[发明专利]一种采用界面失配阵列技术在GaAs衬底上生长GaSb的方法

说明书

本发明是一种采用界面失配阵列技术在GaAs衬底上生长GaSb的方法。在GaAs衬底上，生长在GaSb，明亮的AlSb垒层及夹于其间的InAs/GaSb量子阱清晰可见、各材料层间界面突变明显、结构中没有缺陷和位错出现，表明了极高的材料结构质量。

技术领域

本发明是一种采用界面失配阵列技术在GaAs衬底上生长GaSb的方法，属于半导体材料外延生长制造领域。

背景技术

锑化合物半导体材料(InAs、InSb、GaSb、AlSb及相关化合物)不但具有宽范围可变的能量带隙和带隙差，而且具有很高的电子迁移率。这些特点使得这一材料体系非常适用于制备高速和低功耗电子器件以及中红外光源。它们组合形成的异质结构通常采用分子束外延(MBE)或金属有机物汽相外延设备(MOCVD)生长在GaSb或InAs衬底上。然而，这类衬底对商用而言，存在着尺寸较小、价格昂贵、没有半绝缘衬底的问题。另外，这类衬底材料较低的热导率也不利于制备高功率器件。

基于上述这些因素，在过去的很长一段时间，人们都在关注如何在其它替代衬底(GaAs 或Si)上外延生长锑化物材料。能够在GaAs或Si上生长锑化物材料不但可以解决采用GaSb 或InAs衬底带来的问题，而且也可以为光电子器件集成提供可能型。然而，锑化物外延材料层与GaAs或Si衬底之间较大的晶格常数差(7-8％晶格失配)导致在外延材料层中形成高密度线位错，不利于制备高性能器件。

为了克服这一问题，人们采用各种方法尝试减小线位错密度，这包括采用低温生长缓冲层、组分渐变缓冲层、AlSb过渡层和界面失配阵列(Interfacial misfit array；IMF)技术等。这其中IMF技术在应力释放和减小线位错密度方面效果非常显著。它通过在GaAs和GaSb界面处形成90°纯边位错周期阵列有效地在几个分子单层的界面层上释放超过98％的应力，因而降低引起线位错的60°位错产生的几率，从而导致形成低位错密度外延层，进而使得在GaAs 衬底上制备高性能Sb化物器件成为可能。尽管IMF技术对外延锑化物材料层质量提高效果显著，但迄今为止关于研究采用这种技术生长锑化物材料的生长优化条件的报道却相对较少。

发明内容

本发明采用界面失配阵列技术，提供一种在GaAs衬底上生长GaSb的方法。本发明采用实验中的所有样品采用装配了Ga、In、Al、裂解As和裂解Sb源的超高真空分子束外延系统生长在2英寸双面抛光(100)取向的GaAs衬底上。采用红外测温仪对样品生长温度进行测量监控，并通过GaAs衬底表面脱氧化层温度及515℃附近表面再构从(2x4)到c(4x4)转变点进行校准。由于增加的红外辐射吸收，在保持衬底热偶温度不变的条件下，GaAs衬底上生长窄带隙GaSb材料会引起显著的衬底温度升高。特别值得指出的是，这种现象在GaSb材料层生长的起始阶段非常明显。锑化物材料质量对衬底生长温度非常敏感。为了获得高质量外延锑化物材料层，需要红外测温仪测量得到的实际衬底温度保持相对稳定。在这种情况下，衬底加热器的热偶温度在GaSb材料层的生长过程中就需要不断调整降低直到实际衬底温度达到稳定。

这种衬底加热器热偶温度的降低调整对于在半绝缘GaAs衬底上生长GaSb而言可能高达 80℃，而对于N型掺杂GaAs衬底上生长GaSb而言一般不超过30℃，并且实际衬底温度可以很快达到稳定。为了避免半绝缘GaAs衬底上急剧的温度变化可能导致的对锑化物材料质量的影响，在实验中主要采用N型掺杂GaAs衬底。生长过程中，采用裂解As₂和Sb₂作为五族束流源，将GaSb和AlSb的生长速率分别固定在0.5微米/小时和0.16微米/小时，通过变化生长温度、Sb:Ga等效原子通量比、AlSb过渡层厚度和GaSb层厚度来优化生长条件。生长条件优化值由三轴高分辨率x射线衍射(HRXRD)测量样品结构质量决定。