为150sccm，3％ Si₂H₆/H₂的流量为37sccm；生长Ge外延层时10％ GeH₄/H₂的流量为150sccm，Si₂H₆流量为0sccm，外延生长温度为400℃，生长室压力为100Torr，得到具有51层7.1nm Si_0.4Ge_0.6栅层和50层9nm Ge量子阱的Ge/Si_0.35Ge_0.65超晶格外延片。

步骤s107，不掺杂的Si_0.2Ge_0.8阻挡层的生长：在步骤s106获得的Ge/Si_0.35Ge_0.65超晶格层基础上，均以GeH₄和Si₂H₆为气相前驱物，H₂为载气，10％ GeH₄/H₂的流量为150sccm，3％Si₂H₆/H₂的流量为23sccm，外延生长温度为400℃，生长室压力为100Torr，生长厚度为100nm的不掺杂的Si_0.2Ge_0.8层，得到不掺杂的Si_0.2Ge_0.8层的外延层。

步骤s108，P掺杂的Si_0.2Ge_0.8层的生长：在步骤s107获得的不掺杂Si_0.2Ge_0.8层基础上，均以GeH₄、Si₂H₆和PH₃为气相前驱物，H₂为载气，10％ GeH₄/H₂的流量为150sccm，3％Si₂H₆/H₂的流量为41sccm，1％PH₃/H₂的流量为1sccm，外延生长温度为400℃，生长室压力为100Torr，生长厚度为100nm的P掺杂的Si_0.2Ge_0.8层，得到P掺杂的Si_0.2Ge_0.8层。

步骤s109，Si保护层的生长：在步骤s108获得的P掺杂的Si_0.2Ge_0.8层基础上，以Si₂H₆，H₂为载气，3％ Si₂H₆/H₂的流量为500sccm，外延生长温度为400℃，生长室压力为100Torr，生长厚度为3nm的Si保护层，最终获得具有50周期的Ge/Si_0.35Ge_0.65超晶格结构的外延片。

经检测，Ge/Si_0.35Ge_0.65超晶格结构以Si衬底为基础，包括由下而上依次外延生长的Ge弛豫缓冲层、组份渐变的SiGe外延层和组分恒定的Si_0.2Ge_0.8缓冲层、B掺杂的Si_0.2Ge_0.8层、Si_0.2Ge_0.8阻挡层、Ge/Si_0.35Ge_0.65超晶格、Si_0.2Ge_0.8阻挡层、P掺杂的Si_0.2Ge_0.8层和Si保护层。在Si衬底上外延生长的各层中，所述Ge/Si_1-xGe_x超晶格层为应变的，其余各外延层均为弛豫的。

经检测，实施例2所得的Ge/Si_0.35Ge_0.65超晶格结构横截面透射电子显微镜(TEM)照片，可以看出，各外延层厚度、位错和缺陷得到了很好的控制。

经检测，实施例2所得的Ge/Si_0.35Ge_0.65超晶格结构的二次离子质谱(SIMS)，可以看出50周期的Ge/Si_0.35Ge_0.65超晶中Ge和Si的含量分布图，Ge在Si_1-xGe_x栅层中的摩尔百分含量为65％。

经检测，实施例2所得的Ge/Si_0.35Ge_0.65超晶格结构的表面原子力显微镜(AFM)照片，可以看出，该具有50周期Ge/Si_0.35Ge_0.65超晶格结构的平均粗糙度为1.4±0.1nm。

经检测，实施例2所得的Ge/Si_0.35Ge_0.65超晶格结构的高分辨X射线衍射倒易空间图谱，可以看出，可以看出Ge/Si_0.35Ge_0.65超晶格为应变的，其中Ge量子阱层处于压应变，Si_0.35Ge_0.65栅层处于拉伸应变，其它外延层为弛豫的。

经检测，实施例2所得的Ge/Si_0.35Ge_0.65超晶格结构经刻蚀后的光学显微镜照片，通过刻蚀后获得的位错密度为1.5×10⁶cm^-2，满足一般光电子器件的技术工艺要求。

