異質(zhì)襯底鍺薄膜制備技術(shù)的探索與突破一、引言1.1研究背景與意義隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)作為現(xiàn)代科技的核心支撐，始終處于不斷創(chuàng)新與突破的前沿。在眾多半導(dǎo)體材料中，鍺（Ge）憑借其獨(dú)特的物理性質(zhì)，如高載流子遷移率、在近紅外波段的高光學(xué)吸收系數(shù)以及與硅工藝的兼容性，成為了半導(dǎo)體領(lǐng)域中備受矚目的研究對(duì)象。鍺薄膜作為鍺材料的一種重要形態(tài)，在光電器件、高速電子器件以及傳感器等領(lǐng)域展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用潛力。在光電器件方面，鍺薄膜被廣泛應(yīng)用于光電探測(cè)器、發(fā)光二極管以及激光二極管的制造。以光電探測(cè)器為例，鍺薄膜在近紅外波段的高吸收率使其能夠高效地將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，從而在光纖通信、紅外成像以及生物醫(yī)學(xué)檢測(cè)等領(lǐng)域發(fā)揮著關(guān)鍵作用。在高速電子器件中，鍺薄膜的高載流子遷移率特性使其成為制備高性能場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET）的理想材料。與傳統(tǒng)的硅基FET相比，基于鍺薄膜的FET能夠?qū)崿F(xiàn)更高的電子遷移速度，進(jìn)而顯著提升器件的工作頻率和運(yùn)算速度，滿(mǎn)足現(xiàn)代高速通信和高性能計(jì)算對(duì)電子器件的嚴(yán)格要求。在傳感器領(lǐng)域，鍺薄膜對(duì)力、熱、光、磁等物理量具有敏感響應(yīng)，可用于制備壓力傳感器、溫度傳感器、光電傳感器等多種類(lèi)型的傳感器，為物聯(lián)網(wǎng)、智能穿戴設(shè)備以及工業(yè)自動(dòng)化等領(lǐng)域提供了重要的技術(shù)支持。然而，鍺薄膜的性能在很大程度上受到其生長(zhǎng)襯底的影響。傳統(tǒng)的鍺薄膜生長(zhǎng)通常采用鍺單晶襯底，這種方式雖然能夠獲得高質(zhì)量的鍺薄膜，但鍺單晶襯底價(jià)格昂貴、制備工藝復(fù)雜，嚴(yán)重限制了鍺薄膜的大規(guī)模應(yīng)用。而異質(zhì)襯底的引入為解決這一問(wèn)題提供了新的思路。異質(zhì)襯底是指與鍺薄膜材料不同的襯底，如硅（Si）、藍(lán)寶石（Al?O?）、碳化硅（SiC）等。采用異質(zhì)襯底生長(zhǎng)鍺薄膜，不僅可以充分利用襯底材料的優(yōu)勢(shì)，如硅襯底的低成本、大規(guī)模生產(chǎn)工藝成熟，藍(lán)寶石襯底的良好光學(xué)性能和化學(xué)穩(wěn)定性，碳化硅襯底的高導(dǎo)熱性和耐高溫性等，還能夠通過(guò)襯底與鍺薄膜之間的晶格匹配、應(yīng)力調(diào)控等作用，實(shí)現(xiàn)對(duì)鍺薄膜晶體結(jié)構(gòu)、電學(xué)性能和光學(xué)性能的優(yōu)化。例如，在硅襯底上生長(zhǎng)鍺薄膜，可以借助硅襯底的成熟工藝實(shí)現(xiàn)鍺薄膜的低成本、大規(guī)模制備，同時(shí)通過(guò)合理控制生長(zhǎng)條件，調(diào)節(jié)鍺薄膜與硅襯底之間的晶格失配應(yīng)力，能夠有效提高鍺薄膜的晶體質(zhì)量和電學(xué)性能，為實(shí)現(xiàn)硅基鍺光電器件和高速電子器件的集成提供了可能。在藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)鍺薄膜，則可以利用藍(lán)寶石的良好光學(xué)性能，制備出高性能的鍺基光電器件，拓寬鍺薄膜在光學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用范圍。研究異質(zhì)襯底鍺薄膜的制備技術(shù)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，對(duì)推動(dòng)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有深遠(yuǎn)影響。從產(chǎn)業(yè)發(fā)展的角度來(lái)看，異質(zhì)襯底鍺薄膜的制備技術(shù)的突破，有望打破傳統(tǒng)鍺薄膜制備工藝的局限，降低鍺薄膜及其相關(guān)器件的生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率，從而促進(jìn)鍺薄膜在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中的廣泛應(yīng)用，推動(dòng)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)向高性能、低成本、多功能的方向發(fā)展。在技術(shù)創(chuàng)新方面，深入研究異質(zhì)襯底與鍺薄膜之間的相互作用機(jī)制，探索新的制備工藝和方法，不僅有助于提升鍺薄膜的性能，還能夠?yàn)槠渌愘|(zhì)薄膜材料的制備提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)借鑒，推動(dòng)整個(gè)半導(dǎo)體材料制備技術(shù)的創(chuàng)新與發(fā)展。從應(yīng)用拓展的角度來(lái)看，高性能的異質(zhì)襯底鍺薄膜將為光電器件、高速電子器件以及傳感器等領(lǐng)域帶來(lái)新的發(fā)展機(jī)遇，促進(jìn)這些領(lǐng)域的技術(shù)升級(jí)和產(chǎn)品創(chuàng)新，滿(mǎn)足社會(huì)對(duì)高速通信、高性能計(jì)算、智能感知等方面的不斷增長(zhǎng)的需求。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀在異質(zhì)襯底鍺薄膜制備領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)外科研人員已開(kāi)展了大量研究工作，并取得了一系列具有重要價(jià)值的成果。這些成果涵蓋了制備工藝的優(yōu)化、薄膜性能的提升以及新的制備方法和技術(shù)的探索等多個(gè)方面。在制備工藝方面，分子束外延（MBE）、化學(xué)氣相沉積（CVD）以及物理氣相沉積（PVD）等傳統(tǒng)工藝不斷演進(jìn)。MBE技術(shù)以其原子級(jí)別的精確控制能力，能夠在異質(zhì)襯底上生長(zhǎng)出高質(zhì)量、低缺陷密度的鍺薄膜。國(guó)外一些頂尖科研機(jī)構(gòu)，如美國(guó)的貝爾實(shí)驗(yàn)室和日本的東京大學(xué)，利用MBE技術(shù)在硅襯底上成功生長(zhǎng)出了高質(zhì)量的鍺薄膜，并通過(guò)精確控制生長(zhǎng)過(guò)程中的原子通量和襯底溫度，實(shí)現(xiàn)了對(duì)鍺薄膜晶體結(jié)構(gòu)和電學(xué)性能的精細(xì)調(diào)控。在國(guó)內(nèi)，中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所也運(yùn)用MBE技術(shù)，在鍺薄膜生長(zhǎng)的基礎(chǔ)研究方面取得了顯著進(jìn)展，深入研究了鍺薄膜生長(zhǎng)過(guò)程中的原子遷移和表面重構(gòu)現(xiàn)象，為進(jìn)一步提高鍺薄膜質(zhì)量提供了理論依據(jù)。CVD技術(shù)則具有生長(zhǎng)速率快、可大面積生長(zhǎng)的優(yōu)勢(shì)，在工業(yè)生產(chǎn)中具有廣闊的應(yīng)用前景。國(guó)外的一些半導(dǎo)體制造企業(yè)，如英特爾公司，采用CVD技術(shù)在大規(guī)模制備異質(zhì)襯底鍺薄膜方面取得了重要突破，通過(guò)優(yōu)化反應(yīng)氣體流量、溫度和壓力等工藝參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了鍺薄膜的高質(zhì)量、高效率生長(zhǎng)。國(guó)內(nèi)的一些高校和科研機(jī)構(gòu)，如清華大學(xué)和北京大學(xué)，也在CVD技術(shù)制備異質(zhì)襯底鍺薄膜方面開(kāi)展了深入研究，探索了不同CVD工藝對(duì)鍺薄膜質(zhì)量和性能的影響，為該技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。PVD技術(shù)中的濺射法，能夠在各種復(fù)雜形狀的襯底上沉積鍺薄膜，具有良好的工藝適應(yīng)性。國(guó)內(nèi)外眾多研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)改進(jìn)濺射設(shè)備和工藝參數(shù)，提高了鍺薄膜的附著力和均勻性，使其在微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。在提升鍺薄膜性能方面，研究主要集中在降低位錯(cuò)密度、調(diào)控應(yīng)力以及優(yōu)化電學(xué)和光學(xué)性能等方面。為降低位錯(cuò)密度，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了多種方法。國(guó)外研究人員通過(guò)在鍺薄膜生長(zhǎng)過(guò)程中引入緩沖層，有效緩解了鍺薄膜與異質(zhì)襯底之間的晶格失配，從而顯著降低了位錯(cuò)密度，提高了鍺薄膜的晶體質(zhì)量。國(guó)內(nèi)的研究團(tuán)隊(duì)則通過(guò)優(yōu)化生長(zhǎng)工藝參數(shù)，如生長(zhǎng)溫度、生長(zhǎng)速率等，成功減少了鍺薄膜中的位錯(cuò)缺陷，提升了其電學(xué)性能。在應(yīng)力調(diào)控方面，科研人員通過(guò)改變襯底材料、生長(zhǎng)順序以及采用應(yīng)力釋放層等方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)鍺薄膜應(yīng)力的有效控制。例如，國(guó)外某研究小組在硅襯底上先生長(zhǎng)一層應(yīng)變緩沖層，再生長(zhǎng)鍺薄膜，成功降低了鍺薄膜中的應(yīng)力，提高了其穩(wěn)定性。國(guó)內(nèi)的研究人員則通過(guò)理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，揭示了應(yīng)力對(duì)鍺薄膜電學(xué)性能的影響機(jī)制，并提出了相應(yīng)的應(yīng)力調(diào)控策略。在優(yōu)化電學(xué)和光學(xué)性能方面，國(guó)內(nèi)外研究人員通過(guò)對(duì)鍺薄膜進(jìn)行摻雜和表面處理，有效改善了其電學(xué)和光學(xué)性能。國(guó)外的研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)精確控制摻雜元素的種類(lèi)和濃度，實(shí)現(xiàn)了對(duì)鍺薄膜電學(xué)性能的精準(zhǔn)調(diào)控，制備出了高性能的鍺基光電器件。國(guó)內(nèi)的科研人員則通過(guò)對(duì)鍺薄膜表面進(jìn)行鈍化處理，減少了表面缺陷，提高了其光學(xué)吸收效率和發(fā)光效率。新的制備方法和技術(shù)也不斷涌現(xiàn)。遠(yuǎn)程外延技術(shù)以二維材料石墨烯作為輔助進(jìn)行薄膜生長(zhǎng)，不但能夠提高異質(zhì)外延薄膜的結(jié)晶質(zhì)量，還能通過(guò)石墨烯輔助的機(jī)械剝離實(shí)現(xiàn)單晶形態(tài)的自支撐膜，進(jìn)而將其轉(zhuǎn)移至硅和柔性聚合物等任意襯底。西安交通大學(xué)研究人員展示了在鍺襯底上利用石墨烯作為中間層的BTO薄膜的高度異質(zhì)外延生長(zhǎng)，為在晶圓級(jí)半導(dǎo)體襯底和柔性襯底上集成功能性氧化物薄膜提供了新的途徑。智能生長(zhǎng)技術(shù)利用人工智能算法實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和調(diào)控薄膜生長(zhǎng)過(guò)程，實(shí)現(xiàn)了生長(zhǎng)過(guò)程的智能化控制，能夠制備出高質(zhì)量的鍺薄膜。國(guó)外的一些科研機(jī)構(gòu)已經(jīng)開(kāi)始嘗試將智能生長(zhǎng)技術(shù)應(yīng)用于鍺薄膜的制備，并取得了初步的成果，為該領(lǐng)域的發(fā)展帶來(lái)了新的思路和方法。盡管取得了諸多成果，但現(xiàn)有研究仍存在一些不足之處。一方面，制備工藝復(fù)雜、成本高昂仍然是制約異質(zhì)襯底鍺薄膜大規(guī)模應(yīng)用的重要因素。例如，MBE技術(shù)雖然能夠制備高質(zhì)量的鍺薄膜，但其設(shè)備昂貴、生長(zhǎng)速率低，難以滿(mǎn)足大規(guī)模生產(chǎn)的需求；CVD技術(shù)在生長(zhǎng)過(guò)程中需要使用大量的反應(yīng)氣體，且對(duì)設(shè)備的要求較高，導(dǎo)致生產(chǎn)成本居高不下。