專利名稱：在襯底上生長(zhǎng)異變緩沖層的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體材料與器件技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種InGaAs異變緩沖層的生長(zhǎng)方法，特別是關(guān)于一種在襯底上生長(zhǎng)異變緩沖層的方法
背景技術(shù)：
由于受到晶格匹配與能帶帶隙的限制，目前1.31-1. 55μπι波段近紅外半導(dǎo)體光電器件主要采用InGaAsP/InP材料體系，但是這個(gè)材料體系的能帶導(dǎo)帶階小載流子限制弱、器件特征溫度低、成本較高等缺點(diǎn)，研發(fā)穩(wěn)定性好、易于集成的光電器件受到嚴(yán)重困難。因此，近十多年來(lái)尋求新一代高特征溫度、更廉價(jià)的其他基底近紅外材料成為重要研究課題。近紅外材料的另外一大體系是GaAs基材料，其成本較低、導(dǎo)帶帶階較大、可以采用 GaAs/AlGaAs分布式布拉格反射鏡(DBR)實(shí)現(xiàn)垂直集成器件，因此GaAs基1. 31-1. 55微米光電材料和器件研究受到廣泛重視。GaAs基有源層材料主要是低In組分InGaAs/GaAs應(yīng)變量子阱(量子阱層厚和 In組分小于應(yīng)力釋放的臨界值)、或自組織InAs/GaAs量子點(diǎn)(量子點(diǎn)尺度決定其發(fā)光波長(zhǎng))，同樣受到晶格匹配條件限制，目前獲得的發(fā)光波長(zhǎng)也僅僅處于1. 31微米波段，很難達(dá)到1. 55 μ m波段。要進(jìn)一步拓展InGaAs/GaAs量子阱、InAs/GaAs量子點(diǎn)的發(fā)光波長(zhǎng)， 必須克服晶格匹配的限制。也就是在GaAs基上實(shí)現(xiàn)禁帶寬度大、晶格常數(shù)大的大In組分 InxGai_xAs異變外延層(外延層厚和In組分大于應(yīng)力釋放臨界值)，使得外延層的晶格常數(shù)從GaAs材料過(guò)渡到IrixGai_xAS材料。這種方案的技術(shù)難點(diǎn)在于如何獲得高平整度、位錯(cuò)缺陷密度小、同時(shí)將失配位錯(cuò)盡量限制在過(guò)渡層之內(nèi)的IrixGai_xAS異變外延層，以最大限度地降低異變層上生長(zhǎng)的量子阱、量子點(diǎn)有源層的位錯(cuò)密度(非輻射復(fù)合中心)。因此，能否在GaAs襯底上獲得高質(zhì)量InxGai_xAs異變層是實(shí)現(xiàn)GaAs基1. 55 μ m波段InGaAs量子阱或 InAs量子點(diǎn)的技術(shù)關(guān)鍵。這種晶格失配InGaAs/GaAs異變材料除了可以應(yīng)用于發(fā)光波長(zhǎng)拓展的長(zhǎng)波長(zhǎng)光通信器件之外，還在近年來(lái)興起的半導(dǎo)體多結(jié)高效太陽(yáng)能電池研究中發(fā)揮關(guān)鍵作用。采用多個(gè)不同禁帶寬度的異質(zhì)結(jié)子電池串聯(lián)結(jié)構(gòu)，分別吸收不同波段太陽(yáng)光譜的多結(jié)太陽(yáng)能電池近年來(lái)發(fā)展迅速，其中采用了 InGaAs異變結(jié)為一節(jié)子電池的三節(jié)太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率已達(dá)到目前最高的35%以上(非聚光條件下)，其InGaAs異變結(jié)材料質(zhì)量是決定性因素之一。因此，InGaAs異變材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)生長(zhǎng)技術(shù)，是各類光通信器件、太陽(yáng)能電池器件等多方面具有非常重要應(yīng)用價(jià)值的關(guān)鍵技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提供一種在襯底上生長(zhǎng)異變緩沖層的方法，該方法可以有效的限制外延層與襯底由于晶格失配產(chǎn)生的位錯(cuò)，減少外延層的缺陷密度，提高外延層質(zhì)量。本發(fā)明提供一種在襯底上生長(zhǎng)異變緩沖層的方法，包括如下步驟
