CN101814429A - 包含超晶格隔离层的大晶格失配外延材料缓冲层结构及其制备 - Google Patents
包含超晶格隔离层的大晶格失配外延材料缓冲层结构及其制备 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种包含超晶格隔离层的大晶格失配外延材料缓冲层结构及其制备，在组分渐变缓冲层中***n层无应变的超晶格隔离层材料，n为自然数，1≤n≤5；其制备过程为：首先确定生长温度、束源炉温度等参数；然后采用分子束外延方法依次在衬底上交替生长应变量逐渐增大的缓冲层和无应变超晶格隔离层材料，直至完成达到预期应变量的缓冲层的生长。本发明的材料包含了超晶格隔离层，能使大晶格失配外延材料在缓冲层中快速有效地发生弛豫而释放应力，从而减少缓冲层上外延材料的位错密度；并且采用常规的分子束外延方法进行材料的不间断生长，具有操作易控制，成本低，对环境友好等优点。
Description
技术领域
本发明属大晶格失配外延材料缓冲层结构及其制备领域，特别是涉及一种包含超晶格隔离层的大晶格失配外延材料缓冲层结构及其制备。
背景技术
随着半导体能带工程的发展和材料外延技术的进步，与衬底晶格失配的异质外延材料得到了越来越多的重视。在衬底上外延晶格失配材料时，在失配外延层足够薄的情况下，外延层的晶格常数在因晶格失配而产生的形变能的作用下会与衬底的晶格常数保持一致，以避免产生位错。然而，当外延厚度超过一定厚度(称为临界厚度)时，晶格失配外延层的晶格常数将自发恢复到其固有的晶格常数，从而产生失配位错和降低材料质量。临界厚度的大小与两种材料间的晶格失配度大小有关，一般而言，晶格失配度越大，临界厚度越小；晶格失配度越小，临界厚度越大。对于与衬底具有较大晶格失配度的异质外延材料，材料的高质量生长面临着很大的困难，材料生长成为了材料应用于更广泛领域和器件性能进一步提高的一个瓶颈。例如，截止波长大于1.7μm的所谓波长扩展InGaAs探测器在空间遥感与成像等方面有着重要的应用，通过增加InxGa1-xAs中In的组分x，可以将InxGa1-xAs探测器的截止波长向长波方向扩展，但这同时会引起InxGa1-xAs材料和InP衬底间的晶格失配。例如，要将InGaAs探测器的截止波长从1.7μm扩展到2.5μm，就需要使In组分从0.53增加至0.8，这会使InGaAs与InP衬底间的晶格失配达到+1.8％，如此大的晶格失配很容易使材料中产生缺陷及位错，限制器件性能的进一步提高。所以，亟需发展提高晶格失配外延材料质量的材料结构和生长方法。
为解决此问题，人们在大晶格失配外延材料和衬底之间***相应的缓冲层，试图将失配位错和缺陷限制在缓冲层中而改善大晶格失配外延材料的材料质量。例如，要生长x＝0.8的In0.8Ga0.2As材料，可以在InP衬底和In0.8Ga0.2As三元系材料之间生长一层组分连续渐变的InxGa1-xAs缓冲层，其组分值x由与InP晶格匹配的0.53连续变化到0.8，组分渐变的InxGa1-xAs缓冲层可以释放晶格失配产生的应力，减少In0.8Ga0.2As材料中产生的缺陷及位错。
然而，在组分连续渐变的缓冲层中，位错较容易沿着外延层向上延伸，甚至延伸至缓冲层表面，使得缓冲层表面不能形成完美的晶格结构，从而影响缓冲层上大晶格失配外延材料的晶格质量。另一方面，组分连续渐变的缓冲层中的组分变化速率不能太快，否则会引起晶格弛豫的不完全和晶格位错的增多，所以缓冲层厚度较厚。但是，缓冲层在光学及电学上均没有特殊作用，所以人们希望能在保证缓冲层作用的基础上生长更薄的缓冲层。
针对大晶格失配外延材料缓冲层工艺实现中存在的问题，有必要研究一种更有效和经济的方案，可以实现快速有效的晶格弛豫而释放应力。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种包含超晶格隔离层的大晶格失配外延材料缓冲层结构及其制备，该材料包含了超晶格隔离层能使大晶格失配外延材料在缓冲层中快速有效地发生弛豫而释放应力，从而减少缓冲层上外延材料的位错密度；并且采用常规的分子束外延方法进行材料的不间断生长，具有操作易控制，成本低，对环境友好等优点。