实施例3

一种100周期Ge/Si_0.3Ge_0.7超晶格结构的制备，包括以下步骤：

步骤s100，准备12英寸的Si晶圆片作为Si衬底。

步骤s101，Ge弛豫缓冲层的生长：以12英寸的Si衬底为基础，先在400℃以GeH₄为气相前驱物，H₂为载气，10％ GeH₄/H₂气体流量为150sccm，生长室压力为100Torr，分别沉积一层厚度为100nm的Ge晶籽层；保持生长气氛不变，然后在沉积好的Ge晶籽层上在700℃分别沉积厚度为400nm的Ge缓冲层，完成后均在850℃原位(外延生长室)退火10分钟，退火时保持生长室压力为100Torr，获得完全应变弛豫的Ge弛豫缓冲层。

步骤s102，组份渐变的SiGe缓冲层的生长：在步骤s101获得的弛豫Ge缓冲层基础上，分别外延生长组份渐变的SiGe缓冲层，以H₂为载气，GeH₄和SiCl₂H₂为气相前驱物，生长温度为850℃，生长室压力为20Torr，随组份渐变的SiGe缓冲层中Ge含量的变化，通过调节GeH₄与SiH₂Cl₂流量比实现SiGe组份渐变，3％ GeH₄/H₂的流量为500sccm，3％SiH₂Cl₂/H₂的流量随生长时间线性渐增。组份渐变的SiGe缓冲层每250nm厚度实现5％ Ge的减少，直到渐变到Ge和Si的含量比为0.8∶0.2为止，得到厚度为1000nm的组份渐变的Si_0.2Ge_0.8缓冲层。

步骤s103，组份恒定的SiGe层的生长：在步骤s102获得的组份渐变的Si_0.2Ge_0.8缓冲层的基础上，均以GeH₄和SiCl₂H₂为气相前驱物，H₂为载气，均以GeH₄和SiCl₂H₂为气相前驱物，H₂为载气，3％ GeH₄/H₂的流量为500sccm，3％ SiH₂Cl₂/H₂的流量为33sccm，外延生长温度为850℃，生长室压力为20Torr，生长厚度为750nm的组份恒定的Si_0.2Ge_0.8层，得到弛豫的Si_0.2Ge_0.8虚拟衬底，经检测该虚拟衬底外延层的总厚度为2250nm。

步骤s104，B掺杂的Si_0.2Ge_0.8层的生长：在步骤s103获得的弛豫Si_0.2Ge_0.8虚拟衬底基础上，均以GeH₄和Si₂H₆为气相前驱物，H₂为载气，均以GeH₄、Si₂H₆和B₂H₆为气相前驱物，H₂为载气，10％ GeH₄/H₂的流量为150sccm，3％Si₂H₆/H₂的流量为23sccm，1％B₂H₆/H₂的流量为1sccm，外延生长温度为425℃，生长室压力为50Torr，生长厚度为250nm的B掺杂的Si_0.2Ge_0.8层，得到B掺杂的Si_0.2Ge_0.8层。

步骤s105，不掺杂的Si_0.2Ge_0.8阻挡层的生长：在步骤s104获得的B掺杂的Si_0.2Ge_0.8层基础上，均以GeH₄和Si₂H₆为气相前驱物，H₂为载气，10％ GeH₄/H₂的流量为150sccm，3％ Si₂H₆/H₂的流量为23sccm，外延生长温度为425℃，生长室压力为50Torr，生长厚度为100nm的不掺杂的Si_0.2Ge_0.8层，得到不掺杂的Si_0.2Ge_0.8层。

步骤s106，100周期Ge/Si_0.3Ge_0.7超晶格的生长：在步骤s105获得的不掺杂的Si_0.2Ge_0.8层基础上，均以GeH₄和Si₂H₆为气相前驱物，以H₂为载气，生长Si_0.3Ge_0.7外延层时10％GeH₄/H₂的流量为150sccm，3％Si₂H₆/H₂的流量为32sccm；生长Ge外延层时10％ GeH₄/H₂的流量为150sccm，Si₂H₆流量为0sccm，外延生长温度为425℃，生长室压力为50Torr，获得具有101层5.6nmSi_0.3Ge_0.7栅层和100层7nmGe量子阱的Ge/Si_0.3Ge_0.7超晶格外延片。

步骤s107，不掺杂的Si_0.2Ge_0.8阻挡层的生长：在步骤s106获得的Ge/Si_0.3Ge_0.7超晶格层基础上，均以GeH₄和Si₂H₆为气相前驱物，H₂为载气，10％GeH₄/H₂的流量为150sccm，3％ Si₂H₆/H₂的流量为23sccm，外延生长温度为425℃，生长室压力为50Torr，生长厚度为100nm的不掺杂的Si_0.2Ge_0.8层，得到不掺杂的Si_0.2Ge_0.8层的外延层。

