[发明专利]一种啁啾数字递变结构的低缺陷异变缓冲层

说明书

技术领域

本发明属于半导体材料领域，特别涉及一种啁啾数字递变结构的低缺陷异变缓冲层。

背景技术

半导体异质外延生长技术发展于50年代末60年代初，是一种伴随着半导体真空外延设备的发展而发展起来的一种获取高质量半导体单晶的材料制备技术。它是指在半导体单晶衬底上按照衬底晶向生长出与衬底材料不同的半导体单晶薄膜的工艺过程。异质外延生长的单晶层的材料、导电类型、电阻率等均可以与衬底不同，还可以生长出不同厚度和不同要求的多层异质单晶材料，从而大大提高了器件设计的灵活性和器件的性能。根据工艺的不同可以分为气相外延(VPE)、液相外延(LPE)和固相外延(SPE)。目前常用的外延生长设备包括分子束外延系统(MBE)、金属有机物化学气相沉积(MOCVD)、化学束外延(CBE)等。

异质外延生长通常要求外延层薄膜与衬底材料之间晶格参数相匹配，即晶格常数和晶格结构相同，以避免因晶格失配而引起的外延层中缺陷增多和应力增大的问题。此外还要求外延薄膜与衬底之间具有相近的热膨胀系数，以避免外延层由生长温度冷却至室温的过程中产生残余热应力和位错。在实际外延生长中，受限于高质量衬底材料的品种，如Si、InP、GaAs、GaSb、ZnSe等，只有与这些衬底晶格匹配的材料才能通过外延生长获得。这大大限制了异质外延的应用范围，进而也限制了半导体器件结构的设计和制造。通过使用组分递变的缓冲层(又称异变缓冲层)，则可以在某一衬底上制备出与之晶格常数不同的虚拟衬底，且虚拟衬底的晶格常数可以通过控制缓冲层的元素组分来自由调控，在虚拟衬底之上可以继续外延生长器件功能层材料。如在InP衬底上，通过生长异变In_xAl_1-xAs或者InAs_xP_1-x缓冲层，可以实现晶格常数大于InP的虚拟衬底，进而制备出晶格失配的高In组分In_xGa_1-xAs激光器和光电探测器等。这种异变缓冲层技术极大地提高了异质外延材料制备的自由度，解除了衬底晶格匹配这一根本限制。

然而，在异变缓冲层的生长过程中，因晶格常数变化所产生的应变将逐渐积累，并不可避免地以产生失配位错缺陷的形式逐渐弛豫。在一定厚度的异变缓冲层生长完毕后，所获得的虚拟衬底表面仍然有残余应变和缺陷，从而降低了虚拟衬底本身及后续的器件层材料的晶体质量，对器件性能产生不利影响。

为了改善缓冲层质量，提升器件性能，研究人员相继提出了一系列改进的异变缓冲层结构，如线性递变(Kidd等人，Journal of Crystal Growth 169(1996)649-659)、非线性递变(Kujofsa等人，J.Vac.Sci.Technol.B 33(2015)052206)、梯度阶跃递变(Du等人，Journal of Crystal Growth 440(2016)1-5)、插入超晶格(Gu等人，Japanese Journal of Applied Physics 51(2012)080205)等，并分别在一定程度上实现了对缺陷和残余应变的抑制。这些已公开的异变缓冲层生长方法均是基于材料组分递变而现的。在组分递变的过程中，应变弛豫所产生的60°、90°失配位错缺陷、滑移位错缺陷等都将不可避免地沿着生长方向传递，并最终导致缓冲层表面仍然存在较高的缺陷密度。尽管插入超晶格的方式预期会起到部分阻挡缺陷传递的效果，但从所报道的实际器件结果来看效果并不明显。在缓冲层的生长过程中，主动引入更多的异质界面会起到阻挡缺陷传递和促进应变弛豫的作用。而这种界面的引入必须与缓冲层本身的设计巧妙配合起来，才能真正起到效果。此外，在某些特定的器件结构中，需要过渡的两层材料之间，不仅晶格常数不同，材料元素种类也不同，材料之间存在能带带阶，这种情况下，异变缓冲层既需要实现对晶格的过渡，又需要同时实现对能带的平滑过渡。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种啁啾数字递变结构的低缺陷异变缓冲层，该缓冲层利用啁啾数字递变的周期性界面对位错缺陷传递的阻挡效应，实现异变缓冲层表面附近缺陷密度的显著降低，材料结晶质量显著提高，且具有可同时实现晶格和能带双过渡的功能；有望广泛应用于提升Si、GaAs、InP、GaSb等衬底上的异质失配结构激光器、探测器的器件性能。