專利名稱：含有數字合金位錯隔離層的大失配外延緩沖層結構及制備的制作方法
技術領域：
本發明屬于大晶格失配外延材料及其制備領域，特別涉及一種含有數字合金位錯隔離層的大晶格失配外延材料緩沖層結構及其制備方法。
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。對于要生長厚度較厚的與襯底具有較大晶格失配度的異質外延材料，通常需要在大晶格失配外延材料和襯底之間插入緩沖層結構，將失配位錯和缺陷限制在緩沖層中，并盡量減少穿透緩沖層的所謂穿透位錯，從而改善緩沖層上大晶格失配外延材料的材料質量。例如，截止波長大于1. 7 μ m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、Gai_xAs中h的組分X，可以將 InxGa1^xAs探測器的截止波長向長波方向擴展，但這同時會引起LxGi^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. 7 μ m擴展到2. 5 μ m，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。為了改進材料質量，可以在LP襯底和Ina8Giia2As材料之間生長一層組分連續漸變的InxGi^xAs緩沖層，其組分值χ由與MP晶格匹配的0. 53連續變化到0. 8，組分漸變的hxGai_xAs緩沖層可以釋放晶格失配產生的應力，減少Ina8Giia2As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。研究發現，應變補償超晶格對材料中的穿透位錯具有一定的隔離作用，可以阻擋一部分穿透位錯向上延伸。但是，應變補償超晶格可能會對器件造成一些負面作用，例如對于截止波長約2. 4μ m的擴展波長Ina8Giia2As探測器及其陣列應用而言，通常需要采用背面進光的倒扣封裝模式。若在緩沖層中采用InAsAna53Giia47As或者InAsAna52Ala48As應變補償超晶格位錯隔離層，都將會對入射光有所吸收，從而影響探測器的外量子效率。另一方面，在材料設計及生長過程中，應變補償超晶格的厚度進行細致優選以保證不引入多余的應力，這個過程較為復雜且難度較高。針對大晶格失配外延材料緩沖層工藝實現中存在的問題，有必要探索一種更合適的緩沖層結構和方案，可以實現快速有效的晶格弛豫而釋放應力，同時克服應變補償超晶格位錯隔離層的缺點。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種含有數字合金位錯隔離層的大晶格失配外延材料緩沖層結構及其制備方法，該材料含有數字合金位錯隔離層，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，對穿透位錯進行隔離，從而減少緩沖層上外延材料的穿透位錯密度，提高緩沖層上大晶格失配外延材料的晶格質量和光電特性，并且克服了傳統應變補償超晶格位錯隔離層禁帶寬度較小及參數調整較復雜的缺點。本發明的一種含有數字合金位錯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η層數字合金位錯隔離層材料；其中，η為自然數，
1 ^ η ^ 5ο所述數字合金位錯隔離層材料由周期厚度為0. 5-2nm的短周期超晶格構成。所述數字合金位錯隔離層材料組分與緩沖層的組分相同。所述數字合金位錯隔離層材料的厚度為20 200nm。本發明的一種含有數字合金位錯隔離層的大晶格失配外延材料緩沖層結構的制備方法，包括調節束源溫度，在襯底上生長一層組分漸變緩沖層，按當前漸變組分通過生長短周期超晶格構成數字合金位錯隔離層；繼續調節束源溫度，生長組分漸變緩沖層，按當前漸變組分再生長一層數字合金位錯隔離層；再生長組分漸變緩沖層，按此順序直至緩沖層組分漸變至所需值，即得。本發明的涉及原理如下(1)緩沖層結構設計在組分連續漸變緩沖層中插入η層數字合金位錯隔離層材料，將組分連續漸變緩沖層分隔成η+1層，η為自然數，根據緩沖層上的大晶格失配材料與襯底間的晶格失配度大小來選取η的數值，晶格失配度較小時η可較小，而晶格失配度較大時則需要η較大。