本发明的一种包含超晶格隔离层的大晶格失配外延材料缓冲层结构，其特征在于：在组分渐变缓冲层中***n层无应变超晶格隔离层材料，n为自然数，1≤n≤5。
所述的包含超晶格隔离层的大晶格失配外延材料缓冲层结构，其特征在于：所述的无应变超晶格隔离层中材料与***处的缓冲层材料晶格匹配，且在单层超晶格隔离层生长过程中材料组分保持不变。
所述的包含超晶格隔离层的大晶格失配外延材料缓冲层结构，其特征在于：所述的无应变超晶格隔离层的厚度约为20～200nm；
所述的无应变超晶格隔离层材料为InxAl1-xAs/InxGa1-xAs，其中，0＜x＜1；
所述的无应变超晶格隔离层材料为InxGa1-xSb/InxAl1-xSb，其中，0＜x＜1。
本发明的一种包含超晶格隔离层的大晶格失配外延材料缓冲层结构的制备方法，包括：
(1)在正式生长之前先确定生长与衬底晶格匹配材料的生长温度、束源炉温度等生长参数；
(2)采用分子束外延方法生长材料，在组分渐变缓冲层中***n层无应变超晶格隔离层材料，n为自然数，1≤n≤5；
缓冲层结构的生长过程由与衬底晶格匹配的材料开始，通过连续升高或降低束源炉温度，生长组分渐变缓冲层；
(3)重复步骤(2)的操作，不同的是每一次缓冲层的生长，其相对衬底的应变量都会增加；
(4)最后将组分渐变至与上层材料晶格匹配，完成缓冲层的生长。
以在InP衬底上生长In0.8Ga0.2As所采用的缓冲层为例，***2层无应变InxAl1-xAs/InxGa1-xAs超晶格隔离层材料，0＜x＜1，具体步骤如下：
(1)在正式生长之前先采用相同的In束源温度通过预备生长确定在InP衬底上生长晶格匹配的In0.52Al0.48As和In0.53Ga0.47As时的束源炉温度；
(2)缓冲层结构的生长过程由与InP衬底晶格匹配的In0.53Ga0.47As材料的生长参数开始，通过同时升高In束源温度和降低Ga束源温度，将组分渐变至In0.62Ga0.38As，生长时间1750秒，厚度为0.5±0.02μm；
(3)生长10周期In0.62Al0.38As/In0.62Ga0.38As超晶格，每周期中InAlAs和InGaAs厚度均为5nm；
(4)继续生长组分渐变InGaAs缓冲层，通过同时升高In束源温度和降低Ga束源温度，将组分渐变至In0.71Ga0.29As，生长时间1750秒，生长厚度为0.5±0.02μm；
(5)生长10周期In0.71Al0.29As/In0.71Ga0.29As超晶格，每周期中InAlAs和InGaAs厚度均为5nm；
(6)最后再生长0.5±0.02μm厚的组分渐变InGaAs缓冲层，通过同时升高In束源温度和降低Ga束源温度，将组分渐变至In0.8Ga0.2As，生长时间1750秒，生长厚度为0.5±0.02μm。
以在GaSb衬底上生长InSb所采用的缓冲层为例，***2层无应变InxGa1-x Sb/InxAl1-xSb超晶格隔离层材料，0＜x＜1，具体步骤如下：
(1)在正式生长之前，先通过预备生长，确定在GaSb衬底上生长GaSb和InSb时的束源炉温度；
(2)缓冲层结构的生长过程由GaSb材料开始，同时开启In束源快门，In束源温度从低温开始连续升温，同时Ga束源温度连续降温，生长组分渐变的InxGa1-xSb材料，使组分渐变至In0.33Ga0.67Sb，生长时间1750秒，厚度为0.5±0.02μm；
(3)生长10周期In0.33Ga0.67Sb/In0.25Al0.75Sb超晶格，每周期中InGaSb和InAlSb厚度均为5nm；
(4)继续生长组分渐变InGaSb缓冲层，通过同时升高In束源温度和降低Ga束源温度，生长组分从In0.33Ga0.67Sb渐变至In0.67Ga0.33Sb，生长时间1750秒，生长厚度为0.5±0.02μm；
(5)生长10周期In0.67Ga0.33As/In0.63Al0.37Sb超晶格，每周期中InGaSb和InAsSb厚度均为5nm；
