包含超晶格隔离层的大晶格失配外延材料缓冲层结构及其制备制造技术

本发明专利技术涉及一种包含超晶格隔离层的大晶格失配外延材料缓冲层结构及其制备，在组分渐变缓冲层中插入ｎ层无应变的超晶格隔离层材料，ｎ为自然数，１≤ｎ≤５；其制备过程为：首先确定生长温度、束源炉温度等参数；然后采用分子束外延方法依次在衬底上交替生长应变量逐渐增大的缓冲层和无应变超晶格隔离层材料，直至完成达到预期应变量的缓冲层的生长。本发明专利技术的材料包含了超晶格隔离层，能使大晶格失配外延材料在缓冲层中快速有效地发生弛豫而释放应力，从而减少缓冲层上外延材料的位错密度；并且采用常规的分子束外延方法进行材料的不间断生长，具有操作易控制，成本低，对环境友好等优点。

Buffer layer structure of large lattice mismatched epitaxial material containing superlattice isolation layer and preparation thereof

The invention relates to a large lattice containing superlattice isolation layer mismatch epitaxial material buffer layer structure and its preparation, insertion of N layer superlattice isolated strain free layer material graded buffer layer in group n is a natural number, n = 1 ~ 5; the preparation process is as follows: the growth temperature, beam the cells with parameters such as temperature determined firstly; then by molecular beam epitaxy method sequentially on a substrate of alternate growth should be increased gradually and the buffer layer variables without strain superlattice buffer layer material, until the desired buffer layer should be variable completion of growth. The material of the invention includes a superlattice isolation layer, the large lattice mismatch epitaxial material in the buffer layer effectively and release the stress relaxation occurs, thereby reducing the dislocation density of epitaxial buffer layer; uninterrupted growth and by conventional molecular beam epitaxy material, is easy to control low cost, environmentally friendly, etc..