步驟1 取一襯底；步驟2 在襯底上生長(zhǎng)緩沖層；步驟3 在緩沖層上生長(zhǎng)異變緩沖層；步驟4 在異變緩沖層生長(zhǎng)外延層，形成基片；步驟5 對(duì)基片進(jìn)行降溫處理，完成在襯底上生長(zhǎng)異變緩沖層的制備。其中所述的襯底的材料為砷化鎵或磷化銦。其中當(dāng)襯底為砷化鎵時(shí)，緩沖層的材料與襯底的材料相同；當(dāng)襯底為磷化銦時(shí)，緩沖層的材料為磷化銦或與磷化銦晶格匹配的InGaAs。其中異變緩沖層為多周期結(jié)構(gòu)，其周期數(shù)為5-20。其中異變緩沖層的每一周期包括一 InGaAs層和在其上生長(zhǎng)的薄層。其中薄層的材料為砷化鎵或砷化鋁。其中異變緩沖層各周期結(jié)構(gòu)中的InGaAs層的銦組份從下至上遞增，遞增幅度為 0. 02-0. 05，每一周期的生長(zhǎng)溫度為500-350°C，各周期的生長(zhǎng)溫度隨著銦組份的增加而逐漸降低0_15°C。其中InGaAs 層的厚度為 100_300nm。其中薄層的厚度為1. 5_5nm。其中外延層的材料為InGaAs、InAlAs或者InAlGaAs。


為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合實(shí)施例及附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，其中圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式請(qǐng)參閱圖1所示，本發(fā)明提供一種在襯底上生長(zhǎng)異變緩沖層的方法，包括如下步驟步驟1 取一襯底10，所述的襯底10的材料為砷化鎵或磷化銦；步驟2 在襯底10上生長(zhǎng)緩沖層11，其中當(dāng)襯底10為砷化鎵時(shí)，緩沖層11的材料與襯底10的材料相同；當(dāng)襯底10為磷化銦時(shí)，緩沖層11的材料為磷化銦或與磷化銦晶格匹配的InGaAs ；步驟3 在緩沖層11上生長(zhǎng)異變緩沖層12，該異變緩沖層12為多周期結(jié)構(gòu)，其周期數(shù)為5-20，該異變緩沖層12的每一周期包括一 InGaAs層121和在其上生長(zhǎng)的薄層122，該InGaAs層121的厚度為100_300nm， 該薄層122的材料為砷化鎵或砷化鋁，該薄層122的厚度為1. 5-5nm ；其中該異變緩沖層12各周期結(jié)構(gòu)中的InGaAs層121的銦組份從下至上遞增，遞增幅度為0. 02-0. 05，每一周期的生長(zhǎng)溫度為500-350°C，各周期的生長(zhǎng)溫度隨著銦組份的增加而逐漸降低0-15°C，降低InGaAs層121的生長(zhǎng)溫度有利于提高InGaAs層121的表面平整度；
采用分子束外延生長(zhǎng)該異變緩沖層12的過(guò)程中，該異變緩沖層12的每一周期生長(zhǎng)結(jié)束后，生長(zhǎng)停頓5-10分鐘，在該生長(zhǎng)停頓時(shí)間內(nèi)，調(diào)整生長(zhǎng)溫度至下一周期所需要的生長(zhǎng)溫度，調(diào)整銦組份至下一周期中InGaAs層121的銦組份；其中該異變緩沖層12每一周期中薄層122的作用是在生長(zhǎng)停頓之前覆蓋該周期中的InGaAs層121，避免生長(zhǎng)停頓過(guò)程中銦原子從InGaAs層121表面解吸附；其中該異變緩沖層12的周期數(shù)根據(jù)InGaAs層121的銦組份遞增幅度和異變緩沖層12中最后一周期InGaAs層121與第一周期InGaAs層121的銦組份之差來(lái)確定；步驟4 在異變緩沖層12生長(zhǎng)外延層13，形成基片；異變緩沖層12的最后一周期生長(zhǎng)結(jié)束后，生長(zhǎng)停頓5-10分鐘，在該生長(zhǎng)停頓時(shí)間內(nèi)，調(diào)整生長(zhǎng)溫度至外延層13所需要的生長(zhǎng)溫度，調(diào)整銦組份至外延層13的銦組份；外延層13的材料為InGaAs、InAlAs或者InAlGaAs，該外延層13材料的銦組份比異變緩沖層12中最后一周期InGaAs層121的銦組份低0-0. 1 ；異變緩沖層12的作用是過(guò)濾外延層13和襯底10之間因?yàn)榫Ц袷洚a(chǎn)生的位錯(cuò)， 減少外延層13材料中的位錯(cuò)密度、提高外延層13材料的晶體質(zhì)量。該基片可以用來(lái)生長(zhǎng)和制備與外延層13材料晶格匹配的材料及器件。步驟5 對(duì)基片進(jìn)行降溫處理，完成在襯底上生長(zhǎng)異變緩沖層的制備。