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。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 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 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，由能量平衡原则知，超晶格层中能量的条件为 实际上，超晶格支撑在SOI膜上，因而超晶格薄层将受到力的作用以达到平行于界面的晶格常数等于硅膜的晶格常数。如果定义两超晶格层内的平均晶格常数为 超晶格的SiGe平均组分为 则此时超晶格的临界厚度仍可用式4表示，但失配因子f应以平均失配因子fav代替 其中取tSiGe=tSi，超晶格中锗的有效组分xeff =0.5xxav。式8表示，周期性连贯的SiGe/Si超晶格可以看作组分为xeff的SiGe单层来计算，即在各层厚度均小于层间相对应变层临界厚度时，超晶格总临界厚度等于将超晶格看作有效组分为xeff的等效Si1-xGex应变层的临界厚度。由于恒有xav＜1，始终有超晶格的有效组分xeff＜0.5x，所以其临界厚度总大于有效组分为0.5x的SiGe应变层的临界厚度，并且随tSi∕tSiGe的增大而增加。如果选择组分为xeff的绝缘Si1-xGex共晶合金作衬底，可获得对称应变Si1-xGex/Si超晶格，理论上其总临界厚度可达无穷大。而通过在SOI上低能离子注入锗及快速热退火形成Si1-xGexOI（SGOI）材料可获得绝缘Si1-xGex共晶合金作衬底。 2.2 折射率增量 其中Δnc是由应变层中锗组分引起的折射率增量；Δns 则是由晶格失配系统共度生长形成的应变引起的折射率增量。实验研究表明 [18]，对于小于临界厚度的Si1-xGex外延层Δns很小，可忽略不计；当锗的组分x＜0.25时，由红外移计算模型可得Si1-xGex应变层的折射率增量 式10与应变SiGe/Si脊形波导单模性实验结果吻合较好。 2.3 载流子迁移率 式中f(E,E f,T)为Boltzman分布函数，Ef 为费米能级，T为热力学温度。对于SiGe应变层，载流子迁移率只在材料的生长方向(Z方向)和生长面(xoy平面)之间有各向异性（见），此时迁移率的二阶张量可简化为 考虑到应变SiGe外延层的空穴迁移率主要取决于四种散射机制：声学波散射、光学波散射、杂质电离散射和应变合金引起的散射，由式11和12 可得到300K时,μzz在1015-1017cm-3掺杂浓度范围内的近似式为 由式13和14可见，应变Si1-xGex外延层的空穴迁移率随锗含量增加而增大，随掺杂浓度增加而减小。这是由于在掺杂浓度较低时，应变引起的价带压缩使得空穴有效质量减小，这种压缩具有各向异性导致μzz＞μxx；而掺杂浓度增加时，电离杂质散射增强，相对减弱了价带压缩的影响。 假设：1）应变Si1-xGex外延层中锗组分足够小（x＜0.3），未使其导带发生扭曲而是类硅的；2）应变仅在导带底处引起能带移动，其中在[100]方向导带底上移，在[010]和[001]方向导带底下移。则在应变情况下，由于各向异性，SiGe应变层电子迁移率的两个分量分别可表示为[20] 其中μSGnt和μSGnl为非应变合金散射机制引起的电子迁移率的横向和纵向分量[18],ΔEx表示[010]和[001]方向导带底的能级移动量,ΔEz表示[100]方向导带底的能级移动量。由式15和16计算可知，在低掺杂区，合金散射起主要作用，应变Si1-xGex层的电子迁移率小于硅的电子迁移率；在高掺杂区，电离杂质散射起主要作用，使这一差别减弱。 2.4 应变层超晶格的线性电光效应 2.5 等离子色散效应 其中Δn为实折射率的变化，Δk为虚折射率的变化，它与光吸收系数Δα有关 这种通过自由载流子等离子体影响材料光学参数的效应称为等离子色散效应。对于应变Si1-xGex(x＜0.20），存在两种载流子浓度的改变，且载流子的改变量与组分x有关。考虑到组分x的影响,该效应可由Kramers Kroning色散关系从Si1-xGex 的吸收谱转换得出 式中n为硅锗的初始折射率，l为光波长，q为电子电量，ε0为真空介电常数，ΔNe和ΔNh，分别为电子和空穴浓度的变化量，μe和μh为电子和空穴的迁移率(分别由式15和6、13和14决定)，m*e和m*h为电子和空穴的有效质量。从光吸收机理来看，可以认为应变硅锗合金的能带结构与硅类似，只是禁带宽度随锗的掺入和锗组分的增加而变窄，导致光吸收谱向长波方向红移，且在红外段透明性更好一些。 3 SiGe/SOI光波导 对于集成光路，石英光波导技术是一项比较成熟、比较有竞争力的光波导技术。它是通过在硅或玻璃衬底上对SiO2进行掺杂(如Ge、Ti、P等)改变SiO2的折射率来实现光波导结构。