步骤s108，P掺杂的Si_0.2Ge_0.8层的生长：在步骤s107获得的不掺杂Si_0.2Ge_0.8层基础上，均以GeH₄、Si₂H₆和PH₃为气相前驱物，H₂为载气，10％ GeH₄/H₂的流量为150sccm，3％Si₂H₆/H₂的流量为41sccm，1％ PH₃/H₂的流量为1sccm，外延生长温度为425℃，生长室压力为50Torr，生长厚度为100nm的P掺杂的Si_0.2Ge_0.8层，得到P掺杂的Si_0.2Ge_0.8层。

步骤s109，Si保护层的生长：在步骤s108获得的P掺杂的Si_0.2Ge_0.8层基础上，以Si₂H₆，H₂为载气，3％ Si₂H₆/H₂的流量为500sccm，外延生长温度为425℃，生长室压力为50Torr，生长厚度为2.5nm的Si保护层，最终获得具有100周期的Ge/Si_0.3Ge_0.7超晶格结构的外延片。

经检测，Ge/Si_0.3Ge_0.7超晶格结构以Si衬底为基础，包括由下而上依次外延生长的Ge弛豫缓冲层、组份渐变的SiGe外延层和组分恒定的Si_0.2Ge_0.8缓冲层、B掺杂的Si_0.2Ge_0.8层、Si_0.2Ge_0.8阻挡层、Ge/Si_0.3Ge_0.7超晶格、Si_0.2Ge_0.8阻挡层、P掺杂的Si_0.2Ge_0.8层和Si保护层。在Si衬底上外延生长的各层中，所述Ge/Si_1-xGe_x超晶格层为应变的，其余各外延层均为弛豫的。

经检测，实施例3所得的Ge/Si_0.3Ge_0.7超晶格结构横截面透射电子显微镜(TEM)照片，可以看出，可以看出，各外延层厚度、位错和缺陷得到了很好的控制。

经检测，实施例3所得的Ge/Si_0.3Ge_0.7超晶格结构的二次离子质谱(SIMS)，可以看出50周期的Ge/Si_0.3Ge_0.7超晶中Ge和Si的含量分布图，Ge在Si_1-xGe_x栅层中的摩尔百分含量为70％。

经检测，实施例3所得的Ge/Si_0.3Ge_0.7超晶格结构的表面原子力显微镜(AFM)照片，可以看出，该具有100周期Ge/Si_0.3Ge_0.7超晶格结构的平均粗糙度为1.5±0.1nm。

经检测，实施例3所得的Ge/Si_0.3Ge_0.7超晶格结构的高分辨X射线衍射倒易空间图谱，可以看出，可以看出Ge/Si_0.3Ge_0.7超晶格为应变的，其中Ge量子阱层处于压应变，Si_0.3Ge_0.7栅层处于拉伸应变，其它外延层为弛豫的。

经检测，实施例3所得的Ge/Si_0.3Ge_0.7超晶格结构经刻蚀后的光学显微镜照片，通过刻蚀后获得的位错密度为1.5×10⁶cm^-2，满足一般光电子器件的技术工艺要求。

实施例4

一种50周期Ge/Si_0.35Ge_0.65超晶格结构的制备，包括以下步骤：

步骤s100，准备8英寸的Si晶圆片作为Si衬底。

步骤s101，Ge弛豫缓冲层的生长：以8英寸的Si衬底为基础，先在350℃以GeH₄为气相前驱物，H₂为载气，10％ GeH₄/H₂气体流量为100sccm，生长室压力为50Torr，分别沉积一层厚度为100nm的Ge晶籽层；保持生长气氛不变，然后在沉积好的Ge晶籽层上在650 ℃分别沉积厚度为300 nm的Ge缓冲层，完成后均在800℃原位(外延生长室)退火10分钟，退火时保持生长室压力为100Torr，获得完全应变弛豫的Ge弛豫缓冲层。

步骤s102，组份渐变的SiGe缓冲层的生长：在步骤s101获得的弛豫Ge缓冲层基础上，分别外延生长组份渐变的SiGe缓冲层，以H₂为载气，GeH₄和SiCl₂H₂为气相前驱物，生长温度为800℃，生长室压力为100Torr，随组份渐变的SiGe缓冲层中Ge含量的变化，通过调节GeH₄与SiH₂Cl₂流量比实现SiGe组份渐变，3％ GeH₄/H₂的流量为500sccm，3％SiH₂Cl₂/H₂的流量随生长时间线性渐增。组份渐变的SiGe缓冲层每250nm厚度实现5％ Ge的减少，直到渐变到Ge和Si的含量比为0.8∶0.2为止，得到厚度为1000nm的组份渐变的Si_0.2Ge_0.8缓冲层。