(6)最后再生长0.5±0.02μm厚的组分渐变InGaSb缓冲层，通过同时升高In束源温度和降低Ga束源温度，生长组分从In0.67Ga0.33Sb渐变至InSb，生长时间1750秒，生长厚度为0.5±0.02μm。
本发明的一种含超晶格隔离层的大晶格失配外延材料应用于半导体器件材料的制备。本发明的涉及原理如下：
(1)缓冲层结构设计：在组分连续渐变缓冲层中***n层无应变隔离层材料，将组分连续渐变缓冲层分隔成n+1层，n为自然数。***的无应变隔离层可以有效阻止位错和应力的向上延伸和积累，有利于晶格失配应力在缓冲层中的释放。由于***的隔离层是无应变的，因此其***位置、层数及厚度等可以根据具体情况在较大范围进行自由的调节。另一方面，可以适当增大组分渐变缓冲层中的组分变化速率，只要保证不影响上层缓冲层的晶格质量，从而可以减小缓冲层厚度，节约成本。
(2)隔离层材料结构设计：隔离层的目的是阻止位错和应力的向上延伸和积累，超晶格结构由于存在多层超薄材料，对位错的阻止能起到很好的效果。隔离层材料与***处的组分渐变缓冲层要晶格匹配。一般来说，超晶格的周期不需要很多(约10个周期左右即可)，超晶格总厚度也不需要很厚(约100nm)。
(3)缓冲层结构的分子束外延不间断生长工艺实现：采用分子束外延工艺实现前述缓冲层结构，在组分渐变缓冲层中，可以采用对束源同时连续缓慢升温和降温的方法实现，使得缓冲层中的组分逐渐变化，通过调节束源炉温度的变化速率就可以调节组分渐变的速率。在超晶格隔离层区域，保持束源温度不变，采用***处缓冲层所用的生长参数。通过调节束源温度的变化速率可以使生长速率近似恒定，有利于提高材料质量。
有益效果
本发明提供的大晶格失配外延材料的缓冲层结构，该结构包含了超晶格隔离层起到阻止失配位错的向上延伸传播的功能，改善材料特性，能使大晶格失配外延材料在缓冲层中快速有效地发生弛豫而释放应力，从而减少缓冲层上外延材料的位错密度；并且采用常规的分子束外延方法进行材料的生长，缓冲层结构不存在升降温等生长间断过程，有利于在生长过程中保持平整的表面态，保证材料的高质量生长，并且整个生长过程具有操作易控制，成本低，对环境友好等优点。
附图说明
图1是本发明提供的包含超晶格隔离层的衬底上大晶格失配外延材料缓冲层结构应变量变化示意图；
图2是本发明提供的一种包含InAlAs/InGaAs超晶格隔离层的InP衬底上In0.8Ga0.2As大晶格失配外延材料缓冲层结构In组分变化示意图；
图3是本发明提供的一种包含InAlAs/InGaAs超晶格隔离层的InP衬底上In0.8Ga0.2As大晶格失配外延材料缓冲层结构示意图；
图4是本发明提供的一种包含InGaSb/InAlSb超晶格隔离层的GaSb衬底上InSb大晶格失配外延材料缓冲层结构In组分变化示意图；
图5是本发明提供的一种包含InGaSb/InAlSb超晶格隔离层的GaSb衬底上InSb大晶格失配外延材料缓冲层结构示意图；
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范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
实施例1
用于InP衬底上外延In0.8Ga0.2As大晶格失配材料的在组分连续渐变缓冲层中***InAlAs/InGaAs超晶格隔离层的缓冲层结构
(1)需要在InP衬底上外延高质量In.8Ga0.2As大晶格失配材料，所需生长厚度较厚，超过临界厚度，需要在外延In.8Ga0.2As材料之前先生长缓冲层；
(2)采用常规分子束外延方法生长材料，缓冲层结构中In组分变化示意图如图2所示，缓冲层结构示意图如图3所示，在InxGa1-xAs组分渐变缓冲层中***2层InAlAs/InGaAs超晶格，将缓冲层平均分为3部分；
(3)在正式生长之前先采用相同的In束源温度通过预备生长确定在InP衬底上生长晶格匹配的In0.52Al0.48As和In0.53Ga0.47As时的束源炉温度；
(4)缓冲层结构的生长过程由与InP衬底晶格匹配的In0.53Ga0.47As材料的生长参数开始，通过同时升高In束源温度和降低Ga束源温度，将组分渐变至In0.62Ga0.38As，生长时间1750秒，厚度约0.5μm(具体升降温幅度、速率可以根据要求进行调整)；