但是位錯隔離層只能起到隔離位錯的作用，過大的η既有所浪費也會使生長過程過于復雜，所以η —般不需要太大，即可。插入的數字合金位錯隔離層可以有效阻止位錯的向上延伸和積累，有利于晶格失配應力在緩沖層中的釋放。由于插入的數字合金位錯隔離層的組分與緩沖層插入位置的組分一致，因此其插入位置、層數及厚度等可以根據具體情況在較大范圍進行自由的調節。另一方面，可以適當增大組分漸變緩沖層中的組分變化速率，只要保證不影響上層緩沖層的晶格質量，從而可以減小緩沖層厚度。(2)位錯隔離層結構設計位錯隔離層的目的是阻擋位錯和應力的向上延伸和積累，數字合金結構由于存在原子混雜過程，對位錯的阻擋能起到很好的效果。數字合金由周期厚度較薄(0.5-2nm)的短周期超晶格構成，數字合金材料的組分通過短周期超晶格中兩種材料的相對厚度來進行調整和控制。一般來說，數字合金位錯隔離層的厚度不需要很厚 (約IOOnm即可)。有益效果本發明的材料含有數字合金位錯隔離層，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，對穿透位錯進行隔離，從而減少緩沖層上外延材料的穿透位錯密度，提高緩沖層上大晶格失配外延材料的晶格質量和光電特性，并且克服了傳統應變補償超晶格位錯隔離層禁帶寬度較小及參數調整較復雜的缺點；制備方法工藝簡單，成本低，具有良好的應用前景。
圖1是含有數字合金位錯隔離層的大晶格失配外延材料緩沖層結構相對襯底的晶格失配度變化示意圖；圖2是InP襯底上Ina8Giia2As大晶格失配外延材料緩沖層結構h組分變化示意圖；圖3是InP襯底上Ina8Giia2As大晶格失配外延材料緩沖層結構示意圖；圖4是GaAs襯底上Ina 3A10.7As大晶格失配外延材料緩沖層結構h組分變化示意圖；圖5是GaAs襯底上Ina3Ala7As大晶格失配外延材料緩沖層結構示意圖。
具體實施例方式下面結合具體實施例，進一步闡述本發明。應理解，這些實施例僅用于說明本發明而不用于限制本發明的范圍。此外應理解，在閱讀了本發明講授的內容之后，本領域技術人員可以對本發明作各種改動或修改，這些等價形式同樣落于本申請所附權利要求書所限定的范圍。實施例1用于InP襯底上外延Ina8Giia2As大晶格失配材料的含有InGaAs數字合金位錯隔離層的緩沖層結構(1)為在InP襯底上外延厚度較厚的高質量M^Giia2As大晶格失配材料，需要在外延Ljiia2As材料之前先生長緩沖層；(2)采用常規分子束外延方法生長材料，緩沖層結構中h組分變化示意圖如圖2 所示，緩沖層結構示意圖如圖3所示，在hx(iai_xAS組分漸變緩沖層中插入2層InGaAs數字合金，將緩沖層平均分為3部分；(3)緩沖層結構的生長過程由與LP襯底晶格匹配的Ina53Giia47As材料的生長參數開始，通過同時升高h束源溫度和降低( 束源溫度，將組分漸變至62Ga0. 38As,生長時間1750秒，厚度為0.5 μ m(具體升降溫幅度、速率可以根據要求進行調整)；(4)生長InAsAna53GEia47As短周期超晶格構成Ina62GEta38As數字合金位錯隔離層，每個周期厚度lnm，其中InAs與In0.53Ga0.47As的厚度分別為0. 19nm和0. 81nm，總共包含100個短周期，即數字合金位錯隔離層厚度為IOOnm(周期數及厚度也可以適當進行調整)；(5)繼續生長組分漸變InGaAs緩沖層，通過同時升高化束源溫度和降低( 束源溫度，將組分漸變至Ina71Giia29As,生長時間1750秒，生長厚度同樣為0. 5 μ m ；(6)生長100個周期的InAsAna53GEia47As短周期超晶格，構成Ina71GEta29As數字合金位錯隔離層，每個周期厚度lnm，其中InAs與Ina53G^l47As的厚度分別為0. 38nm和 0. 62nm ；