另一方面，鍺薄膜與異質(zhì)襯底之間的兼容性問(wèn)題仍然有待進(jìn)一步解決，界面缺陷和應(yīng)力集中等問(wèn)題會(huì)影響鍺薄膜的性能和穩(wěn)定性。此外，對(duì)于鍺薄膜在復(fù)雜環(huán)境下的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和可靠性研究還相對(duì)較少，這限制了其在一些對(duì)可靠性要求較高的領(lǐng)域的應(yīng)用。當(dāng)前，異質(zhì)襯底鍺薄膜制備領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)主要集中在開(kāi)發(fā)低成本、高效率的制備工藝，深入研究鍺薄膜與異質(zhì)襯底之間的界面物理和化學(xué)過(guò)程，以及探索鍺薄膜在新興領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。隨著物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、5G通信等新興技術(shù)的快速發(fā)展，對(duì)高性能、多功能的半導(dǎo)體材料的需求日益增長(zhǎng)，異質(zhì)襯底鍺薄膜作為一種具有獨(dú)特性能的半導(dǎo)體材料，在這些領(lǐng)域展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用潛力。例如，在5G通信領(lǐng)域，鍺薄膜可用于制備高性能的射頻器件，提高通信的速度和穩(wěn)定性；在人工智能領(lǐng)域，鍺薄膜可用于制備神經(jīng)形態(tài)器件，實(shí)現(xiàn)高效的信息處理和存儲(chǔ)。未來(lái)，隨著研究的不斷深入和技術(shù)的不斷進(jìn)步，異質(zhì)襯底鍺薄膜有望在更多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，為半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展注入新的活力。二、異質(zhì)襯底鍺薄膜制備的理論基礎(chǔ)2.1鍺的材料特性2.1.1基本物理性質(zhì)鍺（Ge）是一種重要的半導(dǎo)體材料，在元素周期表中位于第四周期第IVA族，原子序數(shù)為32。鍺的晶體結(jié)構(gòu)為面心立方，與金剛石結(jié)構(gòu)相似，每個(gè)鍺原子通過(guò)共價(jià)鍵與四個(gè)相鄰的鍺原子相連，形成穩(wěn)定的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。這種晶體結(jié)構(gòu)賦予了鍺一定的硬度和脆性，其莫氏硬度約為6.0-6.5，在受到外力作用時(shí)，容易沿著特定的晶面發(fā)生解理。從電學(xué)性質(zhì)來(lái)看，鍺是典型的半導(dǎo)體，其禁帶寬度相對(duì)較小，約為0.66eV（300K）。這一特性使得鍺在室溫下就有一定數(shù)量的電子能夠從價(jià)帶激發(fā)到導(dǎo)帶，從而具備導(dǎo)電能力。與其他常見(jiàn)半導(dǎo)體材料如硅（Si，禁帶寬度1.12eV，300K）相比，鍺的禁帶寬度較小，這意味著在相同條件下，鍺更容易產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，其本征載流子濃度相對(duì)較高。以300K為例，鍺的本征載流子濃度約為2.4\times10^{13}cm^{-3}，而硅的本征載流子濃度約為1.5\times10^{10}cm^{-3}。鍺的電子遷移率高達(dá)3900cm^{2}/(V·s)，空穴遷移率也有1900cm^{2}/(V·s)，高載流子遷移率使得鍺在電子器件中能夠?qū)崿F(xiàn)快速的電子傳輸，降低電阻，提高器件的運(yùn)行速度和效率。在光學(xué)性質(zhì)方面，鍺對(duì)紅外線(xiàn)具有良好的透過(guò)性和吸收性。鍺的折射率較高，在紅外波段（特別是3-12μm波長(zhǎng)范圍），鍺的折射率約為4.0左右，這使得鍺成為制造紅外光學(xué)元件的理想材料，如紅外透鏡、窗口、棱鏡等。鍺對(duì)紅外光的吸收系數(shù)隨著波長(zhǎng)的變化而變化，在某些特定波長(zhǎng)處存在吸收峰，這與鍺的電子能帶結(jié)構(gòu)以及晶格振動(dòng)等因素密切相關(guān)。鍺的這種光學(xué)特性，使其在紅外探測(cè)、熱成像、紅外通信等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。例如，在紅外探測(cè)器中，鍺可以將接收到的紅外光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)紅外輻射的檢測(cè)和成像。此外，鍺的密度為5.323g/cm3，熔點(diǎn)為938.25℃，沸點(diǎn)為2830℃。這些物理參數(shù)在鍺薄膜的制備過(guò)程中起著重要的作用。在采用物理氣相沉積（PVD）或化學(xué)氣相沉積（CVD）等方法制備鍺薄膜時(shí)，需要根據(jù)鍺的熔點(diǎn)和沸點(diǎn)來(lái)合理選擇沉積溫度和工藝條件，以確保鍺原子能夠在襯底表面有效地沉積和結(jié)晶，形成高質(zhì)量的鍺薄膜。2.1.2鍺在半導(dǎo)體領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)與其他常見(jiàn)的半導(dǎo)體材料相比，鍺在半導(dǎo)體領(lǐng)域展現(xiàn)出諸多獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，使其在高速、光電器件等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。在電子遷移率方面，鍺的電子遷移率高達(dá)3900cm^{2}/(V·s)，遠(yuǎn)高于硅的1500cm^{2}/(V·s)。高電子遷移率意味著在相同的電場(chǎng)強(qiáng)度下，鍺中的電子能夠以更快的速度移動(dòng)，從而使得基于鍺的電子器件，如場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET），能夠?qū)崿F(xiàn)更高的開(kāi)關(guān)速度和更低的電阻。以集成電路中的FET為例，采用鍺作為溝道材料，可以顯著提高器件的運(yùn)行頻率和處理速度，降低功耗。在現(xiàn)代高速通信和高性能計(jì)算領(lǐng)域，對(duì)電子器件的速度和功耗要求越來(lái)越高，鍺的高電子遷移率特性使其成為實(shí)現(xiàn)下一代高性能集成電路的關(guān)鍵材料之一。在光學(xué)吸收方面，鍺在近紅外波段具有較高的吸收系數(shù)。如前文所述，鍺對(duì)3-12μm波長(zhǎng)范圍的紅外光具有良好的透過(guò)性和吸收性，這使得鍺在光電器件領(lǐng)域具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。在光電探測(cè)器中，需要材料能夠高效地吸收光信號(hào)并將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。鍺對(duì)近紅外光的高吸收系數(shù)，使其能夠有效地捕獲近紅外光子，產(chǎn)生大量的電子-空穴對(duì)，從而提高光電探測(cè)器的響應(yīng)靈敏度和探測(cè)效率。在光纖通信中，常用的通信波長(zhǎng)為1.31μm和1.55μm，鍺對(duì)這兩個(gè)波長(zhǎng)的光具有較好的吸收性能，因此鍺基光電探測(cè)器在光纖通信系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用，用于接收和檢測(cè)光信號(hào)，實(shí)現(xiàn)光通信信號(hào)的轉(zhuǎn)換和處理。鍺與硅工藝的兼容性也是其在半導(dǎo)體領(lǐng)域的一大優(yōu)勢(shì)。硅是目前半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中應(yīng)用最為廣泛的材料，擁有成熟的制造工藝和龐大的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)。鍺與硅的晶體結(jié)構(gòu)相似，且鍺可以在硅襯底上通過(guò)異質(zhì)外延等技術(shù)生長(zhǎng)，這使得鍺能夠與現(xiàn)有的硅基工藝相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)鍺基器件與硅基集成電路的集成。這種兼容性為半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了新的機(jī)遇，通過(guò)將鍺的高性能特性與硅的成熟工藝相結(jié)合，可以在不改變現(xiàn)有硅基生產(chǎn)線(xiàn)的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)出高性能、多功能的半導(dǎo)體器件和集成電路，降低研發(fā)成本和生產(chǎn)難度，加速產(chǎn)品的商業(yè)化進(jìn)程。例如，在硅基襯底上生長(zhǎng)鍺薄膜，制備出硅鍺（SiGe）異質(zhì)結(jié)器件，這種器件結(jié)合了硅和鍺的優(yōu)點(diǎn)，在高速邏輯電路、射頻電路等領(lǐng)域展現(xiàn)出優(yōu)異的性能。此外，鍺的禁帶寬度相對(duì)較小，這使得鍺在一些特殊應(yīng)用中具有優(yōu)勢(shì)。在某些需要低閾值電壓和高載流子濃度的器件中，如隧道二極管等，鍺的小禁帶寬度可以滿(mǎn)足其對(duì)電學(xué)性能的要求。在一些對(duì)溫度敏感的應(yīng)用中，鍺的電學(xué)性能隨溫度的變化相對(duì)較小，具有較好的溫度穩(wěn)定性，能夠在一定溫度范圍內(nèi)保持器件性能的穩(wěn)定。綜上所述，鍺在電子遷移率、光學(xué)吸收以及與硅工藝的兼容性等方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，這些優(yōu)勢(shì)使其在半導(dǎo)體領(lǐng)域，尤其是高速、光電器件領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)鍺材料的研究和應(yīng)用也在不斷深入，未來(lái)鍺有望在更多領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，推動(dòng)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。2.2異質(zhì)襯底的選擇原則與作用2.2.1選擇原則在異質(zhì)襯底鍺薄膜的制備過(guò)程中，襯底的選擇至關(guān)重要，它直接影響著鍺薄膜的生長(zhǎng)質(zhì)量、性能以及后續(xù)器件的應(yīng)用效果。選擇異質(zhì)襯底時(shí)，需要綜合考慮多個(gè)關(guān)鍵因素，包括晶格匹配、熱膨脹系數(shù)匹配、化學(xué)穩(wěn)定性等。晶格匹配是選擇異質(zhì)襯底時(shí)首要考慮的因素之一。晶格常數(shù)是晶體結(jié)構(gòu)的重要參數(shù)，它決定了晶體中原子的排列間距。當(dāng)在異質(zhì)襯底上生長(zhǎng)鍺薄膜時(shí)，如果襯底的晶格常數(shù)與鍺的晶格常數(shù)差異過(guò)大，就會(huì)在鍺薄膜與襯底的界面處產(chǎn)生較大的晶格失配應(yīng)力。這種應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致鍺薄膜在生長(zhǎng)過(guò)程中產(chǎn)生大量的位錯(cuò)、缺陷等晶體結(jié)構(gòu)缺陷，嚴(yán)重影響鍺薄膜的晶體質(zhì)量和電學(xué)性能。以硅襯底為例，硅的晶格常數(shù)為0.5431nm，而鍺的晶格常數(shù)為0.5658nm，二者之間存在約4.2%的晶格失配。在硅襯底上直接生長(zhǎng)鍺薄膜時(shí)，這種晶格失配會(huì)使得鍺薄膜內(nèi)部產(chǎn)生較高的應(yīng)力，從而導(dǎo)致位錯(cuò)密度增加，薄膜的晶體質(zhì)量下降。為了緩解晶格失配帶來(lái)的影響，通常會(huì)采用一些緩沖層技術(shù)，如在硅襯底和鍺薄膜之間生長(zhǎng)一層漸變的硅鍺（SiGe）緩沖層，通過(guò)逐漸改變SiGe緩沖層中鍺的含量，使晶格常數(shù)從硅襯底的晶格常數(shù)逐漸過(guò)渡到鍺的晶格常數(shù)，從而有效地降低晶格失配應(yīng)力，提高鍺薄膜的生長(zhǎng)質(zhì)量。熱膨脹系數(shù)匹配也是選擇異質(zhì)襯底時(shí)不可忽視的因素。在鍺薄膜的生長(zhǎng)過(guò)程以及后續(xù)的器件制造和使用過(guò)程中，材料會(huì)經(jīng)歷溫度的變化。如果襯底和鍺薄膜的熱膨脹系數(shù)差異較大，當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí)，襯底和鍺薄膜的膨脹或收縮程度不同，就會(huì)在界面處產(chǎn)生熱應(yīng)力。