專利名稱：：直接或間接帶隙組成的ⅲ－v族含鋁化合物的摻雜及方法
技術領域：
：本發明涉及在磷化銦、砷化鎵襯底上用氣態源或固態源分子束外延生長全鋁組份變化范圍的三種含鋁多元系III-V族化合物外延材料的施主摻雜及方法。更確切地說涉及由直接帶隙和間接帶隙二元系組成的III-V族化合物三元系外延材料AlInAs、AlGaAs和AlGaAsSb多元系外延材料及其在全鋁組份變化范圍的施主摻雜及方法。屬于半導體材料與器件領域。
背景技術：
：InP基AlInAs/GaInAs是4-14μm中紅外量子級聯激光器首選材料、GaAs基AlGaAs/GaAs是30-300μm遠紅外太拉赫茲量子級聯激光器首選材料、GaSb基AlGaAsSb/InGaAsSb是2-3.6μm中紅外多量子阱激光器首選材料。這三個材料體系也是高速微波、毫米波器件的重要材料。AlxIn1-xAs，AlxGa1-xAs，AlxGa1-xAs0.02Sb0.98在上述中遠紅外激光器中作為有源區勢壘材料和波導包裹層材料，以及異質結構高速電子器件的勢壘材料①R.Koller，A.Tredicucci，F.Beltram，H.E.Beere，E.H.Linfield，G.Davies，D.A.Ritchie，S.Dillon，andC.Sirtori，“High-performancecontinuous-waveoperationofsuperlatticeterahertzquantum-cascadelasers，”Appl.Phys.Lett.82，1518(2003).②H.K.Choi，S.J.Eglash，andG.W.Turner，“Double-heterostructurediodelasersemittingat3μmwithametastableGaInAsSbactiveandAlGaAsSbcladdinglayers，”Appl.Phys.Lett.74，1194(1994).。通常激光器有源區的阱和壘選用晶格匹配不摻雜的異質結構材料，注入區的阱和壘選用晶格匹配摻雜異質結構材料，此時的壘層材料Al0.48In0.52As，Al0.25Ga0.7As，Al0.2Ga0.8As0.02Sb0.98為直接帶隙材料，未發現反常的施主摻雜行為①J.Faist，F.Capasso，D.L.Sivco，C.Sirtori，A.L.Hutchinson，andA.Y.Cho，“Quantumcascadelaser，”Science264，553(1994).②S.J.EglashandH.K.Choi，“EfficientGaInAsSb/AlGaAsSbdiodelasersemittingat2.29μm，”Appl.Phys.Lett.57，1292(1990).③L.Ajili，G.Scalari，D.Hofstetter，MBeck，J.Faist，H.Beere，G.Davies，E.Linfield，andD.Ritchie，“Continuous-waveoperationoffar-infraredquantumcascadelasers，”Electron.Lett.38，1675(2002).，而多量子阱激光器的波導包裹層則選擇高勢壘組份、重摻雜的材料。提高激光器粒子數反轉是提高激光器性能的核心關鍵。