實(shí)例請(qǐng)?jiān)賲㈤唸D1所示，本發(fā)明提供一種在襯底上生長(zhǎng)異變緩沖層的方法，包括如下步驟步驟1 取一襯底10，所述的襯底10的材料為砷化鎵；步驟2 在襯底10上生長(zhǎng)緩沖層11，其中襯底10為砷化鎵，緩沖層11的材料與襯底10的材料相同；步驟3 在緩沖層11上生長(zhǎng)異變緩沖層12，該異變緩沖層12為多周期結(jié)構(gòu)，其周期數(shù)為10，該異變緩沖層12的每一周期包括一 InGaAs層121和在其上生長(zhǎng)的薄層122，該異變緩沖層12的最上面一層再生長(zhǎng)一層InGaAs層121，該InGaAs層121的厚度為200nm，該薄層122的材料為砷化鋁，該AlAs 薄層122的厚度為2nm ；其中該異變緩沖層12各周期結(jié)構(gòu)中的InGaAs層121的銦組份從下至上遞增，遞增幅度為0. 02，每一周期的生長(zhǎng)溫度為500-350°C，各周期的生長(zhǎng)溫度隨著銦組份的增加而逐漸降低0-15°C ；步驟4 在異變緩沖層12生長(zhǎng)外延層13，形成基片；步驟5 對(duì)基片進(jìn)行降溫處理，完成在襯底上生長(zhǎng)異變緩沖層的制備。以上所述的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種在襯底上生長(zhǎng)異變緩沖層的方法，包括如下步驟步驟1 取一襯底；步驟2 在襯底上生長(zhǎng)緩沖層；步驟3 在緩沖層上生長(zhǎng)異變緩沖層；步驟4 在異變緩沖層生長(zhǎng)外延層，形成基片；步驟5 對(duì)基片進(jìn)行降溫處理，完成在襯底上生長(zhǎng)異變緩沖層的制備。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在襯底上生長(zhǎng)異變緩沖層的方法，其中所述的襯底的材料為砷化鎵或磷化銦。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在襯底上生長(zhǎng)異變緩沖層的方法，其中當(dāng)襯底為砷化鎵時(shí)， 緩沖層的材料與襯底的材料相同；當(dāng)襯底為磷化銦時(shí)，緩沖層的材料為磷化銦或與磷化銦晶格匹配的InGaAs。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在襯底上生長(zhǎng)異變緩沖層的方法，其中異變緩沖層為多周期結(jié)構(gòu)，其周期數(shù)為5-20。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在襯底上生長(zhǎng)異變緩沖層的方法，其中異變緩沖層的每一周期包括一 InGaAs層和在其上生長(zhǎng)的薄層。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在襯底上生長(zhǎng)異變緩沖層的方法，其中薄層的材料為砷化鎵或砷化鋁。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在襯底上生長(zhǎng)異變緩沖層的方法，其中異變緩沖層各周期結(jié)構(gòu)中的InGaAs層的銦組份從下至上遞增，遞增幅度為0. 02-0. 05，每一周期的生長(zhǎng)溫度為 500-350°C，各周期的生長(zhǎng)溫度隨著銦組份的增加而逐漸降低0-15°C。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在襯底上生長(zhǎng)異變緩沖層的方法，其中InGaAs層的厚度為 100-300nm。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在襯底上生長(zhǎng)異變緩沖層的方法，其中薄層的厚度為 1. 5_5nm0
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在襯底上生長(zhǎng)異變緩沖層的方法，其中外延層的材料為 InGaAs、InAlAs 或者 InAlGaAs0
全文摘要
一種在襯底上生長(zhǎng)異變緩沖層的方法，包括如下步驟步驟1取一襯底；步驟2在襯底上生長(zhǎng)緩沖層；步驟3在緩沖層上生長(zhǎng)異變緩沖層；步驟4在異變緩沖層生長(zhǎng)外延層，形成基片；步驟5對(duì)基片進(jìn)行降溫處理，完成在襯底上生長(zhǎng)異變緩沖層的制備。
文檔編號(hào)H01L21/20GK102194671SQ201110121899
公開日2011年9月21日 申請(qǐng)日期2011年5月11日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月11日
發(fā)明者倪海橋, 喻穎, 尚向軍, 徐應(yīng)強(qiáng), 朱巖, 李密峰, 牛智川, 王海莉, 王莉娟, 賀正宏, 賀繼方 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所