[發明專利]一種在大晶格失配基底上異質外延生長銻化物半導體的方法

有效

• 申請號: 201410843205.6
• 申請日: 2014-12-30
• 公開（公告）號: CN104593772B
• 公開（公告）日: 2016-10-19
• 發明（設計）人: 張寶林;王連鍇;呂游;劉仁俊
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: C23C28/00
• 分類號: C23C28/00;C23C14/34;C23C16/18;H01L21/20;H01L21/02
• 代理公司: 長春吉大專利代理有限責任公司 22201
• 代理人: 張景林;王恩遠

技術領域

本發明屬于半導體材料制備技術領域，具體涉及一種以金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)技術在大晶格失配基底上異質外延生長銻化物半導體的方法。

背景技術

III-V族銻化物是一類重要的窄禁帶化合物半導體材料，多數具有直接帶隙。其良好的導電性與獨特的光電特性使這類材料在中紅外領域有重要應用，比如第三代超高速超低功率集成電路，熱光伏電池，紅外激光器，紅外探測器等等。許多公司與研究機構也有目的的研究將該類材料單片集成在現有的常用基底技術平臺上。與常用基底集成的優勢在于，襯底質量高、價格低、技術成熟，可以實現與更多器件的單片集成及光電集成，滿足目前的集成芯片迫切需求。

目前，以MOCVD技術外延生長銻化物異質結構時，襯底表面的銻化物層覆蓋度較低，制備相關器件困難。其原因是銻化物半導體與常用襯底間(如硅、砷化鎵等)存在大晶格失配。一個改進方法是，在銻化物半導體層生長開始前，預先在襯底上生長AlSb微納結構作為緩沖層，AlSb層的引入將有效提升銻化物半導體層覆蓋度。但是鋁源在MOCVD系統中存在記憶效應，容易引起設備的污染，導致該設備生長其他半導體薄層時形成雜質或組分偏差，引起器件質量下降。

發明內容

為了克服現有MOCVD技術生長銻化物層覆蓋度低、MOCVD系統鋁源污染的問題，本發明提供一種新的生長方法，該方法不僅可以提升銻化物在大晶格失配襯底上的表面覆蓋度，而且可以避免鋁源在設備中的記憶效應。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：在生長銻化物半導體前，以其他物理沉積(如磁控濺射)薄膜制備技術預先在硅襯底上沉積鋁(或AlSb)薄層。再將樣品加載在MOCVD系統中外延生長。生長開始前只通入Sb有機源，然后在位退火，使鋁(或AlSb)薄層銻化，形成穩定的AlSb緩沖層結構。當銻化物生長開始時，已經存在的AlSb緩沖層結構將提升銻化物半導體層覆蓋度。整個生長過程沒有在MOCVD系統中引入有機鋁源，避免了設備的鋁污染。

以直流磁控濺射工藝在大晶格失配襯底(以Si為例)上制備GaSb的步驟如下：

(1)以800～1000w的直流磁控濺射功率，在Si襯底上濺射30～60nm厚的鋁層或銻化鋁層，濺射完成后冷卻襯底至室溫；

(2)將濺射鋁層的Si襯底載入到MOCVD反應室中，在200～300mbar、500～600℃的條件下，通入三乙基銻(TESb(C₂H₅)₃Sb))有機源30～60s(以氫氣為載氣，其流速為1000～1200sccm(毫升每分),TESb的通入量為0.5×10^-6～1.5×10^-6mol/min)，使鋁層銻化，得到銻化鋁層；

(3)在MOCVD反應室中，在650～800℃條件下原位退火2～3分鐘，使步驟(2)得到的銻化鋁層或步驟(1)直接得到的銻化鋁層形成穩定的島狀(島直徑為80～200nm，高度為100～200nm)銻化鋁緩沖結構(退火過程可以大幅減小銻化鋁中雜相存在的比例)；退火過程持續通入TESb，以抑制銻在襯底表面的揮發；

(4)在MOCVD反應室中，在500～600℃、200～300mbar條件下，同時輸入氣相的TESb有機源和三甲基銻有機源(TMGa(CH₃)₃Ga))20～30min(以氫氣為載氣，其流速為1000～1200sccm，TESb有機源的通入量為0.5×10^-6～1.5×10^-6mol/min，TMGa有機源的通入量為2.5×10^-7～7.5×10^-7mol/min，且V族元素TESb有機源的通入量為III族元素TMGa有機源通入量的2至5倍，從而在島狀銻化鋁緩沖結構的表面得到厚度為0.3～0.7微米的GaSb薄膜層。

本發明的有益效果是，提升銻化物半導體在大晶格失配襯底表面的覆蓋度，制備出高結晶質量的銻化物薄膜，同時避免在MOCVD系統中使用鋁源造成的設備污染，方法簡單，節約成本。

附圖說明

圖1：對比例1制備的樣品表面掃描電鏡照片；

圖2：實施例2中制備的樣品表面掃描電鏡照片；

圖3：常規技術在Si基底上外延生長銻化物半導體的方法示意圖；

圖4：本發明在Si基底上外延銻化物半導體方法的一個實施例示意圖；