步骤s103，组份恒定的SiGe层的生长：在步骤s102获得的组份渐变的Si_0.2Ge_0.8缓冲层的基础上，均以GeH₄和SiCl₂H₂为气相前驱物，H₂为载气，3％ GeH₄/H₂的流量为500sccm，3％ SiH₂Cl₂/H₂的流量为33sccm，外延生长温度为800℃，生长室压力为100Torr，生长厚度为500nm的组份恒定的Si_0.2Ge_0.8层，得到弛豫的Si_0.2Ge_0.8虚拟衬底，经检测该虚拟衬底外延层的总厚度均为1900nm。

步骤s104，B掺杂的Si_0.2Ge_0.8层的生长：在步骤s103获得的弛豫Si_0.2Ge_0.8虚拟衬底基础上，均以GeH₄、Si₂H₆和B₂H₆为气相前驱物，H₂为载气，10％GeH₄/H₂的流量为150sccm，3％ Si₂H₆/H₂的流量为23sccm，1％ B₂H₆/H₂的流量为1sccm，外延生长温度为450℃，生长室压力为20Torr，生长厚度为200nm的B掺杂的Si_0.2Ge_0.8层，得到B掺杂的Si_0.2Ge_0.8层。

步骤s105，不掺杂的Si_0.2Ge_0.8阻挡层的生长：在步骤s104获得的B掺杂的Si_0.2Ge_0.8层基础上，均以GeH₄和Si₂H₆为气相前驱物，H₂为载气，10％ GeH₄/H₂的流量为150sccm，3％ Si₂H₆/H₂的流量为23sccm，外延生长温度为450℃，生长室压力为100Torr，生长厚度为50nm的不掺杂的Si_0.2Ge_0.8层，得到不掺杂的Si_0.2Ge_0.8层。

步骤s106，50周期Ge/Si_0.35Ge_0.65超晶格的生长：在步骤s105获得的不掺杂的Si_0.2Ge_0.8层基础上，均以GeH₄和Si₂H₆为气相前驱物，以H₂为载气，生长Si_0.35Ge_0.65外延层时10％GeH₄/H₂的流量为150sccm，3％ Si₂H₆/H₂的流量为37sccm；生长Ge外延层时10％ GeH₄/H₂的流量为150sccm，Si₂H₆流量为0sccm，外延生长温度为450℃，生长室压力为100Torr，得到具有51层5.6nm Si_0.4Ge_0.6栅层和50层7nm Ge量子阱的Ge/Si_0.35Ge_0.65超晶格外延片。

步骤s107，不掺杂的Si_0.2Ge_0.8阻挡层的生长：在步骤s106获得的Ge/Si_0.35Ge_0.65超晶格层基础上，均以GeH₄和Si₂H₆为气相前驱物，H₂为载气，10％ GeH₄/H₂的流量为150sccm，3％ Si₂H₆/H₂的流量为23sccm，外延生长温度为450℃，生长室压力为20Torr，生长厚度为50nm的不掺杂的Si_0.2Ge_0.8层，得到不掺杂的Si_0.2Ge_0.8层的外延层。

步骤s108，P掺杂的Si_0.2Ge_0.8层的生长：在步骤s107获得的不掺杂Si_0.2Ge_0.8层基础上，均以GeH₄、Si₂H₆和PH₃为气相前驱物，H₂为载气，10％ GeH₄/H₂的流量为150sccm，3％Si₂H₆/H₂的流量为41sccm，1％ PH₃/H₂的流量为1sccm，外延生长温度为450℃，生长室压力为20Torr，生长厚度为200nm的P掺杂的Si_0.2Ge_0.8层，得到P掺杂的Si_0.2Ge_0.8层。

步骤s109，Si保护层的生长：在步骤s108获得的P掺杂的Si_0.2Ge_0.8层基础上，以Si₂H₆，H₂为载气，3％ Si₂H₆/H₂的流量为500sccm，外延生长温度为450℃，生长室压力为20Torr，生长厚度为2nm的Si保护层，最终获得具有50周期的Ge/Si_0.35Ge_0.65超晶格结构的外延片。

