一种在砷化镓衬底上外延生长锑化镓的方法技术

本发明专利技术公开了一种在砷化镓衬底上外延生长ＧａＳｂ的方法，该方法采用三缓冲层生长工艺，具体包括：Ａ）５８０℃条件下在ＧａＡｓ衬底上生长ＧａＡｓ缓冲层；Ｂ）５５０℃条件下在生长的ＧａＡｓ缓冲层上生长ＡｌＳｂ缓冲层；Ｃ）４５０℃条件下ＡｌＳｂ缓冲层上长ＧａＳｂ／ＡｌＳｂ超晶格缓冲层；Ｄ）４００－５００℃条件下在生长的ＧａＳｂ／ＡｌＳｂ超晶格缓冲层上生长ＧａＳｂ外延层。利用本发明专利技术，将双缓冲层工艺改变为三缓冲层工艺，先在ＧａＡｓ衬底上生长ＧａＡｓ缓冲层，然后在生长的ＧａＡｓ缓冲层上生长ＡｌＳｂ缓冲层，在ＡｌＳｂ缓冲层上生长ＧａＳｂ／ＡｌＳｂ超晶格缓冲层，最后在生长的ＧａＳｂ／ＡｌＳｂ超晶格缓冲层上生长ＧａＳｂ外延层，有效的减少了穿通位错，从而提高了ＧａＳｂ外延层的光学质量。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及锑化镓(GaSb)晶体外延生长技术，尤其涉及--种采用三 缓冲层生长工艺在砷化镓(GaAs)衬底上外延生长GaSb的方法
技术介绍
GaSb基半导体材料(晶格常数为6.1A的InAs， GaSb， AlSb及其三元化合物)，无论在光学特性还是电学特性方面都很好的弥补了传统半导 体材料的缺点，是制备高速、低功率的电子器件-高电子迁移率晶体管 (HEMT)或中远红外探测器和激光器(InAs/GaSb，超晶格红外探测器和 激光器)的首选新型材料。虽然GaSb单晶片己商品化，但是由于存在成本高，缺少半绝缘衬底 等缺点，因此人们通常在GaAs衬底上制备GaSb外延层。而在异质外延 过程中，普遍存在一个问题是GaAs衬底与GaSb外延层之间存在约7%的 晶格失配和热胀系数失配，这对于生长高质量的GaSb晶体是一大障碍。当前，国际上普遍采用缓冲层工艺来缓解衬底与外延层之间的晶格失 配和热失配。对于GaSb外延目前常用方法是在GaAs衬底上高温生长 GaAs缓冲层，降低衬底温度，在GaAs缓冲层直接生长GaSb外延层，属 于单缓冲层工艺。但是存在以下缺点由于GaAs衬底与GaSb外延层之间存在约7%的晶格失配，导致GaSb以三维岛状生长，得到的GaSb材料表面粗糙，位错密度大，晶体质量差。在此基础上作者引入AlSb缓冲层，专利技术了双缓冲层工艺。试验证明双缓冲层工艺可促进外延层二维生长，从而提高外延层的晶体质量和表面平整度，能在GaAs衬底上生长出较优质的GaSb外延层。但是试验发现，双缓冲层工艺制备的GaSb外延层的光学质量不好，其表现就是光荧光谱(PL谱)峰值强度很小或者没有光荧光信号，原因是由于晶格失配造成的穿通位错进入了 GaSb外延层中，产生了大量的非辐射 复合中心，光生载流子在还没有产生辐射复合之前就被这些缺陷复合掉了。对于光电器件来说，制备出光学性能优异的材料是前提，所以这是材料生长过程中必须解决的一个重大问题。
技术实现思路
针对
技术介绍
提出的问题，本专利技术的目的在于提供，以提高外延层的光学质量。为实现上述方法，本专利技术引入了由GaSb/AlSb超晶格组成的缓冲层，其作用是将晶格失配产生的大量穿通位错阻断，使进入GaSb外延层的位错密度大大降低，进而减小外延层中的非辐射复合中心密度，提高光荧光(PL)谱的峰值强度。详细地说，本专利技术采用三缓冲层生长工艺，具体步骤为A) 580°C下，在GaAs衬底上生长GaAs缓冲层；Ga源在GaAs缓冲 层生长温度为1150°C， As/Ga束流比为20;B) 550℃下，在GaAs缓冲层上生长锑化铝AlSb缓冲层；Al源在AlSb 缓冲层生长时的温度为1180°C， Sb/Al束流比为5;C) 450℃下，在锑化铝AlSb缓冲层上生长GaSb/AlSb超晶格缓冲层；Sb/Al束流比为5， Sb/Ga束流比为6;D) 400至500℃下，在GaSb/AlSb超晶格缓冲层上生长GaSb外延层。所述的方法，其中，步骤A之前进一步包括将免清洗的GaAs衬底放在分子束外延生长室样品架上，在580℃条件下高温脱氧，并将GaAs 衬底温度升至630℃高温除气，然后将衬底温度降至580°C。所述的方法，其中所述分子束外延生长室在GaAs和AlSb缓冲层生长前处于真空状态，压 力为5xl0－9mbar;所述分子束外延生长室在GaSb/AlSb超晶格缓冲层生长过程中，分子 束外延生长室压力为1-5x10—8mbar;所述分子束外延生长室在GaSb外延层生长时，分子束外延生长室压力 为lxlO－8 mbar。所述的方法，其中，步骤A包括将高温脱氧后的GaAs衬底稳定温 度在580。