[發明專利]一種基于納米圖形襯底的異變外延生長方法

有效

• 申請號: 201310057279.2
• 申請日: 2013-02-22
• 公開（公告）號: CN104008960B
• 公開（公告）日: 2016-10-12
• 發明（設計）人: 王琦;邊志強;任曉敏;賈志剛;閆映策;蔡世偉;黃永清
• 申請（專利權）人: 北京郵電大學
• 主分類號: H01L21/20
• 分類號: H01L21/20;B82Y40/00
• 代理公司: 北京路浩知識產權代理有限公司 11002
• 代理人: 王瑩

技術領域

本發明涉及半導體光電子集成領域，尤其涉及一種基于納米圖形襯底的異變外延生長方法。

背景技術

隨著網絡帶寬及交換速度的需求急速增長，對承載信息的光傳輸系統和網絡提出了巨大的技術挑戰。目前，網絡終端和節點設備仍主要依賴于分立光電子器件，這使得體積、功能、功耗、可靠性、成本等方面問題日益凸顯，已經無法滿足新一代光通信系統與網絡的發展要求。實現光電子集成是解決這些問題的唯一有效途徑。

經過30多年的努力，光電子集成技術獲得了長足的發展，但是與微電子集成相比進展還遠不如人意，大規模、多功能半導體光電子集成仍未獲得實質性突破。究其根源，以材料兼容為代表的關鍵問題無法徹底突破是癥結所在。眾所周知，GaAs與Si的晶格失配度約4.1%，InP與GaAs的晶格失配度約3.8%，若在Si上直接生長GaAs或在GaAs上直接生長InP，穿透位錯密度（TDD）都高達10⁸-10⁹/cm²。這么高的穿透位錯密度使得外延層無法用于制備高性能光電子器件，特別是制備發光器件。

異變外延（metamorphic?growth）是實現單片光電子集成中材料兼容的主要技術途徑之一，它是通過產生位錯（失配位錯和穿透位錯）來釋放襯底與外延層之間由于晶格失配所導致的應力。目前，主要采用以下方法降低異變外延層的TDD：

組分漸變緩沖層（compositionally?graded?buffer）技術，屬于緩沖層技術的一種。但與組分固定的緩沖層技術不同，組分漸變緩沖層是一種多層緩沖層結構，緩沖層除GeSi外多為三元甚至四元化合物（如InGaAs、InGaP、InAlAs、GaAsSb、InAsP、InGaAlAs等），有些漸變緩沖層甚至是由兩種化合物組合而成。緩沖層的晶格常數由與初始襯底匹配逐漸過度到最終異變外延層所需的晶格常數。根據組分漸變方式不同，又可具體細分為：組分線性漸變（linearly-graded)與組分臺階漸變（step-graded)兩種緩沖層。組分線性漸變是指緩沖層的晶格常數隨厚度緩慢地線性變化或準線性變化；組分臺階漸變是指晶格常數階梯式變化，每個特定組分緩沖層都具有一定的臺階厚度。緩沖層組分漸變后，首先位錯會分布在整個緩沖層里，不再局限在襯底與外延層的單一異質界面處，減小了位錯相互釘扎（pinning）的幾率，異變外延層中的穿透位錯更容易滑移；其次，將應變界面（strain?profiles）擴展到了整個緩沖層厚度中，漸變緩沖層中的應變大大減小，阻止了位錯環（dislocation?loop)的形成，這樣也有利于穿透位錯發生滑移。

盡管如此，組分漸變緩沖層技術生長工藝非常復雜，不僅需要精確的組分控制、生長速率控制，還要用到組分過沖（composition?overshoot）。特別是為了降低TDD、保證緩沖層中失配應變盡可能弛豫完全，整個緩沖層要長得非常厚（一般都在幾微米以上，有的甚至到十幾微米），這樣一來異變外延生長代價很高（對于分子束外延等低速生長方式來說尤為突出）。此外，構成緩沖層的多元化合物（例如InGaAs、InGaP）的組分升高到特定值后會出現相分凝，在異變外延層中進一步引入缺陷降低異變材料質量，最終限制了可獲得的虛擬襯底的組分。另外，該技術還會在異質界面處引入大量的失配位錯（misfit?dislocation），使得異變外延片表面經常會出現縱橫交錯的cross-hatch形貌，使得表面粗糙度增加。