[发明专利]一种在砷化镓衬底上外延生长锑化镓的方法

说明书

技术领域

本发明涉及锑化镓(GaSb)晶体外延生长技术领域，尤其涉及一种采用双缓冲层生长工艺在砷化镓(GaAs)衬底上外延生长GaSb的方法。

背景技术

GaSb基半导体材料(晶格常数为6.1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单晶片已商品化，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。

而锑化铝(AlSb)缓冲层的作用是：(1)充当表面活化剂，降低了衬底与外延层之间的界面自由能，(2)充当了一个虑板的作用，抑制了位错的繁殖，这与生长氮化镓(GaN)时用氮化铝(AlN)做缓冲层有相似的道理。

因此，如何改变单缓冲层工艺，使其促进外延层二维生长的特性，从而提高外延层的晶体质量和表面平整度，是在GaAs衬底上生长出优质GaSb层的前提。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种在GaAs衬底上外延生长GaSb的方法，以提高外延层的晶体质量和表面平整度。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种在砷化镓GaAs衬底上外延生长锑化镓GaSb的方法，该方法采用双缓冲层生长工艺，具体包括：

A、在580℃条件下在GaAs衬底上生长GaAs缓冲层；

B、在550℃条件下在生长的GaAs缓冲层上生长锑化铝AlSb缓冲层；

C、在400至500℃条件下在生长的AlSb缓冲层上生长GaSb外延层。

所述步骤A之前进一步包括：

将清洗好的GaAs衬底放在分子束外延MBE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℃。

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5×10^-9mbar；

所述MBE生长室在GaAs和AlSb缓冲层生长过程中，生长室压力处在5×10^-8mbar范围；

所述MBE生长室在GaSb外延层生长时，生长室压力处在8×10^-8mbar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。

所述步骤B包括：关闭Ga源炉快门，将GaAs衬底温度降为550℃，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Al源在AlSb缓冲层生长时的温度为1180℃。

所述AlSb缓冲层在生长时的Al/Sb束流比为6，生长时间为12分钟，生长厚度为100nm。

所述步骤C包括：关闭Al源炉快门，将GaAs衬底温度降到400至500℃，开启Ga源炉快门，在AlSb缓冲层上生长GaSb外延层。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

1、利用本发明，将单缓冲层工艺改变为双缓冲层工艺，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，最后在生长的AlSb缓冲层上生长GaSb外延层，使其促进外延层二维生长的特性，从而有效提高了GaSb外延层的晶体质量和表面平整度。