這種熱應(yīng)力可能會(huì)導(dǎo)致鍺薄膜出現(xiàn)裂紋、剝離等問(wèn)題，影響薄膜的穩(wěn)定性和可靠性。例如，藍(lán)寶石襯底的熱膨脹系數(shù)為7.5×10??/℃，而鍺的熱膨脹系數(shù)為6.1×10??/℃，二者熱膨脹系數(shù)存在一定差異。在高溫生長(zhǎng)鍺薄膜后冷卻的過(guò)程中，這種熱膨脹系數(shù)的不匹配可能會(huì)使鍺薄膜與藍(lán)寶石襯底之間產(chǎn)生熱應(yīng)力，進(jìn)而影響鍺薄膜的質(zhì)量和性能。因此，在選擇襯底時(shí)，應(yīng)盡量選擇熱膨脹系數(shù)與鍺相近的材料，以減少熱應(yīng)力的產(chǎn)生?；瘜W(xué)穩(wěn)定性同樣是選擇異質(zhì)襯底時(shí)需要重點(diǎn)考慮的方面。襯底在鍺薄膜的生長(zhǎng)過(guò)程以及后續(xù)的處理過(guò)程中，需要保持良好的化學(xué)穩(wěn)定性，不與鍺發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，不被生長(zhǎng)過(guò)程中的氣體或其他化學(xué)物質(zhì)腐蝕。如果襯底的化學(xué)穩(wěn)定性不佳，在生長(zhǎng)過(guò)程中可能會(huì)與鍺發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致鍺薄膜的化學(xué)成分和晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，影響薄膜的性能。例如，某些金屬襯底可能會(huì)與鍺發(fā)生合金化反應(yīng)，改變鍺薄膜的電學(xué)和光學(xué)性能。在化學(xué)氣相沉積（CVD）等生長(zhǎng)工藝中，襯底需要在高溫和存在氣態(tài)有機(jī)源的環(huán)境下保持穩(wěn)定，不被分解或腐蝕，以確保鍺薄膜能夠在其表面高質(zhì)量地生長(zhǎng)。除了上述主要因素外，襯底的導(dǎo)電性、光學(xué)性能、機(jī)械性能以及成本和尺寸等因素也會(huì)影響襯底的選擇。對(duì)于一些需要電學(xué)性能的應(yīng)用，如制備鍺基電子器件，襯底的導(dǎo)電性需要滿(mǎn)足一定的要求，以便實(shí)現(xiàn)高效的電流傳輸。在光電器件應(yīng)用中，襯底的光學(xué)性能，如光吸收系數(shù)、折射率等，會(huì)影響器件的光提取效率和發(fā)光效率，因此需要選擇具有合適光學(xué)性能的襯底。襯底的機(jī)械性能，包括硬度、韌性等，會(huì)影響其加工性能和在后續(xù)器件制造過(guò)程中的穩(wěn)定性。此外，襯底的成本和尺寸也是實(shí)際生產(chǎn)中需要考慮的重要因素，低成本、大尺寸的襯底更有利于實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)和降低器件成本。不同的襯底材料具有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。硅襯底由于其成熟的工藝、低廉的成本以及與現(xiàn)有半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的兼容性，成為了應(yīng)用最為廣泛的異質(zhì)襯底之一。然而，硅與鍺之間的晶格失配和熱膨脹系數(shù)差異限制了鍺薄膜在硅襯底上的生長(zhǎng)質(zhì)量和性能提升。藍(lán)寶石襯底具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和光學(xué)性能，在光電器件應(yīng)用中具有一定優(yōu)勢(shì)，但其與鍺的晶格匹配性較差，且熱膨脹系數(shù)也存在差異，需要采取特殊的工藝措施來(lái)解決這些問(wèn)題。碳化硅襯底具有高導(dǎo)熱性、耐高溫等優(yōu)點(diǎn)，適用于一些對(duì)散熱和高溫性能要求較高的應(yīng)用場(chǎng)景，但碳化硅襯底的制備成本較高，加工難度較大。在選擇異質(zhì)襯底時(shí)，需要綜合考慮晶格匹配、熱膨脹系數(shù)匹配、化學(xué)穩(wěn)定性等多個(gè)因素，并根據(jù)具體的應(yīng)用需求和工藝條件，權(quán)衡不同襯底材料的優(yōu)缺點(diǎn)，選擇最合適的襯底，以實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的鍺薄膜生長(zhǎng)和高性能的器件應(yīng)用。2.2.2對(duì)鍺薄膜性能的影響異質(zhì)襯底對(duì)鍺薄膜的性能具有多方面的重要影響，涵蓋生長(zhǎng)質(zhì)量、晶體結(jié)構(gòu)以及電學(xué)性能等關(guān)鍵領(lǐng)域，這些影響直接決定了鍺薄膜在各種應(yīng)用中的表現(xiàn)和適用性。異質(zhì)襯底對(duì)鍺薄膜的生長(zhǎng)質(zhì)量有著顯著的影響。襯底的表面平整度、粗糙度以及晶格結(jié)構(gòu)等因素都會(huì)影響鍺原子在襯底表面的吸附、遷移和沉積過(guò)程，從而決定了鍺薄膜的生長(zhǎng)質(zhì)量。一個(gè)平整、光滑且晶格結(jié)構(gòu)與鍺匹配良好的襯底，能夠?yàn)殒N原子提供均勻的吸附位點(diǎn)，使得鍺原子在襯底表面能夠有序地遷移和沉積，進(jìn)而生長(zhǎng)出高質(zhì)量、低缺陷密度的鍺薄膜。相反，如果襯底表面存在缺陷、雜質(zhì)或者晶格失配嚴(yán)重，鍺原子在吸附和遷移過(guò)程中就會(huì)受到阻礙，容易在薄膜內(nèi)部形成位錯(cuò)、空洞等缺陷，降低鍺薄膜的生長(zhǎng)質(zhì)量。例如，在分子束外延（MBE）生長(zhǎng)鍺薄膜的過(guò)程中，當(dāng)使用經(jīng)過(guò)精細(xì)拋光和清洗的高質(zhì)量硅襯底時(shí)，能夠精確控制鍺原子的沉積速率和襯底溫度，使得鍺原子在硅襯底表面能夠逐層有序生長(zhǎng)，從而獲得原子級(jí)平整的鍺薄膜表面和低缺陷密度的晶體結(jié)構(gòu)。而如果硅襯底表面存在氧化層、顆粒污染物等雜質(zhì)，鍺原子在生長(zhǎng)過(guò)程中就會(huì)優(yōu)先在這些雜質(zhì)位點(diǎn)處聚集，導(dǎo)致鍺薄膜表面粗糙，缺陷增多，嚴(yán)重影響薄膜的質(zhì)量和性能。襯底還會(huì)對(duì)鍺薄膜的晶體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。由于襯底與鍺薄膜的晶格常數(shù)和晶體結(jié)構(gòu)可能存在差異，在鍺薄膜生長(zhǎng)過(guò)程中，會(huì)受到襯底晶格的約束和影響，從而導(dǎo)致鍺薄膜的晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。這種變化可能表現(xiàn)為晶格畸變、晶向生長(zhǎng)的改變以及晶體缺陷的引入等。以在藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)鍺薄膜為例，藍(lán)寶石的晶體結(jié)構(gòu)為三方晶系，與鍺的面心立方晶體結(jié)構(gòu)存在較大差異。在生長(zhǎng)過(guò)程中，鍺薄膜為了適應(yīng)藍(lán)寶石襯底的晶格結(jié)構(gòu)，會(huì)發(fā)生晶格畸變，導(dǎo)致鍺薄膜內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力。這種應(yīng)力會(huì)影響鍺薄膜的晶向生長(zhǎng)，使得鍺薄膜的晶體取向不再是理想的單一晶向，而是出現(xiàn)多晶或擇優(yōu)取向生長(zhǎng)的情況。同時(shí)，晶格畸變和應(yīng)力還會(huì)引入大量的位錯(cuò)、層錯(cuò)等晶體缺陷，這些缺陷會(huì)影響鍺薄膜的電學(xué)性能和光學(xué)性能。通過(guò)在藍(lán)寶石襯底和鍺薄膜之間引入合適的緩沖層，如生長(zhǎng)一層與藍(lán)寶石晶格匹配較好的氧化物緩沖層，再在緩沖層上生長(zhǎng)鍺薄膜，可以有效地緩解晶格失配，減少應(yīng)力和晶體缺陷，改善鍺薄膜的晶體結(jié)構(gòu)。異質(zhì)襯底對(duì)鍺薄膜的電學(xué)性能也有著重要的影響。不同的襯底材料具有不同的電學(xué)性質(zhì)，如導(dǎo)電性、介電常數(shù)等，這些性質(zhì)會(huì)通過(guò)襯底與鍺薄膜之間的界面相互作用，影響鍺薄膜的電學(xué)性能。例如，當(dāng)在導(dǎo)電的硅襯底上生長(zhǎng)鍺薄膜時(shí)，硅襯底的導(dǎo)電性會(huì)對(duì)鍺薄膜的電學(xué)性能產(chǎn)生一定的影響。如果硅襯底的摻雜濃度較高，其內(nèi)部的載流子會(huì)與鍺薄膜中的載流子發(fā)生相互作用，導(dǎo)致鍺薄膜的電學(xué)性能發(fā)生改變。具體表現(xiàn)為鍺薄膜的載流子濃度、遷移率以及電阻率等參數(shù)的變化。在制備鍺基場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET）時(shí)，如果襯底的導(dǎo)電性不合適，會(huì)導(dǎo)致器件的閾值電壓漂移、漏電流增大等問(wèn)題，影響器件的性能和穩(wěn)定性。此外，襯底與鍺薄膜之間的界面態(tài)也會(huì)對(duì)鍺薄膜的電學(xué)性能產(chǎn)生影響。界面態(tài)中的電荷會(huì)形成電場(chǎng)，影響鍺薄膜中載流子的分布和輸運(yùn)，從而改變鍺薄膜的電學(xué)性能。通過(guò)對(duì)襯底進(jìn)行表面處理，如氧化、鈍化等，可以減少界面態(tài)的數(shù)量，改善界面質(zhì)量，從而提高鍺薄膜的電學(xué)性能。不同襯底上生長(zhǎng)的鍺薄膜性能存在明顯差異。在硅襯底上生長(zhǎng)的鍺薄膜，由于硅與鍺之間的晶格失配和熱膨脹系數(shù)差異，通常會(huì)存在較高的應(yīng)力和較多的晶體缺陷，這會(huì)導(dǎo)致鍺薄膜的載流子遷移率降低，電學(xué)性能受到一定程度的影響。然而，由于硅襯底的成熟工藝和低成本優(yōu)勢(shì)，在通過(guò)優(yōu)化生長(zhǎng)工藝和采用緩沖層技術(shù)等手段后，仍然可以在硅襯底上制備出滿(mǎn)足一定應(yīng)用需求的鍺薄膜，如用于硅基鍺光電器件的集成。在藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)的鍺薄膜，雖然藍(lán)寶石具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和光學(xué)性能，但由于其與鍺的晶格匹配性較差，鍺薄膜的晶體質(zhì)量和電學(xué)性能也會(huì)受到較大影響。但在一些對(duì)光學(xué)性能要求較高的應(yīng)用中，如制備鍺基紅外探測(cè)器，通過(guò)合理設(shè)計(jì)生長(zhǎng)工藝和結(jié)構(gòu)，可以利用藍(lán)寶石的光學(xué)優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)高性能的鍺基光電器件。在碳化硅襯底上生長(zhǎng)的鍺薄膜，由于碳化硅的高導(dǎo)熱性和耐高溫性，可以在高溫、高功率等惡劣環(huán)境下保持較好的性能穩(wěn)定性。但碳化硅襯底的高成本和加工難度限制了其大規(guī)模應(yīng)用。異質(zhì)襯底在鍺薄膜的生長(zhǎng)過(guò)程中起著至關(guān)重要的作用，對(duì)鍺薄膜的生長(zhǎng)質(zhì)量、晶體結(jié)構(gòu)和電學(xué)性能等方面都有著深遠(yuǎn)的影響。在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)具體的需求和工藝條件，選擇合適的異質(zhì)襯底，并通過(guò)優(yōu)化生長(zhǎng)工藝和采用相關(guān)技術(shù)手段，來(lái)充分發(fā)揮異質(zhì)襯底的優(yōu)勢(shì)，克服其帶來(lái)的不利影響，實(shí)現(xiàn)高性能的異質(zhì)襯底鍺薄膜的制備和應(yīng)用。三、制備材料與設(shè)備3.1制備材料3.1.1鍺源材料在異質(zhì)襯底鍺薄膜的制備過(guò)程中，鍺源材料的選擇和特性對(duì)薄膜的質(zhì)量和性能起著關(guān)鍵作用。常用的鍺源材料主要包括鍺錠和鍺粉，它們各自具有獨(dú)特的物理和化學(xué)性質(zhì)，這些性質(zhì)在很大程度上影響著薄膜制備的工藝過(guò)程和最終薄膜的性能。鍺錠是一種經(jīng)過(guò)精煉和提純的塊狀鍺材料，通常具有較高的純度。高純度的鍺錠對(duì)于制備高質(zhì)量的鍺薄膜至關(guān)重要，因?yàn)殡s質(zhì)的存在會(huì)顯著影響鍺薄膜的電學(xué)、光學(xué)和結(jié)構(gòu)性能。在電子器件應(yīng)用中，鍺薄膜中的雜質(zhì)可能會(huì)引入額外的能級(jí)，干擾載流子的傳輸，導(dǎo)致器件性能下降。在制備光電器件時(shí)，雜質(zhì)可能會(huì)影響鍺薄膜對(duì)光的吸收和發(fā)射特性，降低器件的光電轉(zhuǎn)換效率。工業(yè)生產(chǎn)中，常用的鍺錠純度可達(dá)到99.999%（5N）甚至更高。