(5)生长10周期In0.62Al0.38As/In0.62Ga0.38As超晶格，每周期中InAlAs和InGaAs厚度均为5nm(具体周期数和周期厚度可以根据要求进行调整)；
(6)继续生长组分渐变InGaAs缓冲层，通过同时升高In束源温度和降低Ga束源温度，将组分渐变至In0.71Ga0.29As，生长时间1750秒，生长厚度同样约0.5μm；
(7)生长10周期In0.71Al0.29As/In0.71Ga0.29As超晶格，每周期中InAlAs和InGaAs厚度均为5nm(具体周期数和周期厚度根据要求进行调整)；
(8)最后再生长约0.5μm厚的组分渐变InGaAs缓冲层，通过同时升高In束源温度和降低Ga束源温度，将组分渐变至In0.8Ga0.2As，生长时间1750秒，生长厚度约为0.5μm；
(9)缓冲层结构生长完成，再在其上生长的In0.8Ga0.2As大晶格失配材料将具有较好的材料质量，可应用于器件结构。
实施例2
用于GaSb衬底上外延InSb大晶格失配材料的在InGaSb组分连续渐变缓冲层中***InGaSb/InAlSb超晶格隔离层的缓冲层结构
(1)为了在GaSb衬底上外延较厚的高质量InSb大晶格失配材料，需要在外延InSb材料之前先生长InxGa1-xSb缓冲层结构(0＜x＜1)；
(2)采用常规分子束外延方法生长材料，缓冲层结构中In组分变化示意图如图4所示，缓冲层结构示意图如图5所示，在InxGa1-xSb组分渐变缓冲层中***2层InGaSbAs/InAlSb超晶格，将缓冲层平均分为3部分；
(3)在正式生长之前先通过预备生长确定在GaSb衬底上生长GaSb和InSb时的束源炉温度；
(4)缓冲层结构的生长过程由GaSb材料开始，同时开启In束源快门，In束源温度从低温开始连续升温，同时Ga束源温度连续降温，生长组分渐变的InxGa1-xSb材料，使组分渐变至In0.33Ga0.67Sb，生长时间1750秒，厚度约0.5μm(具体升降温幅度、速率可以根据要求进行调整)；
(5)生长10周期In0.33Ga0.67Sb/In0.25Al0.75Sb超晶格，每周期中InGaSb和InAlSb厚度均为5nm(具体周期数和周期厚度可以根据要求进行调整)；
(6)继续生长组分渐变InGaSb缓冲层，通过同时升高In束源温度和降低Ga束源温度，生长组分从In0.33Ga0.67Sb渐变至In0.67Ga0.33Sb，生长时间1750秒，生长厚度同样约0.5μm；
(7)生长10周期In0.67Ga0.33As/In0.63Al0.37Sb超晶格，每周期中InGaSb和InAsSb厚度均为5nm(具体周期数和周期厚度根据要求进行调整)；
(8)最后再生长约0.5μm厚的组分渐变InGaSb缓冲层，通过同时升高In束源温度和降低Ga束源温度，生长组分从In0.67Ga0.33Sb渐变至InSb，生长时间1750秒，生长厚度约0.5μm；
(9)缓冲层结构生长完成，再在其上生长的InSb大晶格失配材料将具有较好的材料质量，可应用于器件结构。
Claims (8)
1.一种包含超晶格隔离层的大晶格失配外延材料缓冲层结构，其特征在于：在组分渐变缓冲层中***n层无应变超晶格隔离层材料，n为自然数，1≤n≤5。
2.根据权利要求1所述的一种包含超晶格隔离层的大晶格失配外延材料缓冲层结构，其特征在于：所述的无应变超晶格隔离层中材料与***处缓冲层晶格匹配，且在单层超晶格隔离层生长过程中材料组分保持不变。
3.根据权利要求1所述的一种包含超晶格隔离层的大晶格失配外延材料缓冲层结构，其特征在于：所述的无应变超晶格隔离层的厚度约为20～200nm。
4.根据权利要求1所述的一种包含超晶格隔离层的大晶格失配外延材料缓冲层结构，其特征在于：以在InP衬底上生长In0.8Ga0.2As所采用的缓冲层为例，所述的无应变超晶格隔离层材料为InxAl1-xAs/InxGa1-xAs，其中，0＜x＜1。