经检测，Ge/Si_0.35Ge_0.65超晶格结构以Si衬底为基础，包括由下而上依次外延生长的Ge弛豫缓冲层、组份渐变的SiGe外延层和组分恒定的Si_0.2Ge_0.8缓冲层、B掺杂的Si_0.2Ge_0.8层、Si_0.2Ge_0.8阻挡层、Ge/Si_0.35Ge_0.65超晶格、Si_0.2Ge_0.8阻挡层、P掺杂的Si_0.2Ge_0.8层和Si保护层。在Si衬底上外延生长的各层中，所述Ge/Si_1-xGe_x超晶格层为应变的，其余各外延层均为弛豫的。

经检测，实施例4所得的Ge/Si_0.35Ge_0.65超晶格结构横截面透射电子显微镜(TEM)照片，可以看出，各外延层厚度、位错和缺陷得到了很好的控制。

经检测，实施例4所得的Ge/Si_0.35Ge_0.65超晶格结构的二次离子质谱(SIMS)，可以看出50周期的Ge/Si_0.35Ge_0.65超晶中Ge和Si的含量分布图，Ge在Si_1-xGe_x栅层中的摩尔百分含量为65％。

经检测，实施例4所得的Ge/Si_0.35Ge_0.65超晶格结构的表面原子力显微镜(AFM)照片，可以看出，该具有50周期Ge/Si_0.35Ge_0.65超晶格结构的平均粗糙度为1.4±0.1nm。

经检测，实施例4所得的Ge/Si_0.35Ge_0.65超晶格结构的高分辨X射线衍射倒易空间图谱，可以看出，可以看出Ge/Si_0.35Ge_0.65超晶格为应变的，其中Ge量子阱层处于压应变，Si_0.35Ge_0.65栅层处于拉伸应变，其它外延层为弛豫的。

经检测，实施例4所得的Ge/Si_0.35Ge^0.65超晶格结构经刻蚀后的光学显微镜照片，通过刻蚀后获得的位错密度为1.5×10⁶cm^-2，满足一般光电子器件的技术工艺要求。

实施例5

一种80周期Ge/Si_0.35Ge_0.65超晶格结构的制备，包括以下步骤：

步骤s100，准备6英寸的Si晶圆片作为Si衬底。

步骤s101，Ge弛豫缓冲层的生长：以6英寸的Si衬底为基础，先在400℃以GeH₄为气相前驱物，H₂为载气，10％ GeH₄/H₂气体流量为150sccm，生长室压力为150Torr，分别沉积一层厚度为50nm的Ge晶籽层；保持生长气氛不变，然后在沉积好的Ge晶籽层上在700℃分别沉积厚度为600nm的Ge缓冲层，完成后均在850℃原位(外延生长室)退火10分钟，退火时保持生长室压力为100Torr，获得完全应变弛豫的Ge弛豫缓冲层。

步骤s102，组份渐变的SiGe缓冲层的生长：在步骤s101获得的弛豫Ge缓冲层基础上，分别外延生长组份渐变的SiGe缓冲层，以H₂为载气，GeH₄和SiCl₂H₂为气相前驱物，生长温度为900℃，生长室压力为20Torr，随组份渐变的SiGe缓冲层中Ge含量的变化，通过调节GeH₄与SiH₂Cl₂流量比实现SiGe组份渐变，3％ GeH₄/H₂的流量为500sccm，3％SiH₂Cl₂/H₂的流量随生长时间线性渐增。组份渐变的SiGe缓冲层每200nm厚度实现5％Ge的减少，直到渐变到Ge和Si的含量比为0.8∶0.2为止，得到厚度均为800nm的组份渐变的Si_0.2Ge_0.8缓冲层。

步骤s103，组份恒定的SiGe层的生长：在步骤s102获得的组份渐变的Si_0.2Ge_0.8缓冲层的基础上，均以GeH₄和SiCl₂H₂为气相前驱物，H₂为载气，3％ GeH₄/H₂的流量为400sccm，3％ SiH₂Cl₂/H₂的流量为26sccm，外延生长温度为900℃，生长室压力为20Torr，生长厚度为500nm的组份恒定的Si_0.2Ge_0.8层，得到弛豫的Si_0.2Ge_0.8虚拟衬底，经检测该虚拟衬底外延层的总厚度均为1950nm。