隨著純度的提高，鍺錠中的雜質(zhì)含量大幅降低，從而減少了在薄膜生長(zhǎng)過(guò)程中雜質(zhì)對(duì)鍺薄膜性能的負(fù)面影響，使得制備出的鍺薄膜具有更優(yōu)異的電學(xué)和光學(xué)性能。鍺粉則是由鍺錠經(jīng)過(guò)粉碎等加工工藝得到的粉末狀材料。鍺粉的顆粒大小是一個(gè)重要的參數(shù)，它對(duì)薄膜制備過(guò)程有著顯著的影響。較小的顆粒尺寸能夠提供更大的比表面積，使得鍺原子在蒸發(fā)或?yàn)R射等沉積過(guò)程中更容易與襯底表面發(fā)生相互作用，從而促進(jìn)鍺薄膜的均勻生長(zhǎng)。在物理氣相沉積（PVD）工藝中，較小顆粒的鍺粉在加熱蒸發(fā)時(shí)，能夠更快速地轉(zhuǎn)化為氣態(tài)原子，并且在襯底表面的沉積更加均勻，有利于形成高質(zhì)量的鍺薄膜。顆粒尺寸過(guò)小也可能導(dǎo)致一些問(wèn)題，如粉末的團(tuán)聚現(xiàn)象，這會(huì)影響粉末的流動(dòng)性和均勻性，進(jìn)而影響薄膜的生長(zhǎng)質(zhì)量。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)具體的制備工藝和要求，選擇合適顆粒大小的鍺粉。一般來(lái)說(shuō)，用于薄膜制備的鍺粉顆粒尺寸通常在幾微米到幾十微米之間。不同純度和顆粒大小的鍺源材料對(duì)薄膜制備的影響機(jī)制較為復(fù)雜。從純度方面來(lái)看，低純度的鍺源材料中含有的雜質(zhì)在薄膜生長(zhǎng)過(guò)程中可能會(huì)進(jìn)入鍺薄膜晶格，形成雜質(zhì)缺陷。這些雜質(zhì)缺陷可能會(huì)改變鍺薄膜的晶體結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致晶格畸變，進(jìn)而影響鍺薄膜的電學(xué)性能。一些金屬雜質(zhì)可能會(huì)作為載流子的散射中心，降低載流子的遷移率，使鍺薄膜的電阻增大。從顆粒大小方面來(lái)看，較大顆粒的鍺粉在沉積過(guò)程中，由于其質(zhì)量較大，可能會(huì)在襯底表面產(chǎn)生不均勻的沉積，導(dǎo)致鍺薄膜厚度不均勻。大顆粒的鍺粉在蒸發(fā)或?yàn)R射時(shí)，需要更高的能量才能使其轉(zhuǎn)化為氣態(tài)原子，這可能會(huì)增加制備工藝的難度和成本。在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)具體的制備工藝和對(duì)鍺薄膜性能的要求來(lái)選擇合適的鍺源材料。在分子束外延（MBE）這種對(duì)薄膜質(zhì)量要求極高的制備工藝中，通常會(huì)選擇高純度的鍺錠作為鍺源材料，以確保能夠精確控制薄膜的生長(zhǎng)過(guò)程，獲得原子級(jí)平整的高質(zhì)量鍺薄膜。而在一些對(duì)成本較為敏感且對(duì)薄膜質(zhì)量要求相對(duì)較低的應(yīng)用中，如某些傳感器的制備，可以考慮使用鍺粉作為鍺源材料，通過(guò)優(yōu)化工藝參數(shù)來(lái)控制薄膜的生長(zhǎng)質(zhì)量。3.1.2襯底材料在異質(zhì)襯底鍺薄膜的制備中，襯底材料的選擇至關(guān)重要，它直接關(guān)系到鍺薄膜的生長(zhǎng)質(zhì)量、性能以及后續(xù)器件的應(yīng)用效果。常見(jiàn)的異質(zhì)襯底材料包括硅、藍(lán)寶石等，它們各自具有獨(dú)特的特性和適用場(chǎng)景。硅襯底是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中應(yīng)用最為廣泛的襯底材料之一，具有諸多顯著優(yōu)勢(shì)。硅的晶體結(jié)構(gòu)為金剛石型立方結(jié)構(gòu)，與鍺的面心立方結(jié)構(gòu)有一定的相似性，這使得鍺在硅襯底上生長(zhǎng)時(shí)，在一定程度上能夠減少晶格失配帶來(lái)的負(fù)面影響。硅襯底的制備工藝成熟，成本相對(duì)較低，能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)。在集成電路制造領(lǐng)域，硅襯底已經(jīng)建立了完善的產(chǎn)業(yè)鏈和工藝體系，這為在硅襯底上生長(zhǎng)鍺薄膜并實(shí)現(xiàn)其與硅基器件的集成提供了便利條件。硅襯底具有良好的電學(xué)性能，其本征載流子濃度低，電阻率較高，能夠滿(mǎn)足大多數(shù)半導(dǎo)體器件對(duì)襯底電學(xué)性能的要求。在制備鍺基場(chǎng)效應(yīng)晶體管時(shí)，硅襯底的低本征載流子濃度可以減少襯底對(duì)器件電學(xué)性能的干擾，提高器件的性能和穩(wěn)定性。硅襯底也存在一些不足之處。硅與鍺之間存在約4.2%的晶格失配，這種晶格失配會(huì)在鍺薄膜生長(zhǎng)過(guò)程中產(chǎn)生應(yīng)力，導(dǎo)致鍺薄膜內(nèi)部出現(xiàn)位錯(cuò)、缺陷等問(wèn)題，影響鍺薄膜的晶體質(zhì)量和電學(xué)性能。為了緩解這種晶格失配應(yīng)力，可以采用在硅襯底和鍺薄膜之間生長(zhǎng)漸變硅鍺（SiGe）緩沖層的方法，通過(guò)逐漸改變SiGe緩沖層中鍺的含量，使晶格常數(shù)從硅襯底的晶格常數(shù)逐漸過(guò)渡到鍺的晶格常數(shù)，從而有效降低晶格失配應(yīng)力，提高鍺薄膜的生長(zhǎng)質(zhì)量。藍(lán)寶石襯底，其主要成分是氧化鋁（Al?O?），具有獨(dú)特的特性。藍(lán)寶石襯底的化學(xué)穩(wěn)定性良好，在高溫、高濕度等惡劣環(huán)境下，能夠保持穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)，不易與鍺或其他材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。這使得在藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)鍺薄膜時(shí)，能夠保證薄膜的化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，有利于制備高質(zhì)量的鍺薄膜。藍(lán)寶石襯底具有優(yōu)異的光學(xué)性能，其在可見(jiàn)光和紅外波段具有較高的透過(guò)率，折射率均勻。這種良好的光學(xué)性能使得藍(lán)寶石襯底在光電器件應(yīng)用中具有明顯優(yōu)勢(shì)。在制備鍺基紅外探測(cè)器時(shí)，藍(lán)寶石襯底的高紅外透過(guò)率可以減少光在襯底中的吸收和散射，提高探測(cè)器對(duì)紅外光的響應(yīng)靈敏度和探測(cè)效率。藍(lán)寶石襯底的硬度較高，機(jī)械性能穩(wěn)定，能夠在薄膜生長(zhǎng)過(guò)程中提供穩(wěn)定的支撐，保證薄膜的生長(zhǎng)質(zhì)量。然而，藍(lán)寶石襯底與鍺的晶格匹配性較差，其晶體結(jié)構(gòu)與鍺的面心立方結(jié)構(gòu)差異較大，這會(huì)導(dǎo)致在藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)鍺薄膜時(shí)，晶格失配應(yīng)力較大，容易產(chǎn)生大量的位錯(cuò)和缺陷，影響鍺薄膜的性能。為了解決這一問(wèn)題，可以采用在藍(lán)寶石襯底上先生長(zhǎng)一層與藍(lán)寶石晶格匹配較好的緩沖層，如氧化物緩沖層，然后再在緩沖層上生長(zhǎng)鍺薄膜的方法，通過(guò)緩沖層來(lái)緩解晶格失配應(yīng)力，改善鍺薄膜的晶體結(jié)構(gòu)和性能。除了硅和藍(lán)寶石襯底外，還有其他一些襯底材料也在異質(zhì)襯底鍺薄膜制備中得到應(yīng)用。碳化硅（SiC）襯底具有高導(dǎo)熱性、耐高溫、化學(xué)穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，適用于制備在高溫、高功率環(huán)境下工作的鍺基器件。在制備用于高溫傳感器或高功率射頻器件的鍺薄膜時(shí)，碳化硅襯底的高導(dǎo)熱性可以有效散熱，保證器件在高溫環(huán)境下的正常工作。但碳化硅襯底的制備成本較高，加工難度較大，限制了其大規(guī)模應(yīng)用。在選擇襯底材料時(shí)，需要綜合考慮多個(gè)因素。要根據(jù)鍺薄膜的應(yīng)用領(lǐng)域和性能要求來(lái)選擇合適的襯底。如果是用于制備高速電子器件，需要考慮襯底的電學(xué)性能和與鍺的晶格匹配性，硅襯底可能是較為合適的選擇；如果是用于制備光電器件，襯底的光學(xué)性能則是關(guān)鍵因素，藍(lán)寶石襯底可能更具優(yōu)勢(shì)。還需要考慮襯底的成本、制備工藝的兼容性等因素。在大規(guī)模生產(chǎn)中，成本是一個(gè)重要的考量因素，硅襯底由于其成本低、工藝成熟，在滿(mǎn)足性能要求的情況下，通常是優(yōu)先選擇。制備工藝的兼容性也很重要，要確保所選襯底能夠與鍺薄膜的制備工藝相匹配，以保證薄膜的生長(zhǎng)質(zhì)量和生產(chǎn)效率。三、制備材料與設(shè)備3.2制備設(shè)備3.2.1蒸發(fā)設(shè)備蒸發(fā)設(shè)備是制備異質(zhì)襯底鍺薄膜的重要工具之一，其中玻璃鐘罩蒸發(fā)設(shè)備具有結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、成本較低等優(yōu)點(diǎn)，在科研和小規(guī)模生產(chǎn)中應(yīng)用較為廣泛。玻璃鐘罩蒸發(fā)設(shè)備主要由鐘罩、蒸發(fā)源、襯底支架、真空系統(tǒng)以及加熱和控溫裝置等部分組成。該設(shè)備的工作原理基于物理氣相沉積的基本原理，即在高真空環(huán)境下，通過(guò)加熱蒸發(fā)源使鍺源材料（如鍺錠或鍺粉）蒸發(fā)成氣態(tài)原子或分子。這些氣態(tài)的鍺原子或分子在真空中以直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的方式向四周擴(kuò)散，當(dāng)它們到達(dá)襯底表面時(shí)，由于襯底溫度相對(duì)較低，鍺原子或分子會(huì)在襯底表面凝結(jié)并逐漸沉積，從而形成鍺薄膜。在蒸發(fā)過(guò)程中，蒸發(fā)源通常采用電阻加熱、電子束加熱或激光加熱等方式。電阻加熱是通過(guò)電流通過(guò)電阻絲產(chǎn)生熱量，使蒸發(fā)源溫度升高，從而實(shí)現(xiàn)鍺源材料的蒸發(fā)；電子束加熱則是利用高能電子束轟擊蒸發(fā)源，將電子的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能，使鍺源材料蒸發(fā)；激光加熱是通過(guò)聚焦激光束照射蒸發(fā)源，使蒸發(fā)源吸收激光能量而升溫蒸發(fā)。不同的加熱方式具有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，電阻加熱設(shè)備簡(jiǎn)單、成本低，但加熱效率相對(duì)較低，且溫度均勻性較難控制；電子束加熱能夠?qū)崿F(xiàn)高能量密度的加熱，可蒸發(fā)高熔點(diǎn)材料，溫度控制精度較高，但設(shè)備復(fù)雜、成本高；激光加熱具有加熱速度快、局部加熱能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但設(shè)備昂貴，且對(duì)蒸發(fā)源材料的光學(xué)性質(zhì)有一定要求。在玻璃鐘罩蒸發(fā)設(shè)備中，蒸發(fā)速率是一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，它對(duì)鍺薄膜的質(zhì)量有著重要影響。蒸發(fā)速率過(guò)快，鍺原子在襯底表面的沉積速度過(guò)快，可能導(dǎo)致原子來(lái)不及在襯底表面進(jìn)行有序排列，從而使鍺薄膜的晶體結(jié)構(gòu)紊亂，產(chǎn)生較多的缺陷，如位錯(cuò)、空洞等，影響薄膜的電學(xué)性能和光學(xué)性能。在制備用于光電器件的鍺薄膜時(shí)，過(guò)快的蒸發(fā)速率可能導(dǎo)致薄膜的光吸收不均勻，降低光電器件的響應(yīng)靈敏度。相反，蒸發(fā)速率過(guò)慢，不僅會(huì)降低生產(chǎn)效率，還可能使鍺原子在真空中停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，增加了與殘留氣體分子碰撞的機(jī)會(huì)，從而引入雜質(zhì)，影響鍺薄膜的純度和質(zhì)量。為了獲得高質(zhì)量的鍺薄膜，需要根據(jù)具體的工藝要求，精確控制蒸發(fā)速率。通?？梢酝ㄟ^(guò)調(diào)節(jié)蒸發(fā)源的加熱功率、蒸發(fā)源與襯底之間的距離等因素來(lái)控制蒸發(fā)速率。本底壓強(qiáng)也是影響鍺薄膜質(zhì)量的重要因素。本底壓強(qiáng)是指在蒸發(fā)鍍膜之前，鍍膜室內(nèi)的真空度。較低的本底壓強(qiáng)意味著鍍膜室內(nèi)的殘留氣體分子較少，這可以減少鍺原子在蒸發(fā)過(guò)程中與殘留氣體分子的碰撞，降低雜質(zhì)的引入，從而提高鍺薄膜的純度。