GeSi(001)多层纳米岛材料的快速热退火特性.pdf

第２７卷增刊半导体学报犞狅犾．２７犛狌狆狆犾犲犿犲狀狋
２００６年１２月犆犎犐犖犈犛犈犑犗犝犚犖犃犔犗犉犛犈犕犐犆犗犖犇犝犆犜犗犚犛犇犲犮．，２００６

犌犲／犛犻（００１）多层纳米岛材料的快速热退火特性

时文华罗丽萍赵雷左玉华王启明

（中国科学院半导体研究所集成光电子国家重点实验室，北京１０００８３）

摘要：通过犡射线双晶衍射、光致发光谱等手段，系统研究了犌犲／犛犻（００１）多层纳米岛材料的快速热退火特性．研
究表明：退火过程中纳米岛区的犌犲／犛犻原子互扩散作用比浸润层区强烈；并且随着退火时间增加，这种互扩散作用
加大，晶体质量下降，影响材料性能．而在８００℃退火１２狊，材料保持了较小的犌犲／犛犻原子互扩散水平和较高的晶体
质量，并且经硼离子注入后的样品在这一条件退火后，超过５０％的杂质原子可被激活．

关键词：犛犻；犌犲；纳米岛；退火；离子注入
犘犃犆犆：８１４０
中图分类号：犜犖３０４文献标识码：犃文章编号：０２５３４１７７（２００６）犛００１３６０４

源为高纯乙硅烷和锗烷，生长室背景真空度为２×
１引言１０－７犘犪，生长室装备了一台差分高能电子衍射系
统，可以在外延时对材料表面进行实时监控．犌犲／犛犻
近年来，犛犻衬底上由犛犓模式自组织生长的犌犲（００１）多层纳米岛材料的生长经历以下过程：狆＋犛犻
纳米岛材料，由于具有与硅基工艺兼容的巨大优势（００１）衬底先进行异位化学清洗，送入生长室后在
以及三维尺寸限制效应带来的新颖光学、电学特性，９３０℃下脱氧，接着降温至７５０℃生长２５０狀犿厚的
很可能成为未来纳电子、光子器件的基础材料，应用犛犻缓冲层，然后降温至６２０℃生长８个单原子层
前景广阔．目前相当部分工作已经投入到对犌犲岛（犕犔）犌犲和５０狀犿犛犻间隔层，这种结构重复生长１０
演化以及与岛相关的光学电学特性方面的研次，最后以犌犲层中止．
究［１，２］，并且基于犌犲／犛犻纳米岛材料的光探测器［３］对生长完的部分材料进行硼离子注入，注入能
等器件已经研制成功．器件的制作通常包括一系列量为８０犽犲犞，剂量为５×１０１５犮犿－２，然后在８００℃快
高温过程，特别是离子注入后的杂质激活，退火温度速退火１２狊．另外部分材料分成３份，直接在８００℃
往往需要超过１０００℃，所以研究犌犲／犛犻纳米岛材料下分别快速退火１２，６０，１８０狊．以上所有退火均在氮
的热稳定性就显得比较重要．低温光荧光实验表明气保护下进行．
材料经过高温退火后，与犌犲纳米岛相关的发光峰
将蓝移并且变窄［４］．这说明高温过程会发生犌犲／犛犻３结果与讨论
原子互扩散并且犌犲纳米岛的尺寸将变得均匀．前
者对于某些应用，特别对于硅基长波长光电探测来图１为原位生长材料的最顶层纳米岛的原子力
说是很不利的．本文以离子注入后杂质激活的需要照片，犌犲纳米岛均匀性较好，呈圆顶形，平均底宽
为出发点，采用犇犆犡犚犇、光荧光谱等手段研究了１５０狀犿，高１７狀犿，密度为２５×１０９犮犿－２．在高温退
犌犲／犛犻（００１）多层纳米岛材料的快速热退火特性，并火过程中，犌犲和犛犻原子可能互相扩散，甚至犌犲层
试图在提高杂质激活水平与保持材料性能这两者之发生驰豫，引入位错，这样犌犲纳米岛的形貌必然发
间找到平衡点．生变化．然而我们通过对退火后的样品表面进行原
子力显微观察，却发现表面犌犲纳米岛的形貌改变
２实验不大．根据犔犻犪狅等人［５，６］的犜犈犕观察结果，经过高
温退火后，表面犌犲纳米岛形貌确实改变很小，但是
犌犲／犛犻（００１）多层纳米岛材料的生长在国产超内部纳米岛的形貌和组分会有较明显改变．考虑到
高真空化学气相外延（犝犎犞犆犞犇）设备上进行．气这种改变必然会在样品的犇犆犡犚犇曲线中有所反

国家自然科学重点基金资助项目（批准号：６０３３６０１０，９０４０１００１）
通信作者．犈犿犪犻犾：狑犺狊犺犻＠狉犲犱．狊犲犿犻．犪犮．犮狀
２００５１１１７收到２００６中国电子学会
增刊时文华等：犌犲／犛犻（００１）多层纳米岛材料的快速热退火特性１３７

映，我们对样品进行了犇犆犡犚犇测试．体质量下降．

图１原位生长材料的最顶层纳米岛的原子力照片图２不同退火条件后样品的犇犆犡犚犇衍射曲线
犉犻犵．１犃犉犕犻犿犪犵犲狅犳狋犺犲狋狅狆犌犲狀犪狀狅犻狊犾犪狀犱狅犳狋犺犲犉犻犵．２犇犆犡犚犇狆犪狋狋犲狉狀狊狅犳狋犺犲狊犪犿狆犾犲狊犪狀狀犲犪犾犲犱犻狀
犪狊犵狉狅狑狀狊犪犿狆犾犲犱犻犳犳犲狉犲狀狋犮狅狀犱犻狋犻狅狀狊

为简化分析，可以把犌犲／犛犻（００１）多层纳米岛材表１样品周期起伏程度与退火条件的关系
／
料当作不太“理想”的多层量子阱，在与生长方向垂犜犪犫犾犲１犚犲犾犪狋犻狅狀狊犺犻狆犫犲狋狑犲犲狀σΛΛ０犪狀犱犪狀狀犲犪犾犻狀犵犮狅狀犱犻
狋犻狅狀狊