石英光波导的芯层和包层都是SiO2，折射率差较小，属于弱限制结构，需要足够的厚度/宽度(～50μm)才能实现比较理想的低损耗(＜0.5dB)性能。这显然不利于在芯片上实现大规模光互连，而且与Si/SOI CMOS VLSI工艺也不完全兼容。 然而，SOI光波导的芯层为Si，包层为SiO2。由于二者的折射率差较大，SOI光波导对光的传播具有很强的限制作用。所以，在芯层中传播的光大部分被限制在芯层中，辐射进入包层以外的光能量大大减少，从而显著减小了波导的传输损耗。这对光集成和光电混合集成都十分有利，而且与Si/SOI CMOS VLSI工艺完全兼容。而Si1-xGex应变层有一个突出特点，就是锗的加入和锗组分的增加可以增大折射率，进而增大与SiO2的折射率差，增强对光波的限制作用。如果合理选择锗组分在SiGe应变层中的分布，在理论上可以获得理想的变折射率薄层脊形光波导，使得光的传播完全被限制在芯层中，以至于可以把传输光损降到，同时也将使灵活的弯曲光互连成为可能。如在SOI衬底上外延一层组分沿厚度方向为对称三角形分布的SiGe应变层，再在外延层上刻蚀出脊形结构(如所示)，[21]可以实现低损耗Si/SiGe/SOI脊形光波导。 图中，h为内脊高，d为刻蚀深度，ω为脊宽，x0为Ge峰值浓度，θ为脊内倾角。由于折射率随锗组分线性增大（见式18，其中 x=x0(1-∣2z∕h-1)），折射率的分布为中心高、外围低，此时光将沿一种连续的弧形轨迹传播，如中的类正弦曲线所示。所以光被限制在波导芯层中心附近传播，大大减小了边界散射损耗，因而可以显著降低脊形光波导的传输光损。 4 SOI的优点及其应用 与体硅CMOS电路相比，在同一工艺特征尺寸下，SOI器件结构要简化得多，BOX层不但消除了闩锁效应，而且简化了隔离，从而省却了复杂的隔离工序。因此采用SOI技术：(1)可以简化工艺30%，由此降低芯片制造成本30%；(2)由于取消了体硅CMOS中的阱结构，使得器件设计更为紧密，芯片尺寸可缩小40%～60%；这就，大大提高了SOI晶片的集成度和产成率，进一步降低了成本；(3)SOI工艺与体硅CMOS工艺兼容，无需增加新的设备；(4)SOI材料特有的结构和工艺还使其具有抗辐射、耐高温、便于三维集成和极好的按比例缩小性质等优点，适于制作巨大规模集成光电系统（Giant Scale Photo-electronic System）。 SOI在低压、低功耗CMOS ULSI领域具有广泛的应用。SOI CMOS芯片不但功耗更低，而且速度可提高20%～30%。近几年，在SOI衬底上已制作出16M DRAM、560k门阵列等高端产品。在微波应用方面，采用SOI材料也制作出预定标器和锁相环电路(PLL)。这两种电路可工作在GHz区域，功耗仅为几mW，非常适合于便携式通信产品，如寻呼机、移动电话\个人数字助手(PDA)和掌上电脑等。另外，还制作出n沟和p沟的MOSFET，截止频率为32GHz和20GHz。SOI电路的高性能和低成本已对GaAs技术构成了挑战。此外，SOI在智能传感器、智能功率器件、三维器件以及高温器件应用方面也取得了显著进展。 5 Si1-xGex/SOI材料的应用前景 目前光线通信用的光波波长为1.3-1.55μm，这是石英光纤的损耗窗口。如果SOI OEIC的片间光互连采用石英光纤(目前实际上也是如此)，则应适当放大SOI OEIC片上光波导I/O端口的几何尺寸，以提高光波导与光纤的耦合效率。由于Si1-xGex/Si 能带的特点，与Si1-xGex 应变层的禁带宽度对应的光波波长为1.1～1.7μm。掺铒SiGe合金和Si1-xGex/Si超晶格可产生极强的红外光发射。对于在1.3～1.6μm范围内的红外光，硅是透明的，而Si1-xGex的透明性则更优于硅。Si1-xGex/SOI集成光波导在工艺上与SOI CMOS IC工艺完全兼容，是一种便于与有源器件和电路集成在一起的理想光波导。所以，可以用Si1-xGex/SOI或SOI材料制作小尺寸光波导，在SOI OEIC芯片上实现片内光互连。因此必将在未来的SOI光电集成电路(SOI OEIC)和SOI集成光路(SOIPIC)技术中得到广泛应用。文献14和 15分别报道了基于热电效应和自由载流子注入效应的SOI光开关，这拓展了光学信息处理的应用前景。采用湿法腐蚀SiO2的方法可以实现可移动SOI光波导，这将在光开关和光传感器方面得到广泛应用[15]。将Si1-xGex/SOI集成光学器件与SOI集成电路和MEMS相结合，可用于实现光电计算机，光电信息处理系统，光电人工神经网络及光电自动控制系统。
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本文摘自《半导体技术》 | |||||||||||||||||||
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