為提高光增益就必項對自由載流子和光子實現有效的限制，因此，提高注入區的自由載流子注入效率、增加壘和阱的折射率差、增加波導包裹層的光限制和減少光損耗是對自由載流子和光子實現有效的限制的關鍵，為此，提高注入區壘層施主摻雜濃度和在有源區引入應變結構，提高壘層Al組份成為重點科學技術關鍵。但在上世紀九十年代上半期在研制GaSb基AlGaAsSb/InGaAsSb中紅多外多量子阱激光器體中，發現摻碲n型AlGaAsSb中存在Te施主摻雜濃度極限，施主摻雜濃度僅為1×1017cm-3，認為是源自碲在AlGaAsSb中飽和溶解度限制的關系，以及可能存在深能級的關系，因而成為長期懸而未決和未被揭示的難題。為了提高波導包裹層的光限制和減少光損耗，上世紀九十年代后期，為了提高帶階，增加有源區光增益和發展中紅外短波端3-4μmInP基AlInAs/GaInAs量子級聯激光器，而在有源區AlInAs/GaInAs引入應變補償，把AlInAs勢壘層的Al組份從晶格匹配的XAl＝0.48提高到XAl＝0.53-0.65。由於有源區、注入/弛豫區，波導層壘層的Al組份直接與折射率有關，壘層的摻雜濃度與自由載流子的注入效率有關，它們決定了激光器的功率、閾值。因此，研究AlxIn1-xAs/InP、AlxGa1-xAs/GaAs和AlxGa1-xAs0.02Sb0.98/GaAs在全Al組分變化范圍(0≤Al≤1)的施主摻雜及方法，正確的揭示施主摻雜行為對推進半導體材料和器件科學技術的發展、提高器件質量勢在必行，具有十分迫切的現實應用價值。這是本發明的總體思路和出發點。
發明內容本發明的目的在于提供由直接帶隙二元系和間接帶隙二元系組成的三元系III-V族化合物在全鋁組分的變化范圍的摻雜及方法。具體地說，提供用于制備中遠紅外波段多量子阱、量子級聯激光器，及高速電子器件的n型InP基、GaAs基、GaSb基含鋁三元系勢壘層材料的施主摻雜方法。其特征包括了AlxIn1-xAs/InP、AlxGa1-xAs/GaAs和AlxGa1-xAs0.02Sb0.98/GaAs在全鋁組分變化范圍(0≤Al≤1)的施主摻雜方法；施主摻雜濃度與鋁組份的關系；施主摻雜濃度與離化能的關系。一、在全鋁組分變化范圍(0≤Al≤1)AlxIn1-xAs的施主摻雜用氣態源分子束外延技術(GSMBE)在半絕緣InP襯底上外延生長的AlxIn1-xAs材料的施主摻雜，其特征在于是在Al組份變化范圍為0≤XAl≤1的施主摻雜方法，采用硅(Si)作為n型(施主)摻雜劑，摻雜劑Si的溫度為1190℃，生長溫度為455℃，在所生長的全部樣品中保持恒定。外延層厚為0.5-1.0μm。用臺階儀測外延層厚度，霍爾方法測外延層的施主摻雜濃度，用x-射線雙晶衍射搖擺曲線測得AlInAs中Al組份含量。摻雜結果表明Si在AlxIn1-xAs中的施主摻雜濃度隨Al組份變化呈“W”型分布和施主摻雜隙，在Al組份為0.537-0.574和0.596-0.611范圍存在兩個摻雜隙，外延層呈半絕緣或異向導通。具體摻雜工藝步驟詳見實施例1。二、在全鋁組分變化范圍(0≤Al≤1)AlxGa1-xAs的施主摻雜方法用氣態源分子束外延技術在半絕緣GaAs襯底上外延生長的AlxGa1-xAs材料的施主摻雜方法，其特征在于是在Al組份變化范圍為0＜XAl＜1的施主摻雜方法，采用硅(Si)作為n型(施主)摻雜劑，n型摻雜劑Si的溫度為1190℃，生長溫度為610℃，在所生長的全部樣品中保持恒定。外延層厚為0.5-1.0μm。用臺階儀測外延層厚度，用霍爾方法測量外延層的施主摻雜濃度，用x-射線雙晶衍射搖擺曲線測量AlGaAs中Al組份含量。