步骤s104，B掺杂的Si_0.2Ge_0.8层的生长：在步骤s103获得的弛豫Si_0.2Ge_0.8虚拟衬底基础上，均以GeH₄、Si₂H₆和B₂H₆为气相前驱物，H₂为载气，10％ GeH₄/H₂的流量为150sccm，3％ Si₂H₆/H₂的流量为23sccm，1％ B₂H₆/H₂的流量为1sccm，外延生长温度为400℃，生长室压力为100Torr，生长厚度为400nm的B掺杂的Si_0.2Ge_0.8层，得到B掺杂的Si_0.2Ge_0.8层。

步骤s105，不掺杂的Si_0.2Ge_0.8阻挡层的生长：在步骤s104获得的B掺杂的Si_0.2Ge_0.8层基础上，均以GeH₄和Si₂H₆为气相前驱物，H₂为载气，10％GeH₄/H₂的流量为100sccm，3％ Si₂H₆/H₂的流量为33sccm，外延生长温度为425℃，生长室压力为20Torr，生长厚度为100nm的不掺杂的Si_0.2Ge_0.8层，得到不掺杂的Si_0.2Ge_0.8层。

步骤s106，50周期Ge/Si_0.35Ge_0.65超晶格的生长：在步骤s105获得的不掺杂的Si_0.2Ge_0.8层基础上，均以GeH₄和Si₂H₆为气相前驱物，以H₂为载气，生长Si_0.35Ge_0.65外延层时10％GeH₄/H₂的流量为150sccm，3％Si₂H₆/H₂的流量为37sccm；生长Ge外延层时10％GeH₄/H₂的流量为100sccm，Si₂H₆流量为0sccm，外延生长温度为425℃，生长室压力为20Torr，得到具有81层6.4nm Si_0.4Ge_0.6栅层和80层8nm Ge量子阱的Ge/Si_0.35Ge_0.65超晶格外延片。

步骤s107，不掺杂的Si_0.2Ge_0.8阻挡层的生长：在步骤s106获得的Ge/Si_0.35Ge_0.65超晶格层基础上，均以GeH₄和Si₂H₆为气相前驱物，H₂为载气，10％GeH₄/H₂的流量为150sccm，3％Si₂H₆/H₂的流量为33sccm，外延生长温度为425℃，生长室压力为100Torr，生长厚度为100nm的不掺杂的Si_0.2Ge_0.8层，得到不掺杂的Si_0.2Ge_0.8层的外延层。

步骤s108，P掺杂的Si_0.2Ge_0.8层的生长：在步骤s107获得的不掺杂Si_0.2Ge_0.8层基础上，均以GeH₄、Si₂H₆和PH₃为气相前驱物，H₂为载气，10％GeH₄/H₂的流量为100sccm，3％Si₂H₆/H₂的流量为23sccm，1％PH₃/H₂的流量为1sccm，外延生长温度为425℃，生长室压力为100Torr，生长厚度为100nm的P掺杂的Si_0.2Ge_0.8层，得到P掺杂的Si_0.2Ge_0.8层。

步骤s109，Si保护层的生长：在步骤s108获得的P掺杂的Si_0.2Ge_0.8层基础上，以Si₂H₆，H₂为载气，3％Si₂H₆/H₂的流量为500sccm，外延生长温度为425℃，生长室压力为100Torr，生长厚度为3nm的Si保护层，最终获得具有50周期的Ge/Si_0.35Ge_0.65超晶格结构的外延片。

经检测，Ge/Si_0.35Ge_0.65超晶格结构以Si衬底为基础，包括由下而上依次外延生长的Ge弛豫缓冲层、组份渐变的SiGe外延层和组分恒定的Si_0.2Ge_0.8缓冲层、B掺杂的Si_0.2Ge_0.8层、Si_0.2Ge_0.8阻挡层、Ge/Si_0.35Ge_0.65超晶格、Si_0.2Ge_0.8阻挡层、P掺杂的Si_0.2Ge_0.8层和Si保护层。在Si衬底上外延生长的各层中，所述Ge/Si_1-xGe_x超晶格层为应变的，其余各外延层均为弛豫的。

经检测，实施例5所得的Ge/Si_0.35Ge_0.65超晶格结构横截面透射电子显微镜(TEM)照片，可以看出，各外延层厚度、位错和缺陷得到了很好的控制。

经检测，实施例5所得的Ge/Si_0.35Ge_0.65超晶格结构的二次离子质谱(SIMS)，可以看出50周期的Ge/Si_0.35Ge_0.65超晶中Ge和Si的含量分布图，Ge在Si_1-xGe_x栅层中的摩尔百分含量为65％。

