一种采用界面失配阵列技术在GaAs衬底上生长GaSb的方法技术

本发明专利技术是一种采用界面失配阵列技术在GaAs衬底上生长GaSb的方法。在GaAs衬底上，生长在GaSb，明亮的AlSb垒层及夹于其间的InAs/GaSb量子阱清晰可见、各材料层间界面突变明显、结构中没有缺陷和位错出现，表明了极高的材料结构质量。材料结构质量。材料结构质量。

【技术实现步骤摘要】
一种采用界面失配阵列技术在GaAs衬底上生长GaSb的方法


[0001]本专利技术是一种采用界面失配阵列技术在GaAs衬底上生长GaSb的方法，属于半导体材料外延生长制造领域。

技术介绍

[0002]锑化合物半导体材料(InAs、InSb、GaSb、AlSb及相关化合物)不但具有宽范围可变的能量带隙和带隙差，而且具有很高的电子迁移率。这些特点使得这一材料体系非常适用于制备高速和低功耗电子器件以及中红外光源。它们组合形成的异质结构通常采用分子束外延(MBE)或金属有机物汽相外延设备(MOCVD)生长在GaSb或InAs衬底上。然而，这类衬底对商用而言，存在着尺寸较小、价格昂贵、没有半绝缘衬底的问题。另外，这类衬底材料较低的热导率也不利于制备高功率器件。
[0003]基于上述这些因素，在过去的很长一段时间，人们都在关注如何在其它替代衬底(GaAs 或Si)上外延生长锑化物材料。能够在GaAs或Si上生长锑化物材料不但可以解决采用GaSb 或InAs衬底带来的问题，而且也可以为光电子器件集成提供可能型。然而，锑化物外延材料层与GaAs或Si衬底之间较大的晶格常数差(7
‑
8％晶格失配)导致在外延材料层中形成高密度线位错，不利于制备高性能器件。
[0004]为了克服这一问题，人们采用各种方法尝试减小线位错密度，这包括采用低温生长缓冲层、组分渐变缓冲层、AlSb过渡层和界面失配阵列(Interfacial misfit array；IMF)技术等。这其中IMF技术在应力释放和减小线位错密度方面效果非常显著。它通过在GaAs和GaSb界面处形成90
°
纯边位错周期阵列有效地在几个分子单层的界面层上释放超过98％的应力，因而降低引起线位错的60
°
位错产生的几率，从而导致形成低位错密度外延层，进而使得在GaAs 衬底上制备高性能Sb化物器件成为可能。尽管IMF技术对外延锑化物材料层质量提高效果显著，但迄今为止关于研究采用这种技术生长锑化物材料的生长优化条件的报道却相对较少。