摻雜結果表明在GSMBE摻SiAlxGa1-xAs中的施主摻雜濃度隨Al組份變化呈“W”型分布和施主摻雜隙在Al組份為0＜XAl＜0.24范圍，施主摻雜濃度為3.8-3.1-1.8×1018cm-3；在Al組份為0.3-0.6范圍，施主摻雜濃度為0.78-1.8×1017cm-3，降低約1-1.5個數量級，在Al組份為0.7-0.75范圍，存在摻雜隙，外延層呈半絕緣，在Al組份為0.76-0.97范圍，施主摻雜濃度為1-2.6×1018cm-3。具體摻雜工藝步驟詳見實施例2。三、全鋁組分變化范圍(0≤Al≤1)AlxGa1-xAs0.02Sb0.98的施主摻雜方法用固態源分子束外延技術(GSMBE)在半絕緣GaAs襯底上外延生長的AlxGa1-xAs0.02Sb0.98材料的施主摻雜方法，其特征在于是在Al組份變化范圍為0≤XAl≤1的施主摻雜方法，采用碲(Te)作為n型(施主)摻雜劑，n型摻雜劑Te的溫度為330℃，生長溫度為530℃，或n型摻雜劑Te的溫度為340°C，生長溫度為500℃，砷的組份固定在0.02，上述生長條件在所生長的全部樣品中保持恒定。外延層厚為1.5-1.7μm。用臺階儀測外延層厚度，用霍爾方法測量測得外延層的施主摻雜濃度，用x-射線雙晶衍射搖擺曲線測得AlxGa1-xAs0.02Sb0.98中Al組份含量。摻雜結果表明(1)n型摻雜劑Te的溫度為330℃，生長溫度為530℃條件下，在GSMBE摻Te的n型AlxGa1-xAs0.02Sb0.98層中的施主摻雜濃度隨Al組份變化呈“W”型分布。在0.17＜XAl＜0.3和0.56＜XAl＜0.71處施主摻雜濃度最低。在Al組份為0-0.17范圍，施主摻雜濃度為2.0-0.7×1018cm-3；在Al組份為0.56-0.71范圍，施主摻雜濃度為3.0-6.0×1015cm-3，降低約3個數量級，在Al組份為0.8-0.86范圍，施主摻雜濃度為1-2×1018cm-3。(2)在摻雜劑Te的溫度為340℃，生長溫度為500℃條件下，AlxGa1-xAs0.02Sb0.98外延材料在Al組份變化范圍0≤XAl≤1內的施主摻雜濃度與AlxGa1-xAs0.02Sb0.98層Al組份的關系。在0.24＜XAl＜0.39和0.5＜XAl＜0.6處，存在兩個施主摻雜隙，外延層呈半絕緣電學特性。具體摻雜工藝步驟詳見實施例3。本發明適用於與上述材料相關的多量子阱激光器、量子級聯激光器、高應變微波、毫米波材料和器件的優化設計和質量提高，但其思想也適用於其它III-V族化合物材料與器件。圖1為摻Sin-AlxIn1-xAs的自由電子濃度與AlAs組份的關系圖2為摻Sin-AlxGa1-xAs的自由電子濃度與AlAs組份的關系圖3為摻Ten-AlxGa1-xAs0.02Sb0.98在生長溫度為530℃、Te爐溫度為330℃的自由電子濃度與AlSb組份的關系圖4為摻Ten-AlxGa1-xAs0.02Sb0.98在生長溫度為500℃、Te爐溫度為340℃的自由電子濃度與AlSb組份的關系圖5為摻Ten-AlxGa1-xAs0.02Sb0.98Te的施主離化能與AlSb組份的關系圖6為工作於2.0μm的AlGaAsSb/InGaAsSb激光器結構圖7為不同溫度下2.0μm的AlGaAsSb/InGaAsSb脊波導激光器脈沖輸出光功率-電流(P-I)曲線具體實施方式下面通過實施例結合附圖進一步說明本發明的實質性特點和顯著的進步，但絕非限制本發明，也即本發明絕非僅局限于實施例。