经检测，实施例5所得的Ge/Si_0.35Ge_0.65超晶格结构的表面原子力显微镜(AFM)照片，可以看出，该具有50周期Ge/Si_0.35Ge_0.65超晶格结构的平均粗糙度为1.4±0.1nm。

经检测，实施例5所得的Ge/Si_0.35Ge_0.65超晶格结构的高分辨X射线衍射倒易空间图谱，可以看出，可以看出Ge/Si_0.35Ge_0.65超晶格为应变的，其中Ge量子阱层处于压应变，Si_0.35Ge_0.65栅层处于拉伸应变，其它外延层为弛豫的。

经检测，实施例5所得的Ge/Si_0.35Ge_0.65超晶格结构经刻蚀后的光学显微镜照片，通过刻蚀后获得的位错密度为1.5×10⁶cm^-2，满足一般光电子器件的技术工艺要求。

Claims (8)

1.一种应变的Ge/Si_1-xGe_x超晶格结构，包括Si衬底、在Si衬底上由下而上依次外延生长的Si_0.2Ge_0.8虚拟衬底层、B掺杂的Si_0.2Ge_0.8外延层、Si_0.2Ge_0.8阻挡层、Ge/Si_1-xGe_x超晶格层、Si_0.2Ge_0.8阻挡层、P掺杂的Si_0.2Ge_0.8外延层和Si保护层，其中0.6≤x≤0.7；

所述Si_0.2Ge_0.8虚拟衬底层依次包括Ge弛豫缓冲层，SiGe组份渐变层和Si_0.2Ge_0.8组份恒定层；所述Ge弛豫缓冲层包括Ge晶籽层和Ge缓冲层；所述SiGe组份渐变层中，以紧邻Ge弛豫缓冲层的侧面为起点、以紧邻组分恒定的Si_0.2Ge_0.8层的侧面为终点，Ge的摩尔百分含量从100％逐渐减少至与Si_0.2Ge_0.8组分恒定层中的Ge摩尔百分含量相同；

所述Ge/Si_1-xGe_x超晶格层包括交替排列的Si_1-xGe_x栅层和Ge量子阱层，且以Si_1-xGe_x栅层开始并以Si_1-xGe_x栅层结束，且所述Ge量子阱层处于压应变，Si_1-xGe_x栅层处于拉伸应变；

所述B掺杂的Si_0.2Ge_0.8外延层和P掺杂的Si_0.2Ge_0.8外延层中，B和P的掺杂浓度均为10¹⁹个原子cm^-3量级；所述B掺杂的Si_0.2Ge_0.8外延层的厚度为200-400nm，所述P掺杂的Si_0.2Ge_0.8外延层的厚度为100-200nm。

2.如权利要求1所述的应变的Ge/Si_1-xGe_x超晶格结构，其特征在于，所述Si衬底上外延生长的各层中，Ge/Si_1-xGe_x超晶格层为应变层，其余各外延层均为弛豫层。

3.如权利要求1或2所述的应变的Ge/Si_1-xGe_x超晶格结构，其特征在于，所述Ge/Si_1-xGe_x超晶格层的交替周期为10-100周期；所述Ge量子阱层的厚度为7~9nm，Si_1-xGe_x栅层的厚度为5.6~7.1nm。

4.如权利要求1或2所述的应变的Ge/Si_1-xGe_x超晶格结构，其特征在于，所述Si_0.2Ge_0.8虚拟衬底层依次包括Ge弛豫缓冲层，SiGe组份渐变层和Si_0.2Ge_0.8组份恒定层；

所述Ge弛豫缓冲层的厚度为350-700nm；

所述SiGe组份渐变层中，以紧邻Ge弛豫缓冲层的侧面为起点、以紧邻组分恒定的Si_0.2Ge_0.8层的侧面为终点，Ge的摩尔百分含量从100％逐渐减少至与Si_0.2Ge_0.8组分恒定层中的Ge摩尔百分含量相同；所述SiGe组份渐变缓冲层的厚度为800-1000nm；

所述Si_0.2Ge_0.8组份恒定层的表面平均粗糙度为1.3-1.6nm，位错密度在10⁶cm^-2的量级；所述Si_0.2Ge_0.8组份恒定层的厚度为500-1000nm。

