[发明专利]一种基于气态源分子束外延的大失配InGaAs材料生长方法

说明书

本发明公开了一种基于气态源分子束外延的大失配InGaAs材料生长方法，在失配衬底上覆盖多层石墨烯，放入气态源分子束外延系统生长室中升至高温，将砷烷经过高温裂解后通至生长室维持30分钟，然后降温至生长所需的温度，打开铟和镓束源炉快门，生长InGaAs材料。此生长方法利用了气态源分子束外延的特点，可以不受InGaAs材料与衬底晶格失配的影响，突破衬底的限制。本发明还可以推广到其他的III‑V族砷化物和磷化物失配材料的生长，具有很好的通用性。

技术领域

本发明属于半导体材料生长领域，特别涉及一种基于气态源分子束外延的大失配InGaAs材料生长方法。

背景技术

三元系III-V族InGaAs材料在探测器、激光器、调制器等光电子器件以及高电子迁移率晶体管、高迁移率金属氧化物半导体场效应晶体管微电子器件中有广泛的应用。InGaAs材料是由二元材料InAs和GaAs组成的,InAs与GaAs都是直接带隙半导体，且均为闪锌矿结构，组成的InGaAs材料也是直接带隙半导体，当In组分不同时，InGaAs材料的禁带宽度在0.35-1.43eV内变化。当InGaAs材料中的In组分为0.53时，In_0.53Ga_0.47As材料和InP衬底晶格匹配；当In组分大于0.53时，InGaAs材料相对InP衬底为晶格正失配；当In组分小于0.53时，InGaAs材料相对InP衬底为晶格负失配，相对另一种衬底GaAs衬底则是晶格正失配。

由于InGaAs材料特殊的物理性质，不同组分的InGaAs在许多不同领域都具有相应的应用，但是衬底的选择是有限的。所以在很多时候所生长的InGaAs材料与衬底是晶格失配的。例如，1-3微米短波红外波段包含了丰富的光谱学特征和大气透过性，从而在红外遥感等领域具有众多应用。利用水汽在该波段中不同波长处的吸收及透过特征，可以对含水汽的目标如冰云、卷云等进行有效地判别；利用CO₂在1.6微米和2.1微米附近显著的水汽吸收但强度上有数量级差别这个特点，可以有效地进行温室效应气体的分布成像，并可以通过CO₂在这两个波长附近吸收强度的差别，可以得到温室效应气体在不同高度上的纵向分布信息。与InP衬底晶格匹配时，由InGaAs材料制备的探测器截止波长只有1.7微米。但是，很多红外遥感方面的应用需要InGaAs探测器的截止波长大于1.7微米，这时可以通过增加In组分的方法进行波长扩展，如：In的组分由0.53增加至0.83时，相应的截止波长可由1.7微米扩展至2.5微米。伴随着截止波长的扩展同时也带来与InGaAs材料与衬底之间的晶格失配。这种晶格失配会在InGaAs材料中产生很多位错，降低材料质量，也会大大影响波长扩展InGaAs探测器的器件性能。现在常用的减少位错的方法是在衬底和晶格失配的InGaAs材料之间引入合适的缓冲结构来进行有效地过渡，减少向上延伸的位错，但是在失配衬底上生长的InGaAs材料中仍然会包含较多的位错。所以，迫切地需要寻求新方法生长高质量大失配InGaAs材料。

对于另一种常用的III-V族材料GaN而言，通过在失配衬底上以石墨烯为中间层然后生长GaN材料的方法，可以获得较好材料质量的GaN材料，并且已经制备了高性能的发光二极管。然而，GaN材料与其他III-V族材料有一个本质的区别，GaN中的N原子具有很高的吸附能和迁移能。所以N可以在石墨烯二维材料上成核，从而生长GaN。对于砷化物来说，由于As原子的吸附能和迁移能均远低于N原子，难以在常规石墨烯上成核，所以采用传统方法不能在石墨烯上生长出单晶砷化物，必须发明新方法才能进行生长。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于气态源分子束外延的大失配InGaAs材料生长方法，利用气态源分子束外延的特点，对多层石墨烯进行高温、H₂和As₂气氛预处理，从而在多层石墨烯上产生As成核层，由此进行大失配InGaAs材料的生长。包括如下步骤：

(1)在失配衬底上通过生长或转移的方法覆盖3-30层石墨烯；