實施例1采用GSMBE生長方法在半絕緣InP襯底上外延生長AlxIn1-xAs材料，具體生長的步驟是1.將裝在鉬托上的摻Fe半絕緣InP襯底裝進GSMBE系統的進樣室。用渦輪分子泵抽真空。2.待進樣室真空度達10-6Torr時，將襯底傳遞至GSMBE系統預處理室的加熱臺上、升溫至250℃，維持2小時，脫去表面吸附的水氣。降至50-100℃。束源除氣在預處理室除氣時，生長室的銦、鋁、摻雜劑硅、磷烷裂解爐同時除氣。除氣時束源爐快門打開，除氣時間15-30分鐘。通常除氣溫度比生長時采用的溫度高30-50℃。束源銦在900℃，鋁在1200℃分別除氣20-30分鐘。用束流計測銦和鋁的束流，得出銦、鋁爐溫度與銦、鋁束流強度的關系以及與AlInAs生長速率的關系。硅爐除氣溫度為1230-1250℃，除氣半小時，然后降至1190℃。在我們V80GSMBE系統，PH3的裂解溫度為1000℃，除氣溫度為1050℃，除氣半小時。除氣結束，關閉束源爐開門。3.將襯底傳遞至GSMBE系統生長室的樣品加熱臺上，用RHEED觀察InP表面光斑后關閉，開始升溫，待升至300℃時，通入500Torr磷烷(PH3)，生長室的真空度為1-3×10-5，升至450-480℃時用RHEED監控表面解吸，待表面結構由2×2轉為4×4時表面吸收在表面的CO，CO2和P2O5己解吸，仃留3-5分使其充分解吸。通常摻Fe半絕緣InP的解吸溫度為480-500℃。4.將襯底溫度降455℃，即為AlInAs生長溫度時，同時將樣品架轉向面對束源爐，待生長溫度和銦爐溫度、鋁爐溫度、硅爐溫度穩定后，打開In、Al和Si束源爐快門，開始外延生長AlxIn1-xAs，外延生長速率為0.7-0.9μm/小時。外延生長結束，關閉銦爐、溫度、硅爐快門，同時降至500℃。襯底加熱器降溫至300℃時關掉磷烷，同時泵走生長室剩余磷烷，磷烷裂解爐維持在1000℃。當襯底溫度降50-100℃，將外延片傳遞至進樣室。此時磷烷裂解爐溫度降至600℃。5.取出外延片，進行Al組份、外延層厚度和電學參數測試。圖1是本實施例所制備的AlxIn1-xAs外延材料在Al組份變化范圍0≤XAl≤1內的施主摻雜濃度與AlxIn1-xA層Al組份的關系。從圖1可見Si在AlxIn1-xAs中的施主摻雜濃度隨Al組份變化呈“W”型分布和施主摻雜隙，在Al組份為0.537-0.574和0.596-0.611范圍存在兩個摻雜隙，外延層呈半絕緣或異向導通。實施例2采用GSMBE生長方法在GaAs襯底上外延生長AlxGa1-xAs材料，其具體生長的步驟是1.將裝在鉬托上的半絕緣GaAs襯底裝進GSMBE系統的進樣室。用渦輪分子泵抽真空。2.待進樣室真空度達10-6Torr時，將襯底傳遞至GSMBE系統預處理室的加熱臺上、升溫至350℃，維持2小時，脫去表面吸附的水氣。降至50-100℃。束源除氣在預處理室除氣時，生長室的銦、摻雜劑硅、磷烷裂解爐同時除氣。除氣時束源爐快門打開，除氣時間15-30分鐘。通常除氣溫度比生長時采用的溫度高30-50℃。束源鎵在1030℃，鋁在1200℃分別除氣20-30分鐘。硅爐除氣溫度為1230-1250℃，除氣半小時，然后降至1190℃。同時磷烷裂解爐升溫除氣半小時，在升至900℃時用在線四極質譜觀察磷烷是否裂解完全，在譜圖上不出現PH3譜線，表明裂解完全，在此溫度下磷烷(PH3)可充分裂解為P2，將此溫度定為裂解溫度，在高於裂解溫度50℃除氣，然后降至裂解溫度。在我們V80GSMBE系統，PH3的裂解溫度為1000℃，除氣溫度為1050℃。