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属大晶格失配外延材料缓冲层结构及其制备领域，特别是涉及一种包含超 晶格隔离层的大晶格失配外延材料缓冲层结构及其制备。
技术介绍
随着半导体能带工程的发展和材料外延技术的进步，与衬底晶格失配的异质外延 材料得到了越来越多的重视。在衬底上外延晶格失配材料时，在失配外延层足够薄的情况 下，外延层的晶格常数在因晶格失配而产生的形变能的作用下会与衬底的晶格常数保持一 致，以避免产生位错。然而，当外延厚度超过一定厚度(称为临界厚度)时，晶格失配外延 层的晶格常数将自发恢复到其固有的晶格常数，从而产生失配位错和降低材料质量。临界 厚度的大小与两种材料间的晶格失配度大小有关，一般而言，晶格失配度越大，临界厚度越 小；晶格失配度越小，临界厚度越大。对于与衬底具有较大晶格失配度的异质外延材料，材 料的高质量生长面临着很大的困难，材料生长成为了材料应用于更广泛领域和器件性能进 一步提高的一个瓶颈。例如，截止波长大于1. 7μπι的所谓波长扩展InGaAs探测器在空间 遥感与成像等方面有着重要的应用，通过增加InxGai_xAs中In的组分χ，可以将InxGai_xAs 探测器的截止波长向长波方向扩展，但这同时会引起InxGai_xAs材料和InP衬底间的晶格 失配。例如，要将InGaAs探测器的截止波长从1. 7 μ m扩展到2. 5 μ m，就需要使In组分从 0. 53增加至0. 8，这会使InGaAs与InP衬底间的晶格失配达到+1. 8%，如此大的晶格失配 很容易使材料中产生缺陷及位错，限制器件性能的进一步提高。所以，亟需发展提高晶格失 配外延材料质量的材料结构和生长方法。为解决此问题，人们在大晶格失配外延材料和衬底之间插入相应的缓冲层，试图 将失配位错和缺陷限制在缓冲层中而改善大晶格失配外延材料的材料质量。例如，要生长 χ = 0. 8的Ina8Gaa2As材料，可以在InP衬底和Ina8Gaa2As三元系材料之间生长一层组分 连续渐变的InxGai_xAs缓冲层，其组分值χ由与InP晶格匹配的0. 53连续变化到0. 8，组分 渐变的InxGai_xAs缓冲层可以释放晶格失配产生的应力，减少Ina8Gaa2As材料中产生的缺 陷及位错。然而，在组分连续渐变的缓冲层中，位错较容易沿着外延层向上延伸，甚至延伸至 缓冲层表面，使得缓冲层表面不能形成完美的晶格结构，从而影响缓冲层上大晶格失配外 延材料的晶格质量。另一方面，组分连续渐变的缓冲层中的组分变化速率不能太快，否则会 引起晶格弛豫的不完全和晶格位错的增多，所以缓冲层厚度较厚。但是，缓冲层在光学及电 学上均没有特殊作用，所以人们希望能在保证缓冲层作用的基础上生长更薄的缓冲层。针对大晶格失配外延材料缓冲层工艺实现中存在的问题，有必要研究一种更有效和经济的方案，可以实现快速有效的晶格弛豫而释放应力。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种包含超晶格隔离层的大晶格失配外延材 料缓冲层结构及其制备，该材料包含了超晶格隔离层能使大晶格失配外延材料在缓冲层中 快速有效地发生弛豫而释放应力，从而减少缓冲层上外延材料的位错密度；并且采用常规 的分子束外延方法进行材料的不间断生长，具有操作易控制，成本低，对环境友好等优点。本专利技术的一种包含超晶格隔离层的大晶格失配外延材料缓冲层结构，其特征在 于在组分渐变缓冲层中插入η层无应变超晶格隔离层材料，η为自然数，1 < η < 5。所述的包含超晶格隔离层的大晶格失配外延材料缓冲层结构，其特征在于所述 的无应变超晶格隔离层中材料与插入处的缓冲层材料晶格匹配，且在单层超晶格隔离层生 长过程中材料组分保持不变。所述的包含超晶格隔离层的大晶格失配外延材料缓冲层结构，其特征在于所述的无应变超晶格隔离层的厚度约为20 200nm ；所述的无应变超晶格隔离层材料为InxAlhAsAnxGahAs,其中，0 <x< 1 ；所述的无应变超晶格隔离层材料为InxGahSbAnxAlhSb,其中，0 < χ < 1。本专利技术的一种包含超晶格隔离层的大晶格失配外延材料缓冲层结构的制备方法， 包括(1)在正式生长之前先确定生长与衬底晶格匹配材料的生长温度、束源炉温度等 生长参数；(2)采用分子束外延方法生长材料，在组分渐变缓冲层中插入η层无应变超晶格 隔离层材料，η为自然数，1彡η彡5 ；缓冲层结构的生长过程由与衬底晶格匹配的材料开始，通过连续升高或降低束源 炉温度，生长组分渐变缓冲层；(3)重复步骤(2)的操作，不同的是每一次缓冲层的生长，其相对衬底的应变量都 会增加；(4)最后将组分渐变至与上层材料晶格匹配，完成缓冲层的生长。以在InP衬底上生长Ina8Gaa2As所采用的缓冲层为例，插入2层无应变 InxAlhAsAnxGahAs超晶格隔离层材料，0 < χ < 1，具体步骤如下(1)在正式生长之前先采用相同的In束源温度通过预备生长确定在InP衬底上生 长晶格匹配的Ina52Ala48As和Ina53Gaa47As时的束源炉温度；(2)缓冲层结构的生长过程由与InP衬底晶格匹配的Ina53Gaa47As材料的生长参 数开始，通过同时升高In束源温度和降低Ga束源温度，将组分渐变至Ina 62Ga0.38As,生长时 间 1750 秒，厚度为 0. 5 士 0. 02μπι ；(3)生长 10 周期 Ina62Ala38AsAna62Gaa38As 超晶格，每周期中 InAlAs 和 InGaAs 厚 度均为5nm ；(4)继续生长组分渐变InGaAs缓冲层，通过同时升高In束源温度和降低Ga束源 温度，将组分渐变至Ina71Gaa29As,生长时间1750秒，生长厚度为0. 5士0. 02 μ m ；(5)生长 10 周期 Ina71Ala29AsAna71Gaa29As 超晶格，每周期中 InAlAs 和 InGaAs 厚 度均为5nm ；(6)最后再生长0.5士0.02 μ m厚的组分渐变InGaAs缓冲层，通过同时升高In束源温度和降低Ga束源温度，将组分渐变至Ina8Gaa2As,生长时间1750秒，生长厚度为0. 5 + 0. 02μπιο以在GaSb衬底上生长InSb所采用的缓冲层为例，插入2层无应变InxGai_x Sb/ InxAlhSb超晶格隔离层材料，0 < χ < 1，具体步骤如下(1)在正式生长之前，先通过预备生长，确定在GaSb衬底上生长GaSb和InSb时的 束源炉温度；(2)缓冲层结构的生长过程由GaSb材料开始，同时开启In束源快门，In束源温度 从低温开始连续升温，同时Ga束源温度连续降温，生长组分渐变的InxGai_xSb材料，使组分 渐变至Ina33Gaa67Sb,生长时间1750秒，厚度为0. 5 士 0. 02 μ m ；(3)生长 10 周期 In。.33Ga。.67Sb/In。.25Al。.75Sb 超晶格，每周期中 InGaSb 和 InAlSb 厚 度均为5nm ；(4)继续生长组分渐变InGaSb缓冲层，通过同时升高In束源温度和降低Ga束 源温度，生长组分从Ina33Gaa67Sb渐变至Ina67Gaa33Sb,生长时间本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种包含超晶格隔离层的大晶格失配外延材料缓冲层结构，其特征在于：在组分渐变缓冲层中插入ｎ层无应变超晶格隔离层材料，ｎ为自然数，１≤ｎ≤５。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：顾溢，张永刚，
申请(专利权)人：中国科学院上海微系统与信息技术研究所，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]