一种基于GaAs衬底生长GaSb单晶薄膜的制备方法技术

本发明专利技术提供了一种基于GaAs衬底生长GaSb单晶薄膜的制备方法，所述制备方法包括如下方法步骤：在半绝缘掺杂Si的GaAs衬底上生长的GaAs缓冲层；在所述GaAs缓冲层上生长GaSb低温缓冲层；在所述GaSb低温缓冲层上生长GaSb外延层；其中，所述GaSb低温缓冲层的生长厚度为10

【技术实现步骤摘要】
一种基于GaAs衬底生长GaSb单晶薄膜的制备方法


[0001]本专利技术涉及半导体材料分子束外延生长制备
，特别是涉及一种基于GaAs衬底生长GaSb单晶薄膜的制备方法。

技术介绍

[0002]锑化物半导体材料具有直接带隙结构、高迁移率、较长的载流子复合寿命、良好的材料均匀性等特点，在高速低功耗中长波探测器及激光器中有着广泛的应用。目前，GaSb衬底在外延生长高质量的锑化物中占据主导地位，但由于其成本昂贵、缺少半绝缘体衬底、较低的热导率、氧化不稳定性、晶圆尺寸较小、对大于5mm波长具有高吸收性等缺点，使其在实际焦平面阵列大规模应用和表征器件的光学及电学性能受到很大的限制，亟需开展替代衬底材料的研究，应用于红外探测军事和民用领域。GaAs衬底其技术成熟、价格相对低廉、半绝缘体衬底等显著优势成为可制备红外探测器的优选衬底。
[0003]在GaAs衬底上生长超晶格的中波长波红外探测器可以广泛应用于红外制导、导弹预警、航空航天、红外成像、生化气体检测等领域。然而由于GaAs衬底与GaSb低温缓冲层之间存在较大的晶格失配(失配度约为7.8％)，已有大量文献报道，由于过大的晶格失配会导致在外延材料层和后续生长锑化物超晶格界面处产生大量缺陷与高密度线位错，严重影响器件性能。
[0004]沿GaAs衬底材料晶轴(001)方向逐层生长GaSb单晶薄膜，其表面存在明显的类矩形“V”形凹坑，其凹坑的形状对外延生长温度有着强烈的依赖性。
[0005]目前，迄今为止国际上关于在GaAs衬底生长GaSb单晶薄膜由于晶格不匹配导致形成纳米级“V”形凹坑的成因，以及如何解决此类“V”形凹坑的报道相对较少。除此之外，GaAs衬底与GaSb外延层之间失配较大，没有什么有效的措施尝试减小两者之间的线位错密度。