C，开启Ga源炉快门，在GaAs衬底上生长GaAs缓冲层。所述的方法，其中，GaAs缓冲层生长厚度为0.5μm。所述的方法，其中，步骤B包括关闭Ga源炉快门，将GaAs衬底 温度降为550。C，关闭As源炉快门，并开启Sb源炉快门和Al源炉快门， 在GaAs缓冲层上生长AlSb缓冲层。所述的方法，其中，AlSb缓冲层生长厚度为100nm。所述的方法，其中，所述步骤C包括关闭A1源炉快门，将GaAs 衬底温度降到450℃，重复开关Ga源炉快门和Al源炉快门，在AlSb缓 冲层上生长40周期的GaSb/AlSb超晶格外延层。所述的方法，其中，GaSb/AlSb超晶格中各子层的厚度均为5nm。所述的方法，其中，步骤D包括关闭A1、 Ga源炉快门，将GaAs 衬底温度降到400至500℃ ，开启Ga源炉快门，在GaSb/AlSb超晶格缓 冲层上生长GaSb外延层。从上述技术方案可以看出，本专利技术具有以下有益效果:1、 利用本专利技术，将双缓冲层工艺改变为三缓冲层工艺，先在GaAs 衬底上生长GaAs缓冲层，然后在生长的GaAs缓冲层上生长AlSb缓冲层， 再在生长的AlSb缓冲层上生长GaSb/AlSb超晶格缓冲层，最后在 GaSb/AlSb超晶格缓冲层上生长GaSb外延层。GaSb/AlSb超晶格有效的阻 断了穿通位错的纵向生长，减小了 GaSb外延层中的缺陷即非辐射复合中 心的密度，大大提高了PL谱的强度。2、 本专利技术采用三缓冲层生长工艺在GaAs衬底上外延生长GaSb的方 法，与双缓冲层相比，三缓冲层生长完成后进行的外延生长形成了较好的 二维生长，穿通位错和螺旋位错被大量阻断，GaSb外延层表面的螺位错 密度有了明显减小。附图说明图1为本专利技术提供的在GaAs衬底上生长GaSb外延层的方法流程图2为本专利技术提供的在GaAs衬底上生长GaSb外延层的生长结构示意图3为在10K温度下测得的GaSb外延层的PL谱，其中曲线A为采 用双缓冲层工艺生长的GaSb外延层的PL谱；曲线B、 C、 D、 E为采用 三缓冲层工艺生长的分别含有10、 20、 30、 40个周期GaSb/AlSb超晶格 的GaSb外延层的PL谱。具体实施例方式本专利技术的在砷化镓(GaAs)衬底上外延生长锑化镓(GaSb)的方法，包括 如下步骤A) 580℃条件下在GaAs衬底上生长GaAs缓冲层；B) 550℃条件下在生长的GaAs缓冲层上生长锑化铝AlSb缓冲层；C) 450℃条件下生长GaSb/AlSb超晶格缓冲层；D) 400至500℃条件下在生长的GaSb/AlSb缓冲层上生长GaSb外延层。所述步骤A之前进一步包括将免清洗的GaAs衬底放在分子束外延(MBE)生长室样品架上,在 580°C条件下高温脱氧，并将GaAs衬底温度升至630°C高温除气，然后 将衬底温度降至580℃所述MBE生长室在GaAs和AlSb缓冲层生长前处于高真空状态,压力为 5xlO-9mbar;所述MBE生长室在GaAs 、 AlSb和GaSb/AlSb超晶格缓冲层生长过程 中，生长室压力处在l 5xlO8mbar范围；所述MBE生长室在GaSb外延层生长时，生长室压力处在lx(l0)-8smbar 范围。所述步骤A包括将高温脱氧后的GaAs衬底稳定温度在580℃，开 启Ga源炉快门，在GaAs衬底上生长GaAs缓冲层。所述Ga源在GaAs缓冲层生长时的温度为1150℃。所述GaAs缓冲层在生长时的As/Ga束流比为20，生长时间为30分 钟，生长厚度为0.5μm。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种在砷化镓衬底上外延生长锑化镓的方法，采用三缓冲层生长工艺，其步骤如下：Ａ）５８０℃下，在ＧａＡｓ衬底上生长ＧａＡｓ缓冲层；Ｇａ源在ＧａＡｓ缓冲层生长温度为１１５０℃，Ａｓ／Ｇａ束流比为２０；Ｂ）５５０℃下，在ＧａＡｓ缓冲层上生长锑化铝ＡｌＳｂ缓冲层；Ａｌ源在ＡｌＳｂ缓冲层生长时的温度为１１８０℃，Ｓｂ／Ａｌ束流比为５；Ｃ）４５０℃下，在锑化铝ＡｌＳｂ缓冲层上生长ＧａＳｂ／ＡｌＳｂ超晶格缓冲层；，Ｓｂ／Ａｌ束流比为５，Ｓｂ／Ｇａ束流比为６；Ｄ）４００至５００℃下，在ＧａＳｂ／ＡｌＳｂ超晶格缓冲层上生长ＧａＳｂ外延层。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：郝瑞亭，周志强，任正伟，徐应强，牛智川，
申请(专利权)人：中国科学院半导体研究所，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]