[發明專利]一種采用界面失配陣列技術在GaAs襯底上生長GaSb的方法

在審

• 申請號: 202111026677.9
• 申請日: 2021-09-02
• 公開（公告）號: CN114038732A
• 公開（公告）日: 2022-02-11
• 發明（設計）人: 劉國軍;徐東昕;李再金;陳浩;趙志斌;曾麗娜;喬忠良;李林;曲軼
• 申請（專利權）人: 海南師范大學
• 主分類號: H01L21/02
• 分類號: H01L21/02;H01L21/67
• 代理公司: 鄭州知倍通知識產權代理事務所(普通合伙) 41191
• 代理人: 李玲玲

本發明是一種采用界面失配陣列技術在GaAs襯底上生長GaSb的方法。在GaAs襯底上，生長在GaSb，明亮的AlSb壘層及夾于其間的InAs/GaSb量子阱清晰可見、各材料層間界面突變明顯、結構中沒有缺陷和位錯出現，表明了極高的材料結構質量。

技術領域

本發明是一種采用界面失配陣列技術在GaAs襯底上生長GaSb的方法，屬于半導體材料外延生長制造領域。

背景技術

銻化合物半導體材料(InAs、InSb、GaSb、AlSb及相關化合物)不但具有寬范圍可變的能量帶隙和帶隙差，而且具有很高的電子遷移率。這些特點使得這一材料體系非常適用于制備高速和低功耗電子器件以及中紅外光源。它們組合形成的異質結構通常采用分子束外延(MBE)或金屬有機物汽相外延設備(MOCVD)生長在GaSb或InAs襯底上。然而，這類襯底對商用而言，存在著尺寸較小、價格昂貴、沒有半絕緣襯底的問題。另外，這類襯底材料較低的熱導率也不利于制備高功率器件。

基于上述這些因素，在過去的很長一段時間，人們都在關注如何在其它替代襯底(GaAs 或Si)上外延生長銻化物材料。能夠在GaAs或Si上生長銻化物材料不但可以解決采用GaSb 或InAs襯底帶來的問題，而且也可以為光電子器件集成提供可能型。然而，銻化物外延材料層與GaAs或Si襯底之間較大的晶格常數差(7-8％晶格失配)導致在外延材料層中形成高密度線位錯，不利于制備高性能器件。

為了克服這一問題，人們采用各種方法嘗試減小線位錯密度，這包括采用低溫生長緩沖層、組分漸變緩沖層、AlSb過渡層和界面失配陣列(Interfacial misfit array；IMF)技術等。這其中IMF技術在應力釋放和減小線位錯密度方面效果非常顯著。它通過在GaAs和GaSb界面處形成90°純邊位錯周期陣列有效地在幾個分子單層的界面層上釋放超過98％的應力，因而降低引起線位錯的60°位錯產生的幾率，從而導致形成低位錯密度外延層，進而使得在GaAs 襯底上制備高性能Sb化物器件成為可能。盡管IMF技術對外延銻化物材料層質量提高效果顯著，但迄今為止關于研究采用這種技術生長銻化物材料的生長優化條件的報道卻相對較少。

發明內容

本發明采用界面失配陣列技術，提供一種在GaAs襯底上生長GaSb的方法。本發明采用實驗中的所有樣品采用裝配了Ga、In、Al、裂解As和裂解Sb源的超高真空分子束外延系統生長在2英寸雙面拋光(100)取向的GaAs襯底上。采用紅外測溫儀對樣品生長溫度進行測量監控，并通過GaAs襯底表面脫氧化層溫度及515℃附近表面再構從(2x4)到c(4x4)轉變點進行校準。由于增加的紅外輻射吸收，在保持襯底熱偶溫度不變的條件下，GaAs襯底上生長窄帶隙GaSb材料會引起顯著的襯底溫度升高。特別值得指出的是，這種現象在GaSb材料層生長的起始階段非常明顯。銻化物材料質量對襯底生長溫度非常敏感。為了獲得高質量外延銻化物材料層，需要紅外測溫儀測量得到的實際襯底溫度保持相對穩定。在這種情況下，襯底加熱器的熱偶溫度在GaSb材料層的生長過程中就需要不斷調整降低直到實際襯底溫度達到穩定。

這種襯底加熱器熱偶溫度的降低調整對于在半絕緣GaAs襯底上生長GaSb而言可能高達 80℃，而對于N型摻雜GaAs襯底上生長GaSb而言一般不超過30℃，并且實際襯底溫度可以很快達到穩定。為了避免半絕緣GaAs襯底上急劇的溫度變化可能導致的對銻化物材料質量的影響，在實驗中主要采用N型摻雜GaAs襯底。生長過程中，采用裂解As₂和Sb₂作為五族束流源，將GaSb和AlSb的生長速率分別固定在0.5微米/小時和0.16微米/小時，通過變化生長溫度、Sb:Ga等效原子通量比、AlSb過渡層厚度和GaSb層厚度來優化生長條件。生長條件優化值由三軸高分辨率x射線衍射(HRXRD)測量樣品結構質量決定。