在高本底壓強(qiáng)環(huán)境下，鍺原子可能會(huì)與殘留的氧氣、氮?dú)獾葰怏w分子發(fā)生反應(yīng)，形成鍺的氧化物、氮化物等雜質(zhì)，這些雜質(zhì)會(huì)改變鍺薄膜的化學(xué)成分和晶體結(jié)構(gòu)，影響其電學(xué)性能和光學(xué)性能。高本底壓強(qiáng)還可能導(dǎo)致鍺原子在襯底表面的沉積過(guò)程中形成不均勻的薄膜，降低薄膜的質(zhì)量和均勻性。一般來(lái)說(shuō)，制備高質(zhì)量鍺薄膜時(shí)，玻璃鐘罩蒸發(fā)設(shè)備的本底壓強(qiáng)需要控制在10^{-3}Pa甚至更低的水平。為了實(shí)現(xiàn)低本底壓強(qiáng)，通常需要采用高性能的真空泵，如機(jī)械泵與分子泵或擴(kuò)散泵組合的方式，對(duì)鍍膜室進(jìn)行抽氣，以獲得高真空環(huán)境。同時(shí)，還需要對(duì)設(shè)備進(jìn)行嚴(yán)格的密封，防止外界氣體進(jìn)入鍍膜室，確保本底壓強(qiáng)的穩(wěn)定性。3.2.2濺射設(shè)備射頻磁控濺射設(shè)備是一種常用的制備異質(zhì)襯底鍺薄膜的濺射設(shè)備，其工作機(jī)制基于射頻電源驅(qū)動(dòng)的磁控濺射技術(shù)。在該設(shè)備中，主要包括射頻電源、磁控系統(tǒng)、濺射靶材、基片架和真空系統(tǒng)等關(guān)鍵組成部分。射頻磁控濺射設(shè)備的工作原理較為復(fù)雜，涉及到電場(chǎng)、磁場(chǎng)以及等離子體等多個(gè)物理過(guò)程。在真空環(huán)境下，射頻電源產(chǎn)生高頻電磁波，通過(guò)匹配網(wǎng)絡(luò)將射頻功率耦合到濺射靶材上，使其成為射頻電場(chǎng)的一個(gè)電極。同時(shí)，磁控系統(tǒng)在靶材表面附近產(chǎn)生磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)與電場(chǎng)相互作用，形成一個(gè)特殊的電磁場(chǎng)分布。當(dāng)向真空室內(nèi)充入一定量的惰性氣體（如氬氣）后，在射頻電場(chǎng)的作用下，氬氣分子被電離，產(chǎn)生氬離子（Ar?）和電子。這些電子在電場(chǎng)的加速下飛向靶材，在飛行過(guò)程中與氬氣分子不斷碰撞，產(chǎn)生更多的離子和電子，形成等離子體。由于磁場(chǎng)對(duì)帶電粒子的約束作用，電子在靶材表面附近做螺旋狀運(yùn)動(dòng)，增加了電子與氬氣分子的碰撞幾率，從而提高了等離子體的密度和氣體的離化率。氬離子在電場(chǎng)的作用下加速飛向靶材，以高能量轟擊靶材表面，使靶材表面的鍺原子獲得足夠的能量而被濺射出來(lái)，形成鍺原子束。這些鍺原子在真空室內(nèi)飛行，最終沉積在基片表面，逐漸形成鍺薄膜。在射頻磁控濺射設(shè)備中，濺射功率是一個(gè)重要的操作條件，它與鍺薄膜的生長(zhǎng)密切相關(guān)。濺射功率直接影響著氬離子轟擊靶材的能量和濺射出來(lái)的鍺原子的數(shù)量。當(dāng)濺射功率較低時(shí)，氬離子的能量較低，濺射出來(lái)的鍺原子數(shù)量較少，導(dǎo)致鍺薄膜的生長(zhǎng)速率較慢。低濺射功率下，鍺原子在基片表面的遷移能力較弱，可能無(wú)法形成均勻、致密的薄膜結(jié)構(gòu)，影響薄膜的質(zhì)量。隨著濺射功率的增加，氬離子的能量增大，濺射出來(lái)的鍺原子數(shù)量增多，薄膜的生長(zhǎng)速率加快。但濺射功率過(guò)高，會(huì)使氬離子的能量過(guò)高，導(dǎo)致靶材表面的原子濺射過(guò)于劇烈，可能會(huì)引入過(guò)多的缺陷，如晶格畸變、空位等，同時(shí)還可能使基片溫度升高過(guò)快，影響薄膜的晶體結(jié)構(gòu)和性能。在制備鍺薄膜時(shí)，需要根據(jù)具體的需求和基片的承受能力，合理選擇濺射功率，一般在幾十瓦到幾百瓦之間。氣體流量也是影響鍺薄膜生長(zhǎng)的重要因素之一。在射頻磁控濺射過(guò)程中，氣體流量主要影響真空室內(nèi)的氣壓和等離子體的密度。當(dāng)氣體流量較小時(shí)，真空室內(nèi)的氣壓較低，等離子體的密度也較低，這會(huì)導(dǎo)致氬離子與靶材的碰撞幾率降低，濺射效率下降，從而使鍺薄膜的生長(zhǎng)速率變慢。氣體流量過(guò)小還可能使等離子體的分布不均勻，導(dǎo)致鍺薄膜的生長(zhǎng)不均勻。相反，當(dāng)氣體流量過(guò)大時(shí)，真空室內(nèi)的氣壓升高，等離子體的密度增大，雖然濺射效率會(huì)提高，但過(guò)高的氣壓會(huì)使濺射出來(lái)的鍺原子在飛行過(guò)程中與氣體分子的碰撞幾率增加，導(dǎo)致鍺原子的能量損失和散射，影響鍺原子在基片表面的沉積方向和均勻性，進(jìn)而影響鍺薄膜的質(zhì)量。通常情況下，需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)優(yōu)化，確定合適的氣體流量，一般氬氣流量在幾sccm到幾十sccm之間。射頻磁控濺射設(shè)備在制備異質(zhì)襯底鍺薄膜方面具有諸多優(yōu)勢(shì)。該設(shè)備可以在較低的溫度下進(jìn)行薄膜沉積，這對(duì)于一些對(duì)溫度敏感的襯底材料（如塑料、有機(jī)材料等）非常重要，能夠避免因高溫導(dǎo)致的襯底變形、性能改變等問(wèn)題。射頻磁控濺射設(shè)備能夠精確控制薄膜的厚度，通過(guò)調(diào)節(jié)濺射時(shí)間和濺射速率，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)薄膜厚度的精確控制，滿(mǎn)足不同應(yīng)用對(duì)薄膜厚度的嚴(yán)格要求。該設(shè)備還可以制備出具有優(yōu)良性能的薄膜，如高純度、低缺陷、高附著力等，適用于各種對(duì)薄膜性能要求較高的應(yīng)用領(lǐng)域，如微電子、光學(xué)、傳感器等。3.2.3分子束外延設(shè)備分子束外延（MBE）設(shè)備是一種能夠?qū)崿F(xiàn)高精度薄膜生長(zhǎng)的先進(jìn)設(shè)備，在制備高質(zhì)量異質(zhì)襯底鍺薄膜方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。MBE設(shè)備主要由超高真空系統(tǒng)、分子束源爐、襯底加熱與溫度控制系統(tǒng)、反射式高能電子衍射（RHEED）監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以及樣品傳輸系統(tǒng)等部分組成。MBE設(shè)備的高精度生長(zhǎng)原理基于在超高真空環(huán)境下，精確控制分子或原子束的蒸發(fā)和沉積過(guò)程。在MBE設(shè)備中，鍺原子或分子從加熱的分子束源爐中蒸發(fā)出來(lái)，形成一束具有確定能量和方向的分子束。這些分子束在超高真空環(huán)境中幾乎無(wú)碰撞地飛向襯底表面。襯底被加熱到適當(dāng)?shù)臏囟?，使到達(dá)襯底表面的鍺原子具有足夠的遷移能力，能夠在襯底表面進(jìn)行擴(kuò)散和重新排列，從而實(shí)現(xiàn)逐層生長(zhǎng)。在生長(zhǎng)過(guò)程中，通過(guò)反射式高能電子衍射（RHEED）監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可以實(shí)時(shí)觀(guān)察襯底表面的原子排列情況和薄膜的生長(zhǎng)狀態(tài)。RHEED系統(tǒng)利用高能電子束照射襯底表面，根據(jù)反射電子束的衍射圖案來(lái)推斷襯底表面的原子結(jié)構(gòu)和薄膜的生長(zhǎng)模式。如果生長(zhǎng)過(guò)程中出現(xiàn)原子排列異常或薄膜生長(zhǎng)不均勻等問(wèn)題，可以及時(shí)調(diào)整分子束的流量、襯底溫度等參數(shù)，以保證薄膜的高質(zhì)量生長(zhǎng)。MBE設(shè)備在制備高質(zhì)量鍺薄膜方面具有顯著的優(yōu)勢(shì)。該設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)原子級(jí)別的精確控制，通過(guò)精確調(diào)節(jié)分子束源爐的溫度和蒸發(fā)速率，可以精確控制到達(dá)襯底表面的鍺原子的數(shù)量和速率，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)鍺薄膜生長(zhǎng)層數(shù)和厚度的精確控制，精度可達(dá)原子層級(jí)別。這使得MBE設(shè)備能夠生長(zhǎng)出具有原子級(jí)平整表面和低缺陷密度的高質(zhì)量鍺薄膜，非常適合用于制備對(duì)薄膜質(zhì)量要求極高的光電器件和高速電子器件。MBE設(shè)備在超高真空環(huán)境下工作，能夠有效避免雜質(zhì)的引入，保證鍺薄膜的高純度。在超高真空環(huán)境中，殘留氣體分子的數(shù)量極少，鍺原子在蒸發(fā)和沉積過(guò)程中與雜質(zhì)分子碰撞的幾率極低，從而能夠生長(zhǎng)出高純度的鍺薄膜，滿(mǎn)足對(duì)薄膜電學(xué)性能和光學(xué)性能要求嚴(yán)格的應(yīng)用場(chǎng)景。MBE設(shè)備還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)鍺薄膜生長(zhǎng)過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和原位分析，通過(guò)RHEED等監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可以實(shí)時(shí)了解薄膜的生長(zhǎng)狀態(tài)和質(zhì)量，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并解決生長(zhǎng)過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題，為制備高質(zhì)量的鍺薄膜提供了有力的保障。MBE設(shè)備也存在一些局限性，其中最主要的是成本限制。MBE設(shè)備的價(jià)格昂貴，其超高真空系統(tǒng)、分子束源爐、RHEED監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等關(guān)鍵部件都需要高精度的制造工藝和先進(jìn)的技術(shù)，導(dǎo)致設(shè)備的購(gòu)置成本極高。MBE設(shè)備的運(yùn)行和維護(hù)成本也很高，需要消耗大量的能源來(lái)維持超高真空環(huán)境和精確控制分子束源爐的溫度，同時(shí)設(shè)備的維護(hù)和保養(yǎng)需要專(zhuān)業(yè)的技術(shù)人員和昂貴的檢測(cè)設(shè)備，增加了使用成本。MBE設(shè)備的生長(zhǎng)速率相對(duì)較低，一般在每小時(shí)幾個(gè)原子層到幾十納米之間，這使得大規(guī)模生產(chǎn)鍺薄膜的效率較低，進(jìn)一步提高了生產(chǎn)成本。由于這些成本限制，MBE設(shè)備目前主要應(yīng)用于科研領(lǐng)域和高端產(chǎn)品的制備，在大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用受到一定的限制。四、制備方法4.1蒸發(fā)法4.1.1工藝步驟蒸發(fā)法制備異質(zhì)襯底鍺薄膜是一種基于物理氣相沉積原理的工藝，其過(guò)程涉及多個(gè)關(guān)鍵步驟，每個(gè)步驟都對(duì)最終鍺薄膜的質(zhì)量和性能有著重要影響。在進(jìn)行蒸發(fā)鍍膜之前，對(duì)襯底進(jìn)行嚴(yán)格的清洗至關(guān)重要。襯底表面的雜質(zhì)、油污和氧化物等會(huì)嚴(yán)重影響鍺薄膜與襯底的附著力以及薄膜的生長(zhǎng)質(zhì)量。以硅襯底為例，通常先將硅襯底依次放入丙酮、乙醇等有機(jī)溶劑中進(jìn)行超聲清洗，利用超聲的空化作用去除表面的油污和有機(jī)物雜質(zhì)。丙酮具有良好的溶解性，能夠有效溶解各類(lèi)油脂，而乙醇則可以進(jìn)一步清洗掉殘留的丙酮和其他水溶性雜質(zhì)。將襯底放入氫氟酸溶液中進(jìn)行短暫浸泡，以去除表面的氧化層，使襯底表面呈現(xiàn)出潔凈的硅原子表面。經(jīng)過(guò)清洗后的襯底，要用去離子水反復(fù)沖洗，去除殘留的清洗液，然后用高純氮?dú)獯蹈桑_保襯底表面干燥、潔凈，為后續(xù)的鍺薄膜生長(zhǎng)提供良好的基礎(chǔ)。清洗完成后，將襯底放置在蒸發(fā)設(shè)備的襯底支架上，同時(shí)將鍺源材料（如鍺錠或鍺粉）放置在蒸發(fā)源中。在玻璃鐘罩蒸發(fā)設(shè)備中，蒸發(fā)源通常采用鉬舟或鎢絲等耐高溫材料制成的容器，將鍺源放入其中。關(guān)閉鐘罩，啟動(dòng)真空系統(tǒng)，對(duì)蒸發(fā)室進(jìn)行抽氣，使室內(nèi)氣壓逐漸降低，達(dá)到高真空狀態(tài)，一般要求本底壓強(qiáng)低于10^{-3}Pa。在高真空環(huán)境下，能夠減少殘留氣體分子對(duì)鍺原子蒸發(fā)和沉積過(guò)程的干擾，降低雜質(zhì)的引入，從而提高鍺薄膜的純度和質(zhì)量。