5.如权利要求1或2所述的应变的Ge/Si_1-xGe_x超晶格结构，其特征在于，所述Si_0.2Ge_0.8阻挡层的厚度为50nm-100nm；所述Si保护层的厚度为2-3nm。

6.如权利要求1-5任一所述的应变的Ge/Si_1-xGe_x超晶格结构的制备方法，采用减压化学气相沉积法以GeH₄、Si₂H₆、B₂H₆、PH₃和SiH₂Cl₂为气相前驱物，以H₂为载气，在Si衬底上依次生长各外延层，具体包括如下步骤：

1）在Si衬底上外延生长Ge晶籽层；

2）在生长好的Ge晶籽层上外延生长Ge缓冲层；

3）所述步骤2）的Ge缓冲层生长完成后在生长室原位退火，退火温度为800-850°C，获得完全弛豫的Ge弛豫缓冲层；

4）在生长好的Ge弛豫缓冲层上外延生长组份渐变的SiGe缓冲层；

5）在生长好的组份渐变的SiGe缓冲层上外延生长组份恒定的Si_0.2Ge_0.8外延层；

6）在生长好的组份恒定的Si_0.2Ge_0.8外延层上外延生长B掺杂的Si_0.2Ge_0.8层；

7）在生长好的B掺杂的Si_0.2Ge_0.8层上外延生长Si_0.2Ge_0.8阻挡层；

8）在生长好的Si_0.2Ge_0.8阻挡层上外延生长Ge/Si_1-xGe_x超晶格层，所述Ge/Si_1-xGe_x超晶格层为交替生长Si_1-xGe_x栅层和Ge量子阱层，以Si_1-xGe_x栅层开始并以Si_1-xGe_x栅层结束；

9）在生长好的Ge/Si_1-xGe_x超晶格层上外延生长Si_0.2Ge_0.8阻挡层；

10）在生长好的Si_0.2Ge_0.8阻挡层上外延生长P掺杂的Si_0.2Ge_0.8层；

11）在生长好的P掺杂的Si_0.2Ge_0.8层上外延生长Si保护层，得到所述应变的Ge/Si_1-xGe_x超晶格结构。

7.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于，

步骤1）中，所述的Ge晶籽层的生长温度为350-400°C，生长室压力为50-150Torr；所述Ge晶籽层的生长以GeH₄为气相前驱物；

步骤2）中，所述的Ge缓冲层的生长温度为650-700°C，生长室压力为50-150Torr；所述Ge缓冲层的生长以GeH₄为气相前驱物；

步骤4）中，所述组份渐变的SiGe缓冲层的生长温度为800-900°C，生长室压力为20-100Torr；所述组份渐变的SiGe缓冲层的生长以GeH₄和SiH₂Cl₂为气相前驱物；

步骤5）中，所述组份恒定的Si_0.2Ge_0.8外延层的生长温度为800-900°C，生长室压力为20-100Torr；所述组份恒定的Si_0.2Ge_0.8外延层以GeH₄和SiH₂Cl₂为气相前驱物；

步骤6）中，所述B掺杂的Si_0.2Ge_0.8层的生长温度为400-450°C，生长室压力为20-100Torr；所述B掺杂的Si_0.2Ge_0.8层以B₂H₆、Si₂H₆和GeH₄为气相前驱物；

步骤7）中和步骤9）中，所述Si_0.2Ge_0.8阻挡层的生长温度均为400-450°C，生长室压力均为20-100Torr；所述Si_0.2Ge_0.8阻挡层以Si₂H₆和GeH₄为气相前驱物；

步骤8）中，所述Si_1-xGe_x栅层和Ge量子阱层的生长温度均为400-450°C，生长室压力均为20-100Torr；所述Ge/Si_1-xGe_x超晶格层以Si₂H₆和GeH₄为气相前驱物；所述Ge量子阱层以GeH₄为气相前驱物；

步骤10）中，所述P掺杂的Si_0.2Ge_0.8层的生长温度为400-450°C，生长室压力为20-100Torr；所述P掺杂的Si_0.2Ge_0.8层以PH₃、Si₂H₆和GeH₄为气相前驱物；

步骤11）中，所述Si保护层的生长温度为400-450°C，生长室压力为20-100Torr；所述的Si保护层以Si₂H₆为气相前驱物。

8.如权利要求1-5任一所述的应变的Ge/Si_1-xGe_x超晶格结构用于制备Si基激光器和波导调制器中的应用。

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