基于硅上含半圆柱形孔隙锗外延层的位错减少的理论计算与实验验证

低线位错密度的锗对于实现高性能硅基光子芯片至关重要。锗与硅界面处的空洞可作为位错的吸收中心，从而降低线位错密度。本次实验操作将由我实验室的硕士研究生 Mohammed Faiz 进行演示。

首先，使用商用软件创建包含线-空间图案和方形硅窗口区域的设计文件，以确定锗的生长区域。然后，通过确定窗口宽度和掩模宽度，并在软件中依次点击“打开文件”、“结构”以及“矩形”或“多段线”选项绘制矩形，来制备选择性外延生长掩模。为制备电阻率为1至100欧姆·厘米的硼掺杂p型硅衬底，打开管式炉的炉盖，使用玻璃棒将硅衬底装入炉内。

打开气体阀门，开始向炉内吹入氮气。然后通过调节阀门将气体流速设置为 0.5 升每分钟。通过更改程序设定退火温度。

当温度升至900摄氏度时，关闭干燥氮气阀门。打开干燥氧气阀门，并保持两小时。使用旋涂仪在氧化的硅基底上涂覆表面活性剂，然后在热板上于110摄氏度烘烤90秒。

表面活性剂包被后，使用旋涂仪将光刻胶涂覆在硅基底上，操作方法如前所述。然后在热板上于180摄氏度烘烤5分钟。在通风橱中配制好光刻胶显影液及显影后冲洗液后，将曝光后的硅基底于室温下浸入显影液中60秒。

然后将制备好的硅基底置于加热板上，在110摄氏度下烘烤90秒。接着，将硅基底浸入缓冲氢氟酸中1分钟，以去除因电子束曝光和显影而暴露在空气中的部分二氧化硅层。为了从硅基底上去除光刻胶，将其浸入有机光刻胶去除剂中15分钟，随后浸入0.5%稀释的氢氟酸中4分钟，以去除窗口区域的薄原生氧化层，同时保留二氧化硅掩模。

对于外延锗的生长，将带有选择性外延生长掩模的硅片装入负载锁室中。在操作计算机上显示的“工艺程序”选项卡中设定缓冲主生长温度。确定锗主生长的持续时间，以使选择性外延生长的锗层与相邻层合并后，点击主窗口中的“开始”按钮，硅衬底将自动转移至生长室中。

当硅胶基底从生长室自动转移至负载锁室时，对负载锁室进行放气，并手动取出硅胶基底。进行蚀坑密度测量时，使用超声波清洗机将32毫克碘溶解于67毫升乙酸中。将溶解了碘的乙酸与20毫升硝酸和10毫升氢氟酸混合。

将生长有锗的硅胶基底浸入酸混合溶液中5到7秒，以形成蚀刻坑。使用光学显微镜观察蚀刻后的锗表面，确保蚀刻坑已成功形成。为了计数蚀刻坑，将蚀刻后的锗样品放置在原子力显微镜（AFM）载物台上，然后点击“自动接近”使探针接近样品表面。

使用与原子力显微镜（AFM）集成的光学显微镜确定观察区域，并扫描五个不同的10×10微米区域。计算了由113晶面和圆形选择性外延生长锗在融合区域产生的贯穿位错密度，结果表明，贯穿位错仅在界面处生成，且位错密度应随孔径比的减小而降低。获得了融合或未融合锗层的扫描电子显微镜（SEM）图像及分布图，结果显示当窗口宽度小于1微米时，锗层发生融合。

通过原子力显微镜（AFM）研究了融合态与连续态锗的穿通位错密度，结果表明，在700摄氏度下生长的锗层厚度有所降低。利用融合态锗层的扫描透射电子显微镜（STEM）和透射电子显微镜（TEM）图像监测了穿通位错与表面的相互作用，显示在半圆柱形孔洞顶部发生应变累积，而在孔洞的次表面层发生应变弛豫，以在生长过程中或生长后最小化其能量。融合态与连续态锗层的透射电子显微镜图像显示，融合态锗中缺陷线的长度长于连续态锗中的缺陷线。

对于具有高穿通位错密度的小区域，获得了倾斜位错的透射电子显微镜（TEM）图像，结果表明，当衍射矢量G改变时，螺位错消失；而无论选择何种衍射矢量G，混合位错均未消失。该实验流程中最重要的步骤是首先通过光刻技术对衬底进行图形化处理，随后进行锗的外延生长。

遗憾的是，由于设备差异，我们无法直接展示该方案。除了使用电子束光刻机外，i线光刻机也是可用于在不同类型第二衬底上进行锗外延图案化的设备之一。