當(dāng)達(dá)到所需的真空度后，開(kāi)始對(duì)蒸發(fā)源進(jìn)行加熱。根據(jù)蒸發(fā)源的類(lèi)型不同，加熱方式也有所區(qū)別。如果采用電阻加熱蒸發(fā)源，通過(guò)給鉬舟或鎢絲等蒸發(fā)源施加電流，利用電阻產(chǎn)生的熱量使鍺源溫度升高。隨著溫度的升高，鍺源逐漸蒸發(fā)，產(chǎn)生鍺原子蒸汽。在蒸發(fā)過(guò)程中，需要精確控制蒸發(fā)源的溫度，以控制鍺原子的蒸發(fā)速率。如果蒸發(fā)速率過(guò)快，鍺原子在襯底表面的沉積速度過(guò)快，可能導(dǎo)致原子來(lái)不及在襯底表面進(jìn)行有序排列，從而使鍺薄膜的晶體結(jié)構(gòu)紊亂，產(chǎn)生較多的缺陷，如位錯(cuò)、空洞等，影響薄膜的電學(xué)性能和光學(xué)性能。在制備用于光電器件的鍺薄膜時(shí)，過(guò)快的蒸發(fā)速率可能導(dǎo)致薄膜的光吸收不均勻，降低光電器件的響應(yīng)靈敏度。相反，如果蒸發(fā)速率過(guò)慢，不僅會(huì)降低生產(chǎn)效率，還可能使鍺原子在真空中停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，增加了與殘留氣體分子碰撞的機(jī)會(huì)，從而引入雜質(zhì)，影響鍺薄膜的純度和質(zhì)量。蒸發(fā)產(chǎn)生的鍺原子蒸汽在真空中以分子束的形式向四周擴(kuò)散，當(dāng)它們到達(dá)襯底表面時(shí)，由于襯底溫度相對(duì)較低，鍺原子會(huì)在襯底表面凝結(jié)并逐漸沉積。在沉積過(guò)程中，襯底溫度是一個(gè)重要的參數(shù)，它會(huì)影響鍺原子在襯底表面的遷移能力和結(jié)晶行為。如果襯底溫度過(guò)低，鍺原子在襯底表面的遷移能力較弱，難以在表面進(jìn)行有序排列，容易形成非晶態(tài)或多晶態(tài)結(jié)構(gòu)，且薄膜的內(nèi)應(yīng)力較大，可能導(dǎo)致薄膜的附著力較差，容易出現(xiàn)剝落等問(wèn)題。當(dāng)襯底溫度為200℃時(shí)，淀積的鍺薄膜為非晶結(jié)構(gòu)，由于電阻率過(guò)大難以進(jìn)行測(cè)量。隨著襯底溫度升高到300℃及以上，鍺原子的遷移能力增強(qiáng)，能夠在襯底表面進(jìn)行一定程度的擴(kuò)散和重新排列，從而有利于形成多晶結(jié)構(gòu)的鍺薄膜。在300℃、400℃、500℃三個(gè)襯底溫度下淀積的樣品為多晶結(jié)構(gòu)，且隨著溫度升高，晶體的質(zhì)量和結(jié)晶度可能會(huì)有所提高，但過(guò)高的襯底溫度也可能導(dǎo)致鍺原子在襯底表面的擴(kuò)散過(guò)快，使得薄膜的生長(zhǎng)速率難以控制，同時(shí)還可能引起襯底材料的熱變形等問(wèn)題。在鍺薄膜沉積完成后，需要對(duì)其進(jìn)行冷卻處理。冷卻過(guò)程應(yīng)緩慢進(jìn)行，以避免由于溫度變化過(guò)快導(dǎo)致鍺薄膜產(chǎn)生熱應(yīng)力，從而引起薄膜的開(kāi)裂或剝落。通常采用自然冷卻或控制冷卻速率的方式，如以一定的降溫速率（如10℃/min）將襯底和鍺薄膜冷卻至室溫。冷卻后的鍺薄膜可以根據(jù)需要進(jìn)行后續(xù)的處理，如制作歐姆接觸電極、進(jìn)行摻雜等，以滿(mǎn)足不同的應(yīng)用需求。在制備鍺基傳感器時(shí)，需要在鍺薄膜表面蒸金制作歐姆接觸電極，以便與外部電路連接，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的傳輸和檢測(cè)。4.1.2工藝參數(shù)對(duì)薄膜質(zhì)量的影響蒸發(fā)法制備異質(zhì)襯底鍺薄膜過(guò)程中，工藝參數(shù)如蒸發(fā)速率、襯底溫度和蒸發(fā)時(shí)間等對(duì)鍺薄膜的結(jié)晶特性、電學(xué)性質(zhì)和表面形貌有著顯著的影響，深入研究這些影響規(guī)律對(duì)于制備高質(zhì)量的鍺薄膜至關(guān)重要。蒸發(fā)速率是影響鍺薄膜結(jié)晶特性的關(guān)鍵參數(shù)之一。當(dāng)蒸發(fā)速率較低時(shí)，鍺原子在襯底表面有足夠的時(shí)間進(jìn)行遷移和擴(kuò)散，能夠在襯底表面進(jìn)行有序排列，有利于形成高質(zhì)量的晶體結(jié)構(gòu)。較低的蒸發(fā)速率使得鍺原子能夠逐層生長(zhǎng)，原子之間的結(jié)合更加緊密，從而減少了晶體缺陷的產(chǎn)生，提高了鍺薄膜的結(jié)晶度。在這種情況下，鍺薄膜的晶體結(jié)構(gòu)更加完整，晶界較少，晶體的取向更加一致，這對(duì)于提高鍺薄膜的電學(xué)性能和光學(xué)性能具有重要意義。在制備用于高速電子器件的鍺薄膜時(shí)，低蒸發(fā)速率下生長(zhǎng)的高質(zhì)量晶體結(jié)構(gòu)能夠減少載流子的散射，提高載流子的遷移率，從而提升器件的運(yùn)行速度和效率。然而，當(dāng)蒸發(fā)速率過(guò)高時(shí)，鍺原子在襯底表面的沉積速度過(guò)快，來(lái)不及進(jìn)行充分的遷移和擴(kuò)散，導(dǎo)致原子排列紊亂，容易形成大量的缺陷，如位錯(cuò)、空洞等，從而降低了鍺薄膜的結(jié)晶度。高速沉積的鍺原子可能會(huì)在襯底表面形成隨機(jī)的堆積，無(wú)法形成規(guī)則的晶體結(jié)構(gòu)，使得晶界增多，晶體的完整性遭到破壞。這些缺陷會(huì)成為載流子的散射中心，增加載流子的散射幾率，降低載流子的遷移率，進(jìn)而影響鍺薄膜的電學(xué)性能。在制備光電器件時(shí)，過(guò)高的蒸發(fā)速率導(dǎo)致的晶體缺陷會(huì)使薄膜的光吸收不均勻，降低光電器件的響應(yīng)靈敏度和探測(cè)效率。襯底溫度對(duì)鍺薄膜的電學(xué)性質(zhì)有著重要的影響。在較低的襯底溫度下，鍺原子在襯底表面的遷移能力較弱，形成的鍺薄膜晶體結(jié)構(gòu)中缺陷較多，這些缺陷會(huì)影響載流子的傳輸，導(dǎo)致鍺薄膜的電阻率較高。在200℃襯底溫度下淀積的鍺薄膜為非晶結(jié)構(gòu)，由于存在大量的無(wú)序結(jié)構(gòu)和缺陷，電子在其中的傳輸受到嚴(yán)重阻礙，使得電阻率過(guò)大難以進(jìn)行測(cè)量。隨著襯底溫度的升高，鍺原子的遷移能力增強(qiáng)，晶體結(jié)構(gòu)逐漸完善，缺陷減少，載流子的遷移率提高，電阻率降低。當(dāng)襯底溫度升高到300℃及以上時(shí)，鍺薄膜形成多晶結(jié)構(gòu)，晶體的質(zhì)量得到改善，載流子的散射減少，遷移率增加，從而使電阻率降低。襯底溫度過(guò)高也可能導(dǎo)致一些問(wèn)題。過(guò)高的襯底溫度可能會(huì)使鍺原子在襯底表面的擴(kuò)散過(guò)快，導(dǎo)致薄膜的生長(zhǎng)速率難以控制，同時(shí)還可能引起襯底材料的熱變形，影響薄膜與襯底的結(jié)合質(zhì)量，進(jìn)而對(duì)鍺薄膜的電學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生不利影響。蒸發(fā)時(shí)間對(duì)鍺薄膜的表面形貌有著顯著的影響。在較短的蒸發(fā)時(shí)間內(nèi)，鍺原子在襯底表面的沉積量較少，形成的鍺薄膜可能不夠連續(xù)和均勻，表面可能存在一些空洞和不平整的區(qū)域。隨著蒸發(fā)時(shí)間的延長(zhǎng)，鍺原子不斷沉積在襯底表面，薄膜逐漸增厚，表面的空洞和不平整區(qū)域會(huì)逐漸被填充，薄膜的連續(xù)性和均勻性得到提高。但蒸發(fā)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，可能會(huì)導(dǎo)致鍺薄膜的厚度過(guò)大，從而產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力。這種內(nèi)應(yīng)力可能會(huì)使薄膜表面出現(xiàn)裂紋，甚至導(dǎo)致薄膜從襯底表面剝落，嚴(yán)重影響薄膜的質(zhì)量和穩(wěn)定性。在制備鍺薄膜時(shí)，需要根據(jù)所需的薄膜厚度和質(zhì)量要求，合理控制蒸發(fā)時(shí)間，以獲得表面形貌良好的鍺薄膜。4.2濺射法4.2.1工藝步驟濺射法是一種常用的制備異質(zhì)襯底鍺薄膜的方法，其工藝步驟較為復(fù)雜，涉及多個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，每個(gè)環(huán)節(jié)都對(duì)鍺薄膜的質(zhì)量和性能有著重要影響。在進(jìn)行濺射之前，對(duì)襯底進(jìn)行清洗和預(yù)處理是至關(guān)重要的第一步。襯底表面的雜質(zhì)、油污和氧化物等會(huì)嚴(yán)重影響鍺薄膜與襯底的附著力以及薄膜的生長(zhǎng)質(zhì)量。以硅襯底為例，通常先將硅襯底依次放入丙酮、乙醇等有機(jī)溶劑中進(jìn)行超聲清洗，利用超聲的空化作用去除表面的油污和有機(jī)物雜質(zhì)。丙酮具有良好的溶解性，能夠有效溶解各類(lèi)油脂，而乙醇則可以進(jìn)一步清洗掉殘留的丙酮和其他水溶性雜質(zhì)。將襯底放入氫氟酸溶液中進(jìn)行短暫浸泡，以去除表面的氧化層，使襯底表面呈現(xiàn)出潔凈的硅原子表面。經(jīng)過(guò)清洗后的襯底，要用去離子水反復(fù)沖洗，去除殘留的清洗液，然后用高純氮?dú)獯蹈桑_保襯底表面干燥、潔凈。在一些對(duì)薄膜質(zhì)量要求極高的應(yīng)用中，還可能會(huì)對(duì)襯底進(jìn)行額外的處理，如表面拋光，以獲得更加平整的表面，為鍺薄膜的生長(zhǎng)提供更好的基礎(chǔ)。清洗完成后，將襯底放置在濺射設(shè)備的基片架上，并將鍺靶材安裝在濺射靶位上。在射頻磁控濺射設(shè)備中，靶材通常為高純度的鍺金屬靶，其純度一般要求達(dá)到99.99%以上，以確保濺射過(guò)程中不會(huì)引入過(guò)多的雜質(zhì)。安裝好靶材和襯底后，關(guān)閉濺射室，啟動(dòng)真空系統(tǒng)，對(duì)濺射室進(jìn)行抽氣，使室內(nèi)氣壓逐漸降低，達(dá)到高真空狀態(tài)，一般要求本底壓強(qiáng)低于10^{-4}Pa。在高真空環(huán)境下，能夠減少殘留氣體分子對(duì)濺射過(guò)程的干擾，降低雜質(zhì)的引入，從而提高鍺薄膜的純度和質(zhì)量。當(dāng)達(dá)到所需的真空度后，向?yàn)R射室中充入一定量的惰性氣體，通常為氬氣（Ar）。氬氣的流量是一個(gè)重要的參數(shù)，它會(huì)影響濺射室內(nèi)的氣壓和等離子體的密度。一般來(lái)說(shuō)，氬氣流量在幾sccm到幾十sccm之間，具體數(shù)值需要根據(jù)實(shí)驗(yàn)優(yōu)化確定。例如，在制備用于光電器件的鍺薄膜時(shí)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)氬氣流量為15sccm時(shí)，能夠獲得較好的薄膜質(zhì)量和生長(zhǎng)速率。調(diào)節(jié)好氬氣流量后，開(kāi)啟射頻電源，使射頻功率耦合到濺射靶材上。射頻功率的大小直接影響著氬離子轟擊靶材的能量和濺射出來(lái)的鍺原子的數(shù)量，從而影響鍺薄膜的生長(zhǎng)速率和質(zhì)量。在實(shí)際操作中，需要根據(jù)所需的薄膜生長(zhǎng)速率和質(zhì)量要求，合理選擇射頻功率，一般在幾十瓦到幾百瓦之間。當(dāng)射頻電源開(kāi)啟后，氬氣在射頻電場(chǎng)的作用下被電離，產(chǎn)生氬離子（Ar?）和電子，形成等離子體。氬離子在電場(chǎng)的作用下加速飛向靶材，以高能量轟擊靶材表面，使靶材表面的鍺原子獲得足夠的能量而被濺射出來(lái)，形成鍺原子束。這些鍺原子在真空室內(nèi)飛行，最終沉積在基片表面，逐漸形成鍺薄膜。在鍺薄膜濺射完成后，關(guān)閉射頻電源和氣體流量控制器，停止濺射過(guò)程。保持真空狀態(tài)，讓鍺薄膜在濺射室內(nèi)自然冷卻一段時(shí)間，以避免由于溫度變化過(guò)快導(dǎo)致鍺薄膜產(chǎn)生熱應(yīng)力，從而引起薄膜的開(kāi)裂或剝落。冷卻后的鍺薄膜可以根據(jù)需要進(jìn)行后續(xù)的處理，如退火處理，以改善薄膜的晶體結(jié)構(gòu)和電學(xué)性能；或者進(jìn)行光刻、蝕刻等微加工工藝，制作出所需的器件結(jié)構(gòu)。在制備鍺基場(chǎng)效應(yīng)晶體管時(shí)，需要對(duì)濺射得到的鍺薄膜進(jìn)行光刻和蝕刻，制作出源極、漏極和柵極等結(jié)構(gòu)，然后再進(jìn)行金屬化處理，連接外部電路，實(shí)現(xiàn)器件的功能。4.2.2工藝參數(shù)對(duì)薄膜質(zhì)量的影響濺射法制備異質(zhì)襯底鍺薄膜過(guò)程中，工藝參數(shù)如濺射功率、濺射氣體流量和濺射時(shí)間等對(duì)鍺薄膜的結(jié)構(gòu)、電學(xué)性能和光學(xué)性能有著顯著的影響，深入研究這些影響規(guī)律對(duì)于制備高質(zhì)量的鍺薄膜至關(guān)重要。濺射功率是影響鍺薄膜結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵參數(shù)之一。