技术实现思路

[0006]为了解决现有技术中在GaAs衬底生长GaSb单晶薄膜产生纳米级“V”形凹坑的技术问题，本专利技术的一个目的在于提供一种基于GaAs衬底生长GaSb单晶薄膜的制备方法，所述制备方法包括如下方法步骤：
[0007]在半绝缘掺杂Si的GaAs衬底上生长的GaAs缓冲层；
[0008]在所述GaAs缓冲层上生长GaSb低温缓冲层；
[0009]在所述GaSb低温缓冲层上生长GaSb外延层；
[0010]其中，所述GaSb低温缓冲层的生长厚度为10
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12nm，生长温度为300
‑
310℃。
[0011]在一些较佳的实施例中，所述GaSb低温缓冲层的生长厚度为10nm，生长温度为300℃。
[0012]在一些较佳的实施例中，所述GaAs缓冲层的生长过程为：
[0013]将半绝缘掺杂Si的GaAs衬底加热到300℃进行高温除气，除气时间至少两小时，
[0014]高温除气后，升温至540℃脱氧，直至GaAs衬底点线清晰，保持三分钟；
[0015]降温至520℃，在GaAs衬底上生长厚度为200nm的GaAs缓冲层，其中，As与Ga的五三束流比为35。
[0016]在一些较佳的实施例中，所述GaSb外延层的生长过程为：
[0017]在所述GaAs缓冲层上生长GaSb低温缓冲层后；
[0018]升温至460℃，在GaSb低温缓冲层生长270nm厚度的GaSb外延层，其中，Sb与Ga的五三束流比为5。
[0019]本专利技术提供的一种基于GaAs衬底生长GaSb单晶薄膜的制备方法，通过在较低温度下生长较薄的GaSb低温缓冲层后，采用高温生长GaSb单晶薄膜，优化衬底生长温度、束流比、薄膜厚度的手段，采用低温高温相结合生长GaSb的方式，解决由于外延层和衬底存在较大的晶格失配导致表面相对粗糙且形成“V”形凹坑的难点。
[0020]本专利技术提供的一种基于GaAs衬底生长GaSb单晶薄膜的制备方法，通过在生长过程中通过控制衬底的生长温度、Sb束流比、低温GaSb低温缓冲层厚度和温度，有效限制较大晶格失配导致的失配位错，提高在GaAs衬底上生长红外探测材料GaSb外延层的质量。
[0021]本专利技术提供的一种基于GaAs衬底生长GaSb单晶薄膜的制备方法，在GaAs衬底生长较高Sb束流比、低生长温度、较薄的GaSb低温缓冲层，再生长较低Sb束流比、高生长温度的GaSb外延层，通过控制GaSb低温缓冲层对生长温度、缓冲层厚度，以及束流比，在GaAs衬底上采用变温、变厚度生长GaSb低温缓冲层，减少GaSb单晶薄膜“V”型凹坑缺陷，从而得到在GaAs衬底材料逐层生长具有层状结构无明显类矩形“V”形凹坑的GaSb单晶薄膜。
附图说明
[0022]为了更清楚地说明本专利技术具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本专利技术的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0023]图1示意性示出了沿GaAs衬底材料逐层生长GaSb单晶薄膜形成“V”形凹坑原理示意图。
[0024]图2示出了不同温度下以GaAs为衬底外延生长的270nm GaSb的原子力显微镜图。
[0025]图3输出了插入不同厚度的GaSb低温缓冲层后外延生长的270nm GaSb的原子力显微镜图。
[0026]图4示出了GaSb低温缓冲层生长厚度的粗糙度(rms)及凹坑数量变化关系。
[0027]图5示出了插入不同温度下10nm厚度的GaSb低温缓冲层后外延生长的270nm GaSb的原子力显微镜图。
具体实施方式
[0028]为了使本专利技术的上述以及其他特征和优点更加清楚，下面结合附图进一步描述本专利技术。应当理解，本文给出的具体实施例是出于向本领域技术人员解释的目的，仅是示例性的，而非限制性的。
[0029]为了解决现有技术中沿GaAs衬底材料逐层生长GaSb单晶薄膜，其表面存在明显的类矩形“V”形凹坑的技术问题，提出一种基于GaAs衬底生长GaSb单晶薄膜的制备方法。
[0030]通过原子力显微镜图测试发现沿GaAs衬底材料逐层生长GaSb单晶薄膜，容易在GaSb薄膜表面形成“V”形缺陷或凹坑，类似倒金字塔或锥体“V”形凹坑，“V”形凹坑的大小与生长层的厚度以及生长温度成正比，并且随着薄膜变厚，凹坑继续变大。
[0031]为解释这些“V”形坑的起因，需要对沿GaAs衬底材料逐层生长GaSb的原理进行说明，如图1所示沿GaAs衬底材料逐层生长GaSb单晶薄膜形成“V”形凹坑原理示意图，GaSb生长过程分为四个阶段。
[0032]第一个阶段，GaSb成核层：由于GaSb与衬底GaAs之间存在较大的晶格失配(失配度约为7.8％)，GaSb生长初期首先出现在GaAs衬底101一些成核点102，这些成核点102呈离散的岛状分布。
[0033]第二个阶段，成核点合并形成三维GaSb成核岛状103。本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于GaAs衬底生长GaSb单晶薄膜的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下方法步骤：在半绝缘掺杂Si的GaAs衬底上生长的GaAs缓冲层；在所述GaAs缓冲层上生长GaSb低温缓冲层；在所述GaSb低温缓冲层上生长GaSb外延层；其中，所述GaSb低温缓冲层的生长厚度为10
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12nm，生长温度为300
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310℃。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述GaSb低温缓冲层的生长厚度为10nm，生长温度为300℃。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在...

【专利技术属性】
技术研发人员：祝连庆，龚蕊芯，柳渊，鹿利单，张东亮，
申请(专利权)人：广州市南沙区北科光子感知技术研究院，
类型：发明
国别省市：