除氣結束，關閉束源爐開門。3.將襯底傳遞至GSMBE系統生長室的樣品加熱臺上，用RHEED觀察InP表面光斑后關閉，開始升溫，待升至300℃時，通入500Torr砷烷(AsH3)，生長室的真空度為1-3×10-5，升至580-610℃時用RHEED監控表面解吸，待表面結構出現2×4時，表明吸收在表面的CO，CO2和P2O5己解吸，仃留3-5分使其充分解吸。通常摻半絕緣GaAs的解吸溫度為620-630℃。4.將襯底溫度降610℃，即為AlGaAs生長溫度時，同時將樣品架轉向面對束源爐，待生長溫度和鎵爐溫度、鋁爐溫度、硅爐溫度穩定后，打開Ga、Al和Si束源爐快門，開始外延生長AlxIn1-xAs，外延生長速率為0.7-0.9μm/小時。外延結束，關閉鎵爐、鋁爐、硅爐快門，鎵爐降至600℃，鋁爐降至900℃，硅爐降至900°。襯底加熱器降溫至300℃時關掉砷烷，同時泵走生長室剩余砷烷，砷烷裂解爐維持在1000℃。當襯底溫度降50-100℃，將外延片傳遞至進樣室。此時磷烷裂解爐溫度降至600℃。5.取出外延片，進行Al組份、外延層厚度和電學參數測試。圖2為本實施例所制備的AlxGa1-xAs外延材料在Al組份變化范圍0＜XAl≤1內的施主摻雜濃度與AlxGa1-xA層Al組份的關系。從圖2可見在GSMBE摻SiAlxGa1-xAs中的施主摻雜濃度隨Al組份變化呈“W”型分布和施主摻雜隙在Al組份為0＜XAl＜0.24范圍，施主摻雜濃度為3.8-3.1-1.8×1018cm-3；在Al組份為0.3-0.6范圍，施主摻雜濃度為0.78-1.8×1017cm-3，降低約1-1.5個數量級，在Al組份為0.7-0.75范圍，存在摻雜隙，外延層呈半絕緣，在Al組份為0.76-0.97范圍，施主摻雜濃度為1-2.6×1018cm-3。實施例3采用GSMBE方法在半絕緣GaAs襯底上外延生長AlxGa1-xAs0.02Sb0.98材料，其具體生長的步驟是1.將裝在鉬托上的半絕緣GaAs襯底裝進SSMBE系統的進樣室。用渦輪分子泵抽真空。2.待進樣室真空度達10-6Torr時，將襯底傳遞至SSMBE系統預處理室的加熱臺上、升溫至350℃，維持2小時，脫去表面吸附的水氣。降至50-100℃。束源除氣在預處理室除氣時，生長室的銦、鎵、砷、銻、摻雜劑碲同時除氣。除氣時束源爐快門打開，除氣時間15-30分鐘。通常除氣溫度比生長時采用的溫度高30C。束源鎵在1030℃，鋁在1200℃，銻在500℃和碲在250℃分別除氣20-30分鐘。銻在500℃和碲在250℃10分鐘。3.將襯底傳遞至SSMBE系統生長室的樣品加熱臺上，用RHEED觀察GaAs表面光斑后關閉，開始升溫，待升至300℃時，打開砷爐快門。通常摻半絕緣GaAs的解吸溫度為620-630℃。4.將襯底溫度降530℃或530℃，即為AlxGa1-xAs0.02Sb0.98生長溫度時，同時將樣品架轉向面對束源爐，待生長溫度和鎵爐溫度、鋁爐溫度、砷爐、碲爐溫度穩定后，打開束源爐快門，開始外延生長AlxGa1-xAs0.02Sb0.98，外延生長速率為1.5μm/小時。外延結束，關閉快門。當襯底溫度降50-100℃，將外延片傳遞至進樣室。5.取出外延片，進行Al組份、外延層厚度和電學參數測試。圖3為本實施例所制備的n型摻雜劑Te的溫度為330℃，生長溫度為530℃下，AlxGa1-xAs0.02Sb0.98外延材料在Al組份變化范圍0≤XAl≤1內的施主摻雜濃度與AlxGa1-xAs0.02Sb0.98層Al組份的關系。