當(dāng)濺射功率較低時(shí)，氬離子轟擊靶材的能量較低，濺射出來(lái)的鍺原子數(shù)量較少，且能量較低。這些低能量的鍺原子在襯底表面的遷移能力較弱，難以在表面進(jìn)行有序排列，容易形成非晶態(tài)或多晶態(tài)結(jié)構(gòu)，且薄膜的內(nèi)應(yīng)力較大。在低濺射功率下，鍺原子可能會(huì)在襯底表面隨機(jī)沉積，無(wú)法形成規(guī)則的晶體結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致晶界增多，晶體的完整性遭到破壞。隨著濺射功率的增加，氬離子的能量增大，濺射出來(lái)的鍺原子數(shù)量增多，且能量較高。高能量的鍺原子在襯底表面的遷移能力增強(qiáng)，能夠在表面進(jìn)行一定程度的擴(kuò)散和重新排列，有利于形成結(jié)晶度較高的多晶結(jié)構(gòu)。較高的濺射功率使得鍺原子能夠更快地到達(dá)襯底表面，并且有足夠的能量在表面進(jìn)行擴(kuò)散和結(jié)合，從而減少了晶體缺陷的產(chǎn)生，提高了鍺薄膜的結(jié)晶度。但濺射功率過(guò)高，會(huì)使氬離子的能量過(guò)高，導(dǎo)致靶材表面的原子濺射過(guò)于劇烈，可能會(huì)引入過(guò)多的缺陷，如晶格畸變、空位等，同時(shí)還可能使基片溫度升高過(guò)快，影響薄膜的晶體結(jié)構(gòu)和性能。過(guò)高的濺射功率可能會(huì)導(dǎo)致鍺原子在沉積過(guò)程中產(chǎn)生過(guò)多的晶格畸變，使晶體結(jié)構(gòu)變得不穩(wěn)定，從而降低鍺薄膜的質(zhì)量。濺射氣體流量對(duì)鍺薄膜的電學(xué)性能有著重要的影響。在濺射過(guò)程中，濺射氣體流量主要影響真空室內(nèi)的氣壓和等離子體的密度。當(dāng)氣體流量較小時(shí)，真空室內(nèi)的氣壓較低，等離子體的密度也較低，這會(huì)導(dǎo)致氬離子與靶材的碰撞幾率降低，濺射效率下降，從而使鍺薄膜的生長(zhǎng)速率變慢。氣體流量過(guò)小還可能使等離子體的分布不均勻，導(dǎo)致鍺薄膜的生長(zhǎng)不均勻，進(jìn)而影響其電學(xué)性能。當(dāng)氣體流量過(guò)大時(shí)，真空室內(nèi)的氣壓升高，等離子體的密度增大，雖然濺射效率會(huì)提高，但過(guò)高的氣壓會(huì)使濺射出來(lái)的鍺原子在飛行過(guò)程中與氣體分子的碰撞幾率增加，導(dǎo)致鍺原子的能量損失和散射，影響鍺原子在基片表面的沉積方向和均勻性，進(jìn)而影響鍺薄膜的電學(xué)性能。過(guò)高的氣壓會(huì)使鍺原子在沉積過(guò)程中受到更多的散射，導(dǎo)致薄膜的電阻增大，載流子遷移率降低。濺射時(shí)間對(duì)鍺薄膜的光學(xué)性能有著顯著的影響。在較短的濺射時(shí)間內(nèi)，鍺原子在襯底表面的沉積量較少，形成的鍺薄膜較薄，其光學(xué)性能可能無(wú)法充分體現(xiàn)。隨著濺射時(shí)間的延長(zhǎng)，鍺原子不斷沉積在襯底表面，薄膜逐漸增厚，其光學(xué)性能會(huì)發(fā)生變化。對(duì)于鍺薄膜的光吸收性能來(lái)說(shuō)，隨著薄膜厚度的增加，光在薄膜中的傳播路徑變長(zhǎng)，被吸收的光子數(shù)量增多，光吸收系數(shù)可能會(huì)增大。但濺射時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，可能會(huì)導(dǎo)致鍺薄膜的厚度過(guò)大，從而產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力。這種內(nèi)應(yīng)力可能會(huì)使薄膜表面出現(xiàn)裂紋，甚至導(dǎo)致薄膜從襯底表面剝落，嚴(yán)重影響薄膜的光學(xué)性能。在制備用于紅外探測(cè)器的鍺薄膜時(shí)，需要根據(jù)探測(cè)器的要求，合理控制濺射時(shí)間，以獲得具有合適光學(xué)性能的鍺薄膜。4.3分子束外延法4.3.1工藝步驟分子束外延（MBE）法是一種在原子尺度上精確控制薄膜生長(zhǎng)的先進(jìn)技術(shù)，其工藝過(guò)程高度精密且復(fù)雜，涉及多個(gè)關(guān)鍵步驟，每個(gè)步驟都對(duì)最終鍺薄膜的質(zhì)量和性能起著決定性作用。在進(jìn)行分子束外延生長(zhǎng)之前，建立超高真空環(huán)境是首要任務(wù)。超高真空環(huán)境對(duì)于減少雜質(zhì)的引入至關(guān)重要，因?yàn)榧词刮⒘康碾s質(zhì)也可能?chē)?yán)重影響鍺薄膜的質(zhì)量和性能。通常，MBE設(shè)備的真空系統(tǒng)需要將生長(zhǎng)室的氣壓降低到10^{-8}Pa甚至更低的水平。這一過(guò)程依賴(lài)于高性能的真空泵，如渦輪分子泵和離子泵等，它們協(xié)同工作，能夠有效地抽除生長(zhǎng)室內(nèi)的氣體分子，創(chuàng)造出近乎完美的真空環(huán)境。在如此高的真空度下，殘留氣體分子的數(shù)量極少，鍺原子在蒸發(fā)和沉積過(guò)程中與雜質(zhì)分子碰撞的幾率極低，從而能夠生長(zhǎng)出高純度的鍺薄膜，滿(mǎn)足對(duì)薄膜電學(xué)性能和光學(xué)性能要求嚴(yán)格的應(yīng)用場(chǎng)景。當(dāng)超高真空環(huán)境建立完成后，分子束的產(chǎn)生與控制成為關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在MBE設(shè)備中，鍺原子或分子從加熱的分子束源爐中蒸發(fā)出來(lái)，形成一束具有確定能量和方向的分子束。分子束源爐通常采用電子轟擊加熱或電阻加熱的方式，將鍺源材料（如鍺錠）加熱到適當(dāng)?shù)臏囟?，使其蒸發(fā)產(chǎn)生分子束。通過(guò)精確調(diào)節(jié)分子束源爐的溫度，可以精確控制到達(dá)襯底表面的鍺原子的數(shù)量和速率，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)鍺薄膜生長(zhǎng)層數(shù)和厚度的精確控制，精度可達(dá)原子層級(jí)別。當(dāng)分子束源爐的溫度升高時(shí)，鍺原子的蒸發(fā)速率加快，到達(dá)襯底表面的鍺原子數(shù)量增多，薄膜的生長(zhǎng)速率相應(yīng)提高；反之，降低分子束源爐的溫度，則可以減緩薄膜的生長(zhǎng)速率。除了溫度控制，分子束源爐的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和蒸發(fā)面積等因素也會(huì)影響分子束的產(chǎn)生和特性，需要進(jìn)行精心的優(yōu)化和調(diào)整。在分子束產(chǎn)生后，薄膜逐層生長(zhǎng)的過(guò)程開(kāi)始。襯底被加熱到適當(dāng)?shù)臏囟龋沟竭_(dá)襯底表面的鍺原子具有足夠的遷移能力，能夠在襯底表面進(jìn)行擴(kuò)散和重新排列，從而實(shí)現(xiàn)逐層生長(zhǎng)。襯底溫度是影響薄膜生長(zhǎng)質(zhì)量的重要參數(shù)之一，需要根據(jù)具體的生長(zhǎng)需求進(jìn)行精確控制。如果襯底溫度過(guò)低，鍺原子在襯底表面的遷移能力較弱，難以在表面進(jìn)行有序排列，容易形成非晶態(tài)或多晶態(tài)結(jié)構(gòu)，且薄膜的內(nèi)應(yīng)力較大，可能導(dǎo)致薄膜的附著力較差，容易出現(xiàn)剝落等問(wèn)題。當(dāng)襯底溫度為200℃時(shí)，淀積的鍺薄膜為非晶結(jié)構(gòu)，由于電阻率過(guò)大難以進(jìn)行測(cè)量。隨著襯底溫度升高到300℃及以上，鍺原子的遷移能力增強(qiáng)，能夠在襯底表面進(jìn)行一定程度的擴(kuò)散和重新排列，從而有利于形成多晶結(jié)構(gòu)的鍺薄膜。在300℃、400℃、500℃三個(gè)襯底溫度下淀積的樣品為多晶結(jié)構(gòu)，且隨著溫度升高，晶體的質(zhì)量和結(jié)晶度可能會(huì)有所提高，但過(guò)高的襯底溫度也可能導(dǎo)致鍺原子在襯底表面的擴(kuò)散過(guò)快，使得薄膜的生長(zhǎng)速率難以控制，同時(shí)還可能引起襯底材料的熱變形等問(wèn)題。在生長(zhǎng)過(guò)程中，反射式高能電子衍射（RHEED）監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)發(fā)揮作用。RHEED系統(tǒng)利用高能電子束照射襯底表面，根據(jù)反射電子束的衍射圖案來(lái)推斷襯底表面的原子結(jié)構(gòu)和薄膜的生長(zhǎng)模式。通過(guò)觀(guān)察RHEED圖案的變化，可以實(shí)時(shí)了解薄膜的生長(zhǎng)狀態(tài)，判斷薄膜是否按照預(yù)期的方式逐層生長(zhǎng)，是否存在原子排列異常或薄膜生長(zhǎng)不均勻等問(wèn)題。如果生長(zhǎng)過(guò)程中出現(xiàn)問(wèn)題，可以及時(shí)調(diào)整分子束的流量、襯底溫度等參數(shù)，以保證薄膜的高質(zhì)量生長(zhǎng)。當(dāng)RHEED圖案顯示出模糊或不規(guī)則的衍射斑點(diǎn)時(shí)，可能意味著薄膜生長(zhǎng)過(guò)程中出現(xiàn)了缺陷或生長(zhǎng)模式的異常，此時(shí)需要對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，如適當(dāng)降低分子束流量或調(diào)整襯底溫度，以恢復(fù)正常的生長(zhǎng)狀態(tài)。4.3.2工藝參數(shù)對(duì)薄膜質(zhì)量的影響分子束外延法制備異質(zhì)襯底鍺薄膜過(guò)程中，工藝參數(shù)如分子束通量、襯底溫度和生長(zhǎng)速率等對(duì)鍺薄膜的原子排列、界面平整度以及電學(xué)性能有著顯著的影響，深入研究這些影響規(guī)律對(duì)于制備高質(zhì)量的鍺薄膜至關(guān)重要。分子束通量是影響鍺薄膜原子排列的關(guān)鍵參數(shù)之一。當(dāng)分子束通量較低時(shí)，到達(dá)襯底表面的鍺原子數(shù)量較少，原子有足夠的時(shí)間在襯底表面進(jìn)行遷移和擴(kuò)散，能夠在襯底表面進(jìn)行有序排列，有利于形成高質(zhì)量的晶體結(jié)構(gòu)。較低的分子束通量使得鍺原子能夠逐層生長(zhǎng)，原子之間的結(jié)合更加緊密，從而減少了晶體缺陷的產(chǎn)生，提高了鍺薄膜的結(jié)晶度。在這種情況下，鍺薄膜的原子排列更加規(guī)則，晶界較少，晶體的取向更加一致，這對(duì)于提高鍺薄膜的電學(xué)性能和光學(xué)性能具有重要意義。在制備用于高速電子器件的鍺薄膜時(shí)，低分子束通量下生長(zhǎng)的高質(zhì)量晶體結(jié)構(gòu)能夠減少載流子的散射，提高載流子的遷移率，從而提升器件的運(yùn)行速度和效率。然而，當(dāng)分子束通量過(guò)高時(shí)，鍺原子在襯底表面的沉積速度過(guò)快，來(lái)不及進(jìn)行充分的遷移和擴(kuò)散，導(dǎo)致原子排列紊亂，容易形成大量的缺陷，如位錯(cuò)、空洞等，從而降低了鍺薄膜的結(jié)晶度。高速沉積的鍺原子可能會(huì)在襯底表面形成隨機(jī)的堆積，無(wú)法形成規(guī)則的晶體結(jié)構(gòu)，使得晶界增多，晶體的完整性遭到破壞。這些缺陷會(huì)成為載流子的散射中心，增加載流子的散射幾率，降低載流子的遷移率，進(jìn)而影響鍺薄膜的電學(xué)性能。在制備光電器件時(shí)，過(guò)高的分子束通量導(dǎo)致的晶體缺陷會(huì)使薄膜的光吸收不均勻，降低光電器件的響應(yīng)靈敏度和探測(cè)效率。襯底溫度對(duì)鍺薄膜的界面平整度有著重要的影響。在較低的襯底溫度下，鍺原子在襯底表面的遷移能力較弱，難以在表面進(jìn)行充分的擴(kuò)散和重新排列，導(dǎo)致界面平整度較差。較低的襯底溫度使得鍺原子在沉積過(guò)程中容易形成局部的聚集和堆積，從而在鍺薄膜與襯底的界面處產(chǎn)生不平整的區(qū)域，影響薄膜的生長(zhǎng)質(zhì)量和性能。隨著襯底溫度的升高，鍺原子的遷移能力增強(qiáng)，能夠在表面進(jìn)行更充分的擴(kuò)散和重新排列，有利于提高界面平整度。較高的襯底溫度使得鍺原子能夠在襯底表面更均勻地分布，填補(bǔ)界面處的缺陷和空洞，從而形成更加平整的界面。襯底溫度過(guò)高也可能導(dǎo)致一些問(wèn)題。過(guò)高的襯底溫度可能會(huì)使鍺原子在襯底表面的擴(kuò)散過(guò)快，導(dǎo)致薄膜的生長(zhǎng)速率難以控制，同時(shí)還可能引起襯底材料的熱變形，影響薄膜與襯底的結(jié)合質(zhì)量，進(jìn)而對(duì)鍺薄膜的界面平整度產(chǎn)生不利影響。生長(zhǎng)速率對(duì)鍺薄膜的電學(xué)性能有著顯著的影響。在較低的生長(zhǎng)速率下，鍺原子有足夠的時(shí)間在襯底表面進(jìn)行遷移和擴(kuò)散，能夠形成高質(zhì)量的晶體結(jié)構(gòu)，減少晶體缺陷的產(chǎn)生，從而有利于提高鍺薄膜的電學(xué)性能。