[發明專利]包含超晶格隔離層的大晶格失配外延材料緩沖層結構及其制備

有效

• 申請號: 200910198257.1
• 申請日: 2009-11-03
• 公開（公告）號: CN101814429A
• 公開（公告）日: 2010-08-25
• 發明（設計）人: 顧溢;張永剛
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海微系統與信息技術研究所
• 主分類號: H01L21/203
• 分類號: H01L21/203
• 代理公司: 上海泰能知識產權代理事務所 31233
• 代理人: 黃志達;宋纓

技術領域

本發明屬大晶格失配外延材料緩沖層結構及其制備領域，特別是涉及一種包含超晶格 隔離層的大晶格失配外延材料緩沖層結構及其制備。

背景技術

隨著半導體能帶工程的發展和材料外延技術的進步，與襯底晶格失配的異質外延材料 得到了越來越多的重視。在襯底上外延晶格失配材料時，在失配外延層足夠薄的情況下， 外延層的晶格常數在因晶格失配而產生的形變能的作用下會與襯底的晶格常數保持一致， 以避免產生位錯。然而，當外延厚度超過一定厚度(稱為臨界厚度)時，晶格失配外延層 的晶格常數將自發恢復到其固有的晶格常數，從而產生失配位錯和降低材料質量。臨界厚 度的大小與兩種材料間的晶格失配度大小有關，一般而言，晶格失配度越大，臨界厚度越 小；晶格失配度越小，臨界厚度越大。對于與襯底具有較大晶格失配度的異質外延材料， 材料的高質量生長面臨著很大的困難，材料生長成為了材料應用于更廣泛領域和器件性能 進一步提高的一個瓶頸。例如，截止波長大于1.7μm的所謂波長擴展InGaAs探測器在空 間遙感與成像等方面有著重要的應用，通過增加In_xGa_1-xAs中In的組分x，可以將In_xGa_1-xAs 探測器的截止波長向長波方向擴展，但這同時會引起In_xGa_1-xAs材料和InP襯底間的晶格 失配。例如，要將InGaAs探測器的截止波長從1.7μm擴展到2.5μm，就需要使In組分從 0.53增加至0.8，這會使InGaAs與InP襯底間的晶格失配達到+1.8％，如此大的晶格失配 很容易使材料中產生缺陷及位錯，限制器件性能的進一步提高。所以，亟需發展提高晶格 失配外延材料質量的材料結構和生長方法。

為解決此問題，人們在大晶格失配外延材料和襯底之間插入相應的緩沖層，試圖將失 配位錯和缺陷限制在緩沖層中而改善大晶格失配外延材料的材料質量。例如，要生長x＝0.8 的In_0.8Ga_0.2As材料，可以在InP襯底和In_0.8Ga_0.2As三元系材料之間生長一層組分連續漸變 的In_xGa_1-xAs緩沖層，其組分值x由與InP晶格匹配的0.53連續變化到0.8，組分漸變的 In_xGa_1-xAs緩沖層可以釋放晶格失配產生的應力，減少In_0.8Ga_0.2As材料中產生的缺陷及位 錯。

然而，在組分連續漸變的緩沖層中，位錯較容易沿著外延層向上延伸，甚至延伸至緩 沖層表面，使得緩沖層表面不能形成完美的晶格結構，從而影響緩沖層上大晶格失配外延 材料的晶格質量。另一方面，組分連續漸變的緩沖層中的組分變化速率不能太快，否則會 引起晶格弛豫的不完全和晶格位錯的增多，所以緩沖層厚度較厚。但是，緩沖層在光學及 電學上均沒有特殊作用，所以人們希望能在保證緩沖層作用的基礎上生長更薄的緩沖層。

針對大晶格失配外延材料緩沖層工藝實現中存在的問題，有必要研究一種更有效和經 濟的方案，可以實現快速有效的晶格弛豫而釋放應力。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是提供一種包含超晶格隔離層的大晶格失配外延材料緩 沖層結構及其制備，該材料包含了超晶格隔離層能使大晶格失配外延材料在緩沖層中快速 有效地發生弛豫而釋放應力，從而減少緩沖層上外延材料的位錯密度；并且采用常規的分 子束外延方法進行材料的不間斷生長，具有操作易控制，成本低，對環境友好等優點。

本發明的一種包含超晶格隔離層的大晶格失配外延材料緩沖層結構，其特征在于：在 組分漸變緩沖層中插入n層無應變超晶格隔離層材料，n為自然數，1≤n≤5。

所述的包含超晶格隔離層的大晶格失配外延材料緩沖層結構，其特征在于：所述的無 應變超晶格隔離層中材料與插入處的緩沖層材料晶格匹配，且在單層超晶格隔離層生長過 程中材料組分保持不變。

所述的包含超晶格隔離層的大晶格失配外延材料緩沖層結構，其特征在于：所述的無 應變超晶格隔離層的厚度約為20～200nm；

所述的無應變超晶格隔離層材料為In_xAl_1-xAs/In_xGa_1-xAs，其中，0＜x＜1；