從圖3可見在SSMBE摻Te的n型AlxGa1-xAs0.02Sb0.98層中的施主摻雜濃度隨Al組份變化呈“W”型分布。在0.17＜XAl＜0.3和0.56＜XAl＜0.71處施主摻雜濃度最低。在Al組份為0-0.17范圍，施主摻雜濃度為2.0-0.7×1018cm-3；在Al組份為0.56-0.71范圍，施主摻雜濃度為3.0-6.0×1015cm-3，降低約3個數量級，在Al組份為0.8-0.86范圍，施主摻雜濃度為1-2×1018cm-3。圖4為本實施例制備的摻雜劑Te的溫度為340℃，生長溫度為500℃下，AlxGal-xAs0.02Sb0.98外延材料在Al組份變化范圍0≤XAl≤1內的施主摻雜濃度與AlxGa1-xAs0.02Sb0.98層Al組份的關系。在0.24＜XAl＜0.39和0.5＜XAl＜0.6處，存在兩個施主摻雜隙，外延層呈半絕緣電學特性。圖5為本實施例制備的AlxGa1-xAs0.02Sb0.98施主碲離化能ED與Al組份的關系。從圖可見不同Al組份的AlxGa1-xAs0.02Sb0.98樣品的施主離化能ED與Al組份呈“M”型分布。其最高ED值與最低施主摻雜濃度所處Al組份間相對應。圖6為根據圖3、4的結果，我們設計了波長為2.0μm的AlGaAsSb/InGaAsSb激光器結構。從圖6可見我們選取的n型下波導包裹層Al0.4-0.45Ga0.6As0.04Sb0.96的Al組份.不在施主摻雜隙。圖7用該結構研制出2.0μm的AlGaAsSb/InGaAsSb室溫脈沖工作激光器的輸出光功率與電流關系。權利要求1.一種直接或間接帶隙組成的III-V族含鋁化合物的施主摻雜方法，采用氣態源分子束外延方法在半絕緣InP襯底上外延生長AlxIn1-xAs材料，其特征在于具體生長的步驟是(1)將裝在鉬托上的摻Fe半絕緣InP襯底裝進氣態源分子束外延系統的進樣室，并用渦輪分子泵抽真空；(2)待進樣室真空度達10-6Torr時，將襯底傳遞至氣態源分子束外延系統預處理室的加熱臺上、升溫至250℃，維持2小時，脫去表面吸附的水氣，然后降至50-100℃；束源除氣在預處理室除氣時，生長室的銦、鋁、摻雜劑硅、磷烷裂解爐同時除氣；除氣時束源爐快門打開，除氣時間15-30分鐘；通常除氣溫度比生長時采用的溫度高30-50℃；束源銦在900℃，鋁在1200℃分別除氣20-30分鐘；用束流計測銦和鋁的束流，得出銦、鋁爐溫度與銦、鋁束流強度的關系以及與AlxIn1-xAs生長速率的關系；硅爐除氣溫度為1230-1250℃，除氣半小時，然后降至1190℃；在所述的氣態源分子束外延系統中，PH3的裂解溫度為1000℃，除氣溫度為1050℃，除氣半小時；除氣結束，關閉束源爐開門；(3)將襯底傳遞至氣態源分子束外延系統生長室的樣品加熱臺上，用RHEED觀察InP表面光斑后關閉，開始升溫，待升至300℃時，通入500Torr磷烷，生長室的真空度為1-3×10-5，升至450-480℃時用RHEED監控表面解吸，待表面結構由2×2轉為4×4時，吸收在表面的CO，CO2和P2O5已解吸，仃留3-5分使其充分解吸；通常摻Fe半絕緣InP的解吸溫度為480-500℃；(4)將襯底溫度降455℃，即為AlxIn1-xAs生長溫度時，同時將樣品架轉向面對束源爐，待生長溫度和銦爐溫度、鋁爐溫度、硅爐溫度穩定后，打開In、Al和Si束源爐快門，開始外延生長AlxIn1-xAs，外延生長速率為0.7-0.9μm/小時；外延生長結束，關閉銦爐、溫度、硅爐快門，同時降至500℃。