低生長(zhǎng)速率使得鍺原子能夠有序地排列在襯底表面，形成完整的晶體結(jié)構(gòu)，減少了載流子的散射中心，提高了載流子的遷移率和壽命，進(jìn)而降低了鍺薄膜的電阻率，提高了其電學(xué)性能。當(dāng)生長(zhǎng)速率過(guò)高時(shí)，鍺原子在襯底表面的沉積速度過(guò)快，來(lái)不及進(jìn)行充分的遷移和擴(kuò)散，導(dǎo)致晶體結(jié)構(gòu)紊亂，缺陷增多，從而降低了鍺薄膜的電學(xué)性能。高速生長(zhǎng)的鍺原子可能會(huì)在襯底表面形成大量的位錯(cuò)、空洞等缺陷，這些缺陷會(huì)成為載流子的散射中心，增加載流子的散射幾率，降低載流子的遷移率和壽命，進(jìn)而增大了鍺薄膜的電阻率，降低了其電學(xué)性能。五、制備難點(diǎn)及解決方案5.1制備難點(diǎn)5.1.1晶格失配問(wèn)題晶格失配是異質(zhì)襯底鍺薄膜制備過(guò)程中面臨的一個(gè)關(guān)鍵難題，其產(chǎn)生的根源在于異質(zhì)襯底與鍺薄膜材料的晶格常數(shù)存在差異。在晶體學(xué)中，晶格常數(shù)是描述晶體結(jié)構(gòu)的重要參數(shù)，它決定了晶體中原子的排列間距。當(dāng)在異質(zhì)襯底上生長(zhǎng)鍺薄膜時(shí)，如果襯底的晶格常數(shù)與鍺的晶格常數(shù)不一致，就會(huì)在鍺薄膜與襯底的界面處產(chǎn)生晶格失配現(xiàn)象。以硅襯底為例，硅的晶格常數(shù)為0.5431nm，而鍺的晶格常數(shù)為0.5658nm，二者之間存在約4.2%的晶格失配。這種晶格失配會(huì)在鍺薄膜生長(zhǎng)過(guò)程中引發(fā)一系列問(wèn)題，對(duì)薄膜的結(jié)構(gòu)完整性和性能穩(wěn)定性產(chǎn)生嚴(yán)重的負(fù)面影響。在薄膜生長(zhǎng)過(guò)程中，晶格失配會(huì)導(dǎo)致鍺薄膜內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力。當(dāng)鍺原子在襯底表面沉積并逐漸形成薄膜時(shí)，由于襯底晶格的約束，鍺原子無(wú)法按照其自身的理想晶格結(jié)構(gòu)進(jìn)行排列，從而產(chǎn)生晶格畸變，進(jìn)而在薄膜內(nèi)部積累應(yīng)力。這種應(yīng)力的存在會(huì)導(dǎo)致鍺薄膜中產(chǎn)生大量的位錯(cuò)和缺陷。位錯(cuò)是晶體中的一種線(xiàn)缺陷，它的存在會(huì)破壞晶體的周期性結(jié)構(gòu)，影響晶體的性能。在鍺薄膜中，位錯(cuò)會(huì)成為載流子的散射中心，增加載流子的散射幾率，降低載流子的遷移率，從而影響鍺薄膜的電學(xué)性能。位錯(cuò)還可能導(dǎo)致薄膜的機(jī)械性能下降，使其更容易發(fā)生開(kāi)裂或剝落。晶格失配引起的位錯(cuò)和缺陷還會(huì)對(duì)鍺薄膜的光學(xué)性能產(chǎn)生不良影響。在光電器件應(yīng)用中，鍺薄膜的光學(xué)性能至關(guān)重要。位錯(cuò)和缺陷的存在會(huì)導(dǎo)致光在鍺薄膜中的傳播過(guò)程中發(fā)生散射和吸收，降低光的透過(guò)率和發(fā)光效率。在制備鍺基發(fā)光二極管時(shí)，位錯(cuò)和缺陷會(huì)增加非輻射復(fù)合中心的數(shù)量，使發(fā)光效率降低，影響器件的性能。除了硅襯底，其他異質(zhì)襯底與鍺之間也可能存在不同程度的晶格失配。藍(lán)寶石襯底的晶體結(jié)構(gòu)為三方晶系，與鍺的面心立方晶體結(jié)構(gòu)差異較大，晶格失配問(wèn)題更為嚴(yán)重。在藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)鍺薄膜時(shí)，需要采取更加有效的措施來(lái)解決晶格失配問(wèn)題，否則鍺薄膜的質(zhì)量和性能將難以滿(mǎn)足應(yīng)用要求。5.1.2應(yīng)力問(wèn)題在異質(zhì)襯底鍺薄膜的生長(zhǎng)過(guò)程中，應(yīng)力問(wèn)題是一個(gè)不容忽視的關(guān)鍵因素，其產(chǎn)生機(jī)制較為復(fù)雜，涉及多個(gè)物理過(guò)程，對(duì)鍺薄膜的性能有著多方面的不良影響。薄膜生長(zhǎng)過(guò)程中的應(yīng)力主要來(lái)源于兩個(gè)方面：熱應(yīng)力和本征應(yīng)力。熱應(yīng)力是由于襯底與鍺薄膜的熱膨脹系數(shù)不同而產(chǎn)生的。在鍺薄膜的生長(zhǎng)過(guò)程中，通常需要對(duì)襯底和薄膜進(jìn)行加熱，當(dāng)生長(zhǎng)完成后冷卻時(shí)，由于襯底和鍺薄膜的熱膨脹系數(shù)存在差異，它們的收縮程度不同，從而在界面處產(chǎn)生熱應(yīng)力。以硅襯底和鍺薄膜為例，硅的熱膨脹系數(shù)為2.6×10??/℃，鍺的熱膨脹系數(shù)為6.1×10??/℃，在冷卻過(guò)程中，鍺薄膜的收縮程度大于硅襯底，這就導(dǎo)致在鍺薄膜內(nèi)部產(chǎn)生拉應(yīng)力，在界面處產(chǎn)生剪切應(yīng)力。這種熱應(yīng)力可能會(huì)導(dǎo)致鍺薄膜出現(xiàn)裂紋、剝離等問(wèn)題，嚴(yán)重影響薄膜的穩(wěn)定性和可靠性。本征應(yīng)力則是在薄膜生長(zhǎng)過(guò)程中由于原子的沉積和排列方式而產(chǎn)生的。在鍺薄膜生長(zhǎng)過(guò)程中，原子在襯底表面的吸附、遷移和沉積過(guò)程受到多種因素的影響，如襯底表面的平整度、生長(zhǎng)速率、原子的擴(kuò)散能力等。如果原子在沉積過(guò)程中不能均勻地排列，就會(huì)在薄膜內(nèi)部產(chǎn)生本征應(yīng)力。當(dāng)生長(zhǎng)速率過(guò)快時(shí)，原子來(lái)不及在襯底表面進(jìn)行充分的遷移和擴(kuò)散，就會(huì)形成非均勻的沉積，導(dǎo)致薄膜內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力。原子在襯底表面的吸附位置也會(huì)影響本征應(yīng)力的產(chǎn)生，如果原子吸附在襯底表面的缺陷或雜質(zhì)處，會(huì)導(dǎo)致局部應(yīng)力集中。應(yīng)力對(duì)鍺薄膜的影響是多方面的。在機(jī)械性能方面，應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致鍺薄膜的硬度、韌性等機(jī)械性能發(fā)生改變。過(guò)高的應(yīng)力可能會(huì)使鍺薄膜變得脆弱，容易發(fā)生開(kāi)裂和剝落。在電學(xué)性能方面，應(yīng)力會(huì)影響鍺薄膜的載流子遷移率和電阻率。應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致鍺薄膜的晶格畸變，改變載流子的散射機(jī)制，從而降低載流子的遷移率，增加電阻率。在制備鍺基場(chǎng)效應(yīng)晶體管時(shí)，如果鍺薄膜中存在較大的應(yīng)力，會(huì)導(dǎo)致器件的閾值電壓漂移、漏電流增大等問(wèn)題，影響器件的性能和穩(wěn)定性。在光學(xué)性能方面，應(yīng)力會(huì)影響鍺薄膜的折射率和光吸收特性。應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致鍺薄膜的晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而改變其光學(xué)常數(shù)，影響光在薄膜中的傳播和吸收。在制備鍺基光電器件時(shí)，應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致光的散射和吸收增加，降低器件的光輸出效率和響應(yīng)靈敏度。5.1.3雜質(zhì)污染問(wèn)題雜質(zhì)污染是異質(zhì)襯底鍺薄膜制備過(guò)程中需要重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題之一，其來(lái)源廣泛，對(duì)鍺薄膜的電學(xué)性能和光學(xué)性能會(huì)產(chǎn)生顯著的干擾，嚴(yán)重影響鍺薄膜的質(zhì)量和應(yīng)用效果。雜質(zhì)的來(lái)源主要包括原材料不純和設(shè)備污染兩個(gè)方面。在原材料方面，鍺源材料和襯底材料中可能含有雜質(zhì)。鍺錠或鍺粉中可能含有其他金屬元素、非金屬元素以及氧化物等雜質(zhì)。這些雜質(zhì)可能在鍺薄膜生長(zhǎng)過(guò)程中進(jìn)入薄膜晶格，影響薄膜的性能。常見(jiàn)的雜質(zhì)如銦、砷、磷等金屬雜質(zhì)，以及氧、氮、硫等非金屬雜質(zhì)，它們的存在會(huì)改變鍺薄膜的晶體結(jié)構(gòu)和電學(xué)性質(zhì)。銦作為雜質(zhì)時(shí)，會(huì)造成鍺薄膜的電子遷移率降低，而砷的存在則可能引起光學(xué)吸收峰的偏移，直接導(dǎo)致光電子器件的性能下降。襯底材料表面也可能存在雜質(zhì)，如油污、氧化物等，這些雜質(zhì)在鍺薄膜生長(zhǎng)過(guò)程中可能會(huì)與鍺原子發(fā)生反應(yīng)，或者成為鍺原子生長(zhǎng)的阻礙，影響鍺薄膜的生長(zhǎng)質(zhì)量。設(shè)備污染也是雜質(zhì)的重要來(lái)源之一。在制備過(guò)程中，蒸發(fā)設(shè)備、濺射設(shè)備等可能會(huì)引入雜質(zhì)。在蒸發(fā)設(shè)備中，蒸發(fā)源的材料可能會(huì)在高溫下?lián)]發(fā)，混入鍺原子蒸汽中，從而進(jìn)入鍺薄膜。如果蒸發(fā)源采用的鉬舟或鎢絲等材料含有雜質(zhì)，在加熱過(guò)程中這些雜質(zhì)可能會(huì)蒸發(fā)并沉積在鍺薄膜上。濺射設(shè)備中的靶材表面可能存在氧化物、雜質(zhì)顆粒等，在濺射過(guò)程中，這些雜質(zhì)可能會(huì)被濺射出來(lái)，與鍺原子一起沉積在襯底上，導(dǎo)致鍺薄膜受到污染。真空系統(tǒng)中的殘留氣體分子也可能會(huì)與鍺原子發(fā)生反應(yīng)，引入雜質(zhì)。雜質(zhì)對(duì)鍺薄膜的電學(xué)性能有著顯著的影響。雜質(zhì)的存在會(huì)改變鍺薄膜的載流子濃度和遷移率。一些雜質(zhì)原子會(huì)在鍺薄膜中引入額外的能級(jí)，成為載流子的施主或受主，從而改變載流子的濃度。金屬雜質(zhì)可能會(huì)作為載流子的散射中心，增加載流子的散射幾率，降低載流子的遷移率，使鍺薄膜的電阻增大。在制備鍺基電子器件時(shí)，雜質(zhì)的存在可能會(huì)導(dǎo)致器件的性能不穩(wěn)定，如閾值電壓漂移、漏電流增大等問(wèn)題，嚴(yán)重影響器件的正常工作。雜質(zhì)對(duì)鍺薄膜的光學(xué)性能也會(huì)產(chǎn)生干擾。雜質(zhì)會(huì)影響鍺薄膜對(duì)光的吸收和發(fā)射特性。某些雜質(zhì)可能會(huì)在鍺薄膜中形成吸收中心，增加光的吸收損耗，降低光的透過(guò)率。雜質(zhì)還可能會(huì)影響鍺薄膜的發(fā)光效率，在制備鍺基發(fā)光二極管時(shí)，雜質(zhì)的存在可能會(huì)導(dǎo)致非輻射復(fù)合中心的增加，使發(fā)光效率降低，影響器件的發(fā)光性能。5.2解決方案5.2.1緩沖層技術(shù)緩沖層技術(shù)是解決異質(zhì)襯底鍺薄膜制備中晶格失配和應(yīng)力問(wèn)題的有效手段，其作用原理基于通過(guò)引入中間緩沖層來(lái)緩解襯底與鍺薄膜之間的晶格常數(shù)差異和熱膨脹系數(shù)差異。以硅鍺（SiGe）緩沖層為例，它在晶格失配調(diào)節(jié)方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。在硅襯底上生長(zhǎng)鍺薄膜時(shí)，由于硅與鍺之間存在約4.2%的晶格失配，直接生長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致鍺薄膜內(nèi)部產(chǎn)生大量應(yīng)力和缺陷。而SiGe緩沖層的引入則為解決這一問(wèn)題提供了有效途徑。SiGe緩沖層的晶格常數(shù)可以通過(guò)調(diào)整Si和Ge的比例來(lái)進(jìn)行調(diào)控，使其晶格常數(shù)介于硅襯底和鍺薄膜之間。通過(guò)逐漸改變SiGe緩沖層中鍺的含量，從與硅襯底晶格常數(shù)相近的成分開(kāi)始，逐漸過(guò)渡到與鍺薄膜晶格常數(shù)相近的成分，實(shí)現(xiàn)了晶格常數(shù)的漸變。在生長(zhǎng)過(guò)程中，首先在硅襯底上生長(zhǎng)一層鍺含量較低的SiGe層，此時(shí)由于其晶格常數(shù)與硅襯底較為接近，能夠在硅襯底上較為穩(wěn)定地生長(zhǎng)，且產(chǎn)生的晶格失配應(yīng)力較小。隨著生長(zhǎng)的進(jìn)行，逐漸增加SiGe層中鍺的含量，使得晶格常數(shù)逐漸向鍺的晶格常數(shù)靠近，每一層新生長(zhǎng)的SiGe層都在適應(yīng)上一層的晶格狀態(tài)的同時(shí)，為后續(xù)鍺薄膜的生長(zhǎng)做準(zhǔn)備