5.根据权利要求1所述的一种包含超晶格隔离层的大晶格失配外延材料缓冲层结构，其特征在于：以在GaSb衬底上生长InSb所采用的缓冲层为例，所述的无应变超晶格隔离层材料为InxGa1-xSb/InxAl1-xSb，其中，0＜x＜1。
6.一种包含超晶格隔离层的大晶格失配外延材料缓冲层结构的制备方法，包括：
(1)在正式生长之前先确定生长与衬底晶格匹配材料的生长温度、束源炉温度生长参数；
(2)采用分子束外延方法生长材料，在组分渐变缓冲层中***n层无应变超晶格隔离层材料，n为自然数，1≤n≤5；
缓冲层结构的生长过程由与衬底晶格匹配的材料开始，通过连续升高或降低束源炉温度，生长组分渐变缓冲层；
(3)重复步骤(2)的操作，不同的是每一次缓冲层的生长，其相对衬底的应变量都会增加；
(4)最后将组分渐变至与上层材料晶格匹配，完成缓冲层的生长。
7.根据权利要求6所述的一种包含超晶格隔离层的大晶格失配外延材料缓冲层结构的制备方法，其特征在于：以在InP衬底上生长In0.8Ga0.2As所采用的缓冲层为例，***2层无应变InxAl1-xAs/InxGa1-xAs超晶格隔离层材料，0＜x＜1，具体步骤如下：
(1)在正式生长之前先采用相同的In束源温度通过预备生长确定在InP衬底上生长晶格匹配的In0.52Al0.48As和In0.53Ga0.47As时的束源炉温度；
(2)缓冲层结构的生长过程由与InP衬底晶格匹配的In0.53Ga0.47As材料的生长参数开始，通过同时升高In束源温度和降低Ga束源温度，将组分渐变至In0.62Ga0.38As，生长时间1750秒，厚度为0.5±0.02μm；
(3)生长10周期In0.62Al0.38As/In0.62Ga0.38As超晶格，每周期中InAlAs和InGaAs厚度均为5nm；
(4)继续生长组分渐变InGaAs缓冲层，通过同时升高In束源温度和降低Ga束源温度，将组分渐变至In0.71Ga0.29As，生长时间1750秒，生长厚度为0.5±0.02μm；
(5)生长10周期In0.71Al0.29As/In0.71Ga0.29As超晶格，每周期中InAlAs和InGaAs厚度均为5nm；
(6)最后再生长0.5±0.02μm厚的组分渐变InGaAs缓冲层，通过同时升高In束源温度和降低Ga束源温度，将组分渐变至In0.8Ga0.2As，生长时间1750秒，生长厚度为0.5±0.02μm。
8.根据权利要求6所述的一种包含超晶格隔离层的大晶格失配外延材料缓冲层结构的制备方法，其特征在于：以在GaSb衬底上生长InSb所采用的缓冲层为例，***2层无应变Inx Ga1-x Sb/InxAl1-x Sb超晶格隔离层材料，0＜x＜1，具体步骤如下：
(1)在正式生长之前，先通过预备生长，确定在GaSb衬底上生长GaSb和InSb时的束源炉温度；
(2)缓冲层结构的生长过程由GaSb材料开始，同时开启In束源快门，In束源温度从低温开始连续升温，同时Ga束源温度连续降温，生长组分渐变的InxGa1-xSb材料，使组分渐变至In0.33Ga0.67Sb，生长时间1750秒，厚度为0.5±0.02μm；
(3)生长10周期In0.33Ga0.67Sb/In0.25Al0.75Sb超晶格，每周期中InGaSb和InAlSb厚度均为5nm；
(4)继续生长组分渐变InGaSb缓冲层，通过同时升高In束源温度和降低Ga束源温度，生长组分从In0.33Ga0.67Sb渐变至In0.67Ga0.33Sb，生长时间1750秒，生长厚度为0.5±0.02μm；
(5)生长10周期In0.67Ga0.33As/In0.63Al0.37Sb超晶格，每周期中InGaSb和InAsSb厚度均为5nm；
(6)最后再生长0.5±0.02μm厚的组分渐变InGaSb缓冲层，通过同时升高In束源温度和降低Ga束源温度，生长组分从In0.67Ga0.33Sb渐变至InSb，生长时间1750秒，生长厚度为0.5±0.02μm。
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2009
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