襯底加熱器降溫至300℃時關掉磷烷，同時泵走生長室剩余磷烷，磷烷裂解爐維持在1000℃；當襯底溫度降50-100℃，將外延片傳遞至進樣室；此時磷烷裂解爐溫度降至600℃。2.使用如權利要求1所述的施主摻雜方法的摻雜，其特征在于在半絕緣InP襯底上外延生長AlxIn1-xAs材料是采用Si作為施主摻雜劑，n型摻雜劑Si的溫度為1190℃，生長溫度為455℃，Si在AlxIn1-xAs中的施主摻雜濃度隨Al組份變化呈“W”型分布和兩個施主摻雜隙；外延層呈半絕緣或異向導通。3.如權利要求2所述的施主摻雜方法的摻雜，其特征在于所述的兩個施主帶隙分別為XAl組份為0.537-0.574和0.596-0.611。4.一種直接或間接帶隙組成的III-V族含鋁化合物的施主摻雜方法，采用氣態源分子束外延方法在半絕緣GaAs襯底上外延生長AlxGa1-xAs材料，其特征在于具體生長的步驟是(1)將裝在鉬托上的半絕緣GaAs襯底裝進氣態源分子束外延系統的進樣室，且用渦輪分子泵抽真空；(2)待進樣室真空度達10-6Torr時，將襯底傳遞至氣態源分子束外延系統預處理室的加熱臺上、升溫至350℃，維持2小時，脫去表面吸附的水氣，降至50-100℃；束源除氣在預處理室除氣時，生長室的銦、摻雜劑硅、磷烷裂解爐同時除氣；除氣時束源爐快門打開，除氣時間15-30分鐘；通常除氣溫度比生長時采用的溫度高30-50℃；束源鎵在1030℃，鋁在1200℃分別除氣20-30分鐘；硅爐除氣溫度為1230-1250℃，除氣半小時，然后降至1190℃；同時磷烷裂解爐升溫除氣半小時，在升至900℃時用在線四極質譜觀察磷烷是否裂解完全，在譜圖上不出現PH3譜線，表明裂解完全，在此溫度下磷烷可充分裂解為磷，將此溫度定為裂解溫度，在高於裂解溫度50℃除氣，然后降至裂解溫度，在所述的氣態源分子束外延系統，PH3的裂解溫度為1000℃，除氣溫度為1050℃；除氣結束，關閉束源爐開門；(3)將襯底傳遞至GSMBE系統生長室的樣品加熱臺上，用RHEED觀察InP表面光斑后關閉，開始升溫，待升至300℃時，通入500Torr砷烷，生長室的真空度為1-3×10-5，升至580-610℃時用RHEED監控表面解吸，待表面結構出現2×4時，吸收在表面的CO，CO2和P2O5已解吸，仃留3-5分使其充分解吸，通常摻半絕緣GaAs的解吸溫度為620-630℃；(4)將襯底溫度降610℃，即為AlxGa1-xAs生長溫度時，同時將樣品架轉向面對束源爐，待生長溫度和鎵爐溫度、鋁爐溫度、硅爐溫度穩定后，打開Ga、Al和Si束源爐快門，開始外延生長AlxIn1-xAs，外延生長速率為0.7-0.9μm/小時；外延結束，關閉鎵爐、鋁爐、硅爐快門，鎵爐降至600℃，鋁爐降至900℃，硅爐降至900℃；襯底加熱器降溫至300℃時關掉砷烷，同時泵抽走生長室剩余砷烷，砷烷裂解爐維持在1000℃；當襯底溫度降50-100℃，將外延片傳遞至進樣室，此時磷烷裂解爐溫度降至600℃。5.使用如權利要求4所述的施主摻雜方法的摻雜，其特征在于在半絕緣GaAs襯底上外延生長AlxGa1-xAs材料是采用Si作為施主摻雜劑，n型摻雜劑Si的溫度為1190℃，生長溫度為610℃，摻雜的施主濃度隨XAl組份變化呈“W”型分布，且在XAl組份為0.70-0.75范圍內存在施主摻雜隙，外延層呈半絕緣。6.