技术实现思路

[0005]本专利技术采用界面失配阵列技术，提供一种在GaAs衬底上生长GaSb的方法。本专利技术采用实验中的所有样品采用装配了Ga、In、Al、裂解As和裂解Sb源的超高真空分子束外延系统生长在2英寸双面抛光(100)取向的GaAs衬底上。采用红外测温仪对样品生长温度进行测量监控，并通过GaAs衬底表面脱氧化层温度及515℃附近表面再构从(2x4)到c(4x4)转变点进行校准。由于增加的红外辐射吸收，在保持衬底热偶温度不变的条件下，GaAs衬底上生长窄带隙GaSb材料会引起显著的衬底温度升高。特别值得指出的是，这种现象在GaSb材料层生长的起始阶段非常明显。锑化物材料质量对衬底生长温度非常敏感。为了获得高质量外延锑化物材料层，需要红外测温仪测量得到的实际衬底温度保持相对稳定。在这种情况下，衬底加热器的热偶温度在GaSb材料层的生长过程中就需要不断调整降低直到实际衬底温度达到稳定。
[0006]这种衬底加热器热偶温度的降低调整对于在半绝缘GaAs衬底上生长GaSb而言可能高达 80℃，而对于N型掺杂GaAs衬底上生长GaSb而言一般不超过30℃，并且实际衬底温度可以很快达到稳定。为了避免半绝缘GaAs衬底上急剧的温度变化可能导致的对锑化物材料质量的影响，在实验中主要采用N型掺杂GaAs衬底。生长过程中，采用裂解As2和Sb2作为五族束流源，将GaSb和AlSb的生长速率分别固定在0.5微米/小时和0.16微米/小时，通过变化生长温度、Sb:Ga等效原子通量比、AlSb过渡层厚度和GaSb层厚度来优化生长条件。生长条件优化值由三轴高分辨率x射线衍射(HRXRD)测量样品结构质量决定。
[0007]材料的生长过程：首先将GaAs衬底置于进样仓在热偶温度150℃下低温除气不少于10 小时，然后传入预备仓中在热偶温度450℃下除气直到预备仓压力低于5x10
‑
9 mabr。之后，将衬底传入生长仓，在As过压保护下升温至630℃(红外测温仪测量实际衬底温度，以下类同)并保持15分钟。这一过程可以确保衬底表面氧化物及吸附气体彻底清除。脱除氧化层完成后，在As过压继续保护下，将衬底温度降低并稳定在575℃。为了获得光滑的样品表面，打开Ga快门在富As的(2x4)表面再构下生长500纳米厚的GaAs缓冲层以确保接下来的GaSb 层外延质量。这里需要指出的是，由于源炉热辐射，Ga快门打开后，衬底温度升高到了585℃。 GaSb缓冲层生长结束后，同时关闭Ga和Sb快门并保持衬底加热器热偶温度不变。快门关闭阻挡了源炉热辐射，在衬底加热器热偶温度不变的情况下，衬底温度立即降回到了575℃左右。文献研究已经表明Ga富表面是能够采用IMF技术成功实现应力释放的主要因素。为了有效去除衬底表面吸附的As，在所有快门以及As源针阀关闭的情况下，保持575℃这一温度不变一直到能观察到富Ga的(4x2)表面再构。这一现象出现后，立刻将衬底温度降低并稳定在锑化物生长的预定温度。
[0008]在锑化物材料生长开始之前，对GaAs表面采用Sb束流进行5秒辐照以将之转化为富Sb 表面。锑化物材料GaSb或AlSb层开始生长后，由于三维结构生长，RHEED衍射图像在起始阶段表现为点状图案。这一过程持续时间很短，无论对GaSb还是AlSb材料层生长，仅仅几个分子单层之后RHEED图像就开始转变为典型的Sb富(1x3)表面再构，表明材料层二维生长模式出现，但是为了提高锑化物材料质量，对其中的部分步骤做了改进。采用585℃作为 GaAs缓冲层生长温度。另外，在GaAs缓冲层生长结束后，衬底温度降低的过程中，已有文献一般均采用As或Sb束流进行保护，其在一定程度上会导致部分表面As残留。这些残留 As导致在界面处形成薄的合金层，不但影响外延层表面粗糙度而且也影响通过IMF机制在界面处进行应力释放。没有采用任何束流保护措施，而是在575℃左右通过高温解吸附衬底表面As并将GaAs缓冲层转化为富Ga表面。可以发现，在575℃附近将GaAs的富As表面再构转化为清楚的富Ga表面再构大概需要2分钟左右时间。这个长度有足够的时间判断富Ga 表面出现并及时降低衬底温度，以确保GaAs表面不损失大量的As而导致过量Ga甚至Ga 滴出现，从而避免其影响Sb化物材料质量。
[0009]在高Sb原子通量条件下生长获得(3x 1)富Sb的AlSb外延层。然后通过保持Sb快门打开，关掉Al快门，停止AlSb生长。在保持衬底温度和Al通量固定的条件下，分步减小Sb 原子通量。在每次Sb原子通量值减小并稳定后，打开Al快门，同时观察AlSb表面再构变化情况。当Sb原子通量刚刚不足时，AlSb外延层(3x1)富Sb的表面再构会慢慢转表为(4x 2) 的富Al表面再构。这种情况下，进一步降低Sb原子通量，再构转变会随着Al快门的打开而瞬间发生，意味着严重的Sb原子通量不足，轻微高于再构转变点附近的Sb原子通量可以很好地
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种采用界面失配阵列技术在GaAs衬底上生长GaSb的方法，其特征在于：本发明采用界面失配阵列技术，提供一种在GaAs衬底上生长GaSb的方法，首先将GaAs衬底置于进样仓，在热偶温度150℃下低温除气不少于10小时，然后传入预备仓中在热偶温度450℃下除气直到预备仓压力低于5x10
‑9mabr；之后，将衬底传入生长仓，在As过压保护下升温至630℃并保持15分钟；将衬底温度降低并稳定在575℃，打开Ga快门在富As的(2x4)表面再构下生长500纳米厚的GaAs缓冲层以确保接下来的GaSb层外延质量；GaAs缓冲层生长结束后，同时...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘国军，徐东昕，李再金，陈浩，赵志斌，曾丽娜，乔忠良，李林，曲轶，
申请(专利权)人：海南师范大学，
类型：发明
国别省市：