(7)最后再生長0. 5 μ m厚的組分漸變InGaAs緩沖層，通過同時升高h束源溫度和降低( 束源溫度，將組分漸變至Ina8GEta2As,生長時間1750秒，生長厚度為0. 5 μ m ；(8)緩沖層結構生長完成，再在其上生長的Ina8Giia2As大晶格失配材料將具有較好的材料質量，可應用于器件結構。實施例2用于GaAs襯底上外延Ina 3Α1α 7As大晶格失配材料的含有InAlAs數字合金位錯隔離層的緩沖層結構(1)為在GaAs襯底上外延厚度較厚的高質量M3Ala7As大晶格失配材料，需要在外延h.3Ala7As材料之前先生長緩沖層；(2)采用常規分子束外延方法生長材料，緩沖層結構中h組分變化示意圖如圖4 所示，緩沖層結構示意圖如圖5所示，在^xAlhAs組分漸變緩沖層中插入2層InAlAs數字合金，將緩沖層平均分為3部分；(3)緩沖層結構的生長過程由與GaAs襯底晶格匹配的AlAs材料的生長參數開始， 開啟h束源快門并將h束源溫度從低溫開始連續升溫，同時Al束源溫度連續降溫，將組分漸變至Ina Ala9As,生長時間1750秒，厚度為0. 5 μ m(具體升降溫幅度、速率可以根據要求進行調整)；(4)生長Ina52Altl.48As/A1As短周期超晶格構成InaiAla9As數字合金位錯隔離層， 每個周期厚度lnm，其中Ina52Ala48As和AlAs的厚度分別為0. 19nm和0. 81nm,總共包含100 個短周期，即數字合金位錯隔離層厚度為IOOnm(周期數及厚度也可以適當進行調整)；(5)繼續生長組分漸變InAlAs緩沖層，通過同時升高h束源溫度和降低Al束源溫度，將組分漸變至Ina2Ala8As,生長時間1750秒，生長厚度同樣為0. 5 μ m ；(6)生長100個周期的In0.52Al0.48As/AlAs短周期超晶格，構成Ina2Ala8As數字合金位錯隔離層，每個周期厚度lnm，其中Ina52Ala48As和AlAs的厚度分別為0. 38nm和 0. 62nm ；(7)最后再生長0. 5 μ m厚的組分漸變InAlAs緩沖層，通過同時升高h束源溫度和降低Al束源溫度，將組分漸變至Ina3Ala7As,生長時間1750秒，生長厚度為0. 5 μ m ；(8)緩沖層結構生長完成，再在其上生長的Ina3Ala7As大晶格失配材料將具有較好的材料質量，可應用于器件結構。
權利要求
1.一種含有數字合金位錯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η層數字合金位錯隔離層材料；其中，η為自然數，1 < η < 5。
2.根據權利要求1所述的一種含有數字合金位錯隔離層的大晶格失配外延材料緩沖層結構，其特征在于所述數字合金位錯隔離層材料由周期厚度為0. 5-2nm的短周期超晶格構成。
3.根據權利要求1所述的一種含有數字合金位錯隔離層的大晶格失配外延材料緩沖層結構，其特征在于所述數字合金位錯隔離層材料組分與緩沖層的組分相同。
4.根據權利要求1所述的一種含有數字合金位錯隔離層的大晶格失配外延材料緩沖層結構，其特征在于所述數字合金位錯隔離層材料的厚度為20 200nm。
5.一種含有數字合金位錯隔離層的大晶格失配外延材料緩沖層結構的制備方法，包括調節束源溫度，在襯底上生長一層組分漸變緩沖層，按當前漸變組分通過生長短周期超晶格構成數字合金位錯隔離層；繼續調節束源溫度，生長組分漸變緩沖層，按當前漸變組分再生長一層數字合金位錯隔離層；再生長組分漸變緩沖層，按此順序直至緩沖層組分漸變至所需值，即得。
全文摘要
本發明涉及一種含有數字合金位錯隔離層的大晶格失配外延材料緩沖層結構及其制備方法，在組分漸變緩沖層中插入n層數字合金位錯隔離層材料。制備方法，包括調節束源溫度，在襯底上生長一層組分漸變緩沖層，按當前漸變組分通過生長短周期超晶格構成數字合金位錯隔離層；繼續調節束源溫度，生長組分漸變緩沖層，按當前漸變組分再生長一層數字合金位錯隔離層；再生長組分漸變緩沖層，按此順序直至緩沖層組分漸變至所需值，即得。本發明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，對穿透位錯進行隔離，從而減少緩沖層上外延材料的穿透位錯密度，提高緩沖層上大晶格失配外延材料的晶格質量和光電特性。
文檔編號H01L31/00GK102254954SQ201110240308
公開日2011年11月23日 申請日期2011年8月19日 優先權日2011年8月19日
發明者張永剛, 顧溢 申請人:中國科學院上海微系統與信息技術研究所