按權利要求5所述的施主摻雜方法的摻雜，其特征在于在XAl組份為0-0.24范圍，施主摻雜濃度為3.8-3.1-1.8×1018cm-3，在XAl組份為0.3-0.6范圍，施主摻雜濃度為0.78-1.8×1017cm-3；在XAl組份為0.76-0.97范圍，施主摻雜濃度為1-2.6×1018cm-3。7.一種直接或間接帶隙組成的III-V族含鋁化合物的施主摻雜方法，采用氣態源分子束外延方法在半絕緣GaAs襯底上外延生長AlxGa1-xAs0.02Sb0.98材料，其特征在于具體生長的步驟是(1)將裝在鉬托上的半絕緣GaAs襯底裝進氣態源分子束外延系統的進樣室，并用渦輪分子泵抽真空；(2)待進樣室真空度達10-6Torr時，將襯底傳遞至SSMBE系統預處理室的加熱臺上、升溫至350℃，維持2小時，脫去表面吸附的水氣，降至50-100℃；束源除氣在預處理室除氣時，生長室的銦、鎵、砷、銻、摻雜劑碲同時除氣；除氣時束源爐快門打開，除氣時間15-30分鐘，除氣溫度比生長時采用的溫度高30C；束源鎵在1030℃，鋁在1200℃，銻在500℃和碲在250℃分別除氣20-30分鐘，銻在500℃和碲在250℃10分鐘；(3)將襯底傳遞至氣態源分子束外延系統生長室的樣品加熱臺上，用RHEED觀察GaAs表面光斑后關閉，開始升溫，待升至300℃時，打開砷爐快門，通常摻半絕緣GaAs的解吸溫度為620-630℃；(4)將襯底溫度降530℃或530℃，即為AlxGa1-xAs0.02Sb0.98生長溫度時，同時將樣品架轉向面對束源爐，待生長溫度和鎵爐溫度、鋁爐溫度、砷爐、碲爐溫度穩定后，打開束源爐快門，開始外延生長AlxGa1-xAs0.02Sb0.98，外延生長速率為1.5μm/小時；外延結束，關閉快門；當襯底溫度降50-100℃，將外延片傳遞至進樣室。8.使用如權利要求7所述的施主摻雜方法的摻雜，其特征在于在半絕緣GaAs襯底上外延生長AlxGa1-xAs0.02Sb0.98材料是采用碲作為施主摻雜劑，施主摻雜濃度隨Al組份變化呈“W”型分布和施主摻雜隙(1)摻雜劑Te的溫度為330℃，生長溫度為530℃系列在0.17＜XAl＜0.3和0.56＜XAl＜0.71處施主摻雜濃度最低；在Al組份為0-0.17范圍，施主摻雜濃度為2.0-0.7×1018cm-3；在Al組份為0.56-0.71范圍，施主摻雜濃度為3.0-6.0×1015cm-3，降低約3個數量級，在Al組份為0.8-0.86范圍，施主摻雜濃度為1-2×1018cm-3；(2)摻雜劑Te的溫度為340℃，生長溫度為500℃時，在0.24＜XAl＜0.39和0.5＜XAl＜0.6處，存在兩個施主摻雜隙，外延層呈半絕緣性；施主離化能與Al組份呈M型分布。9.按權利要求8所述的施主摻雜，其特征在于施主離化能最高值與最低施主摻雜濃度所處Al組份區間對應。全文摘要本發明涉及由直接帶隙二元系和間接帶隙二元系組成的三元系III－V族含鋁砷化物和銻化物的摻雜及方法，具體涉及AlInAs、AlGaAs和AlGaAsSb多元系外延材料及其在全鋁組份變化范圍的施主摻雜及方法。其特征包括了在磷化銦、砷化鎵襯底上用氣態源或固態源分子束外延生長的三種含鋁多元系III－V族化合物外延材料鋁銦砷、鋁鎵砷、鋁鎵砷銻在全全鋁組份變化范圍(0≤X文檔編號H01L33/00GK1737998SQ20051002909公開日2006年2月22日申請日期2005年8月25日優先權日2005年8月25日發明者李愛珍,鄭燕蘭,李華,胡雨生,張永剛,茹國平,陳正秀申請人:中國科學院上海微系統與信息技術研究所