CN102226295A

CN102226295A - 一种四元化合物分子束外延组分控制参数设计的方法

Info

Publication number: CN102226295A
Application number: CN 201110126889
Authority: CN
Inventors: 顾溢; 张永刚; 王凯
Original assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Priority date: 2011-05-17
Filing date: 2011-05-17
Publication date: 2011-10-26

Abstract

本发明涉及一种四元化合物分子束外延组分控制参数设计的方法，包括：(1)利用标定生长试验获得四元化合物材料组分与束源束流强度的关系式；(2)根据组分与束源束流强度的关系来设计生长所需组分材料的生长参数。本发明为分子束外延生长四元化合物半导体的组分调节提供了依据，方便地设计生长参数，实现对包含三种同族元素的四元化合物半导体组分的精确控制，提高新组分外延材料生长的效率。本发明适合于不同的材料体系，具有很好的通用性。

Description

一种四元化合物分子束外延组分控制参数设计的方法

技术领域

本发明属分子束外延组分控制参数设计技术领域，特别是涉及一种四元化合物分子束外延组分控制参数设计的方法。

背景技术

四元化合物半导体材料相对二元和三元材料可以提供更灵活的材料参数调节范围，所以在半导体光电子及微电子器件中都有着广泛的应用。四元化合物半导体可分为两种类型，第一种是A_xB_yC_zD型(A、B、C为同族元素，D为不同族元素，0＜x＜1，0＜y＜1，0＜z＜1，x+y+z＝1)，对于III-V族化合物半导体可表示为A^III _xB^III _yC^III _zD^V或D^IIIA^V _xB^V _yC^V _z，其中A^III、B^III、C^III、D^III代表III族元素，A^V、B^V、C^V、D^V代表V族元素，典型的此类四元半导体包括III-V族的In_xAl_yGa_zAs、InAs_xP_ySb_z和II-VI族的Hg_xCd_yZn_zTe等；第二种是A_xB_1-xC_yD_1-y型(A和B为同族元素，C和D为另一族元素，0＜x＜1，0＜y＜1)，例如III-V族的In_xGa_1-xAs_yP_1-y和II-VI族的Cd_xZn_1-xSe_yTe_1-y等。四元化合物半导体材料的生长过程相对二元和三元材料会引入更多的新问题，比如在生长四元化合物半导体时元素组分的精确控制具有更大的难度，而组分控制的不准确将会影响材料的晶格质量和光学电学特性，从而进一步影响器件的光学和电学性能。上述两种四元化合物半导体中，A_xB_yC_zD型半导体由于同时具有三种同族元素，其生长时的组分控制相对A_xB_1-xC_yD_1-y型难度更大。

在生长三元化合物半导体时的组分调节一般为，在生长后采用X射线衍射测试三元化合物半导体材料的组分，当测试得出的组分与预期的组分不一致时可以再改变生长参数，最终使生长材料的组分与预期的组分一致。对于外延层与衬底失配不大的特殊情况一种可行的方法是，根据二元系半导体的生长速率来设计三元系组分，例如需要在GaAs衬底上生长速率为1μm/h的Al_0.2Ga_0.8As，可以采用在GaAs衬底上生长速率分别为0.2μm/h的AlAs和0.8μm/h的GaAs的生长条件。

类似地，在生长四元化合物半导体材料时，可以在材料生长后结合X射线衍射和光致发光测试获得四元半导体材料的组分，再改变生长参数调整组分，以获得生长所需组分材料的生长参数。然而，对于包含三种同族元素的四元化合物半导体材料而言，在外延新组分材料时，如果只是漫无方向无规律地改变束源炉温度、束流强度等生长参数来调节元素组分，调节效率将非常低，在时间和资源上都很浪费。例如，对于在InP衬底上生长In_xAl_yGa_1-x-yAs材料，如In_0.5Al_0.2Ga_0.3As材料，而测得条件实验所生长材料的组分为In_0.5Al_0.3Ga_0.2As，则需要增加Al束源的束流强度而降低Ga的束流强度，但是具体增加或降低多少则没有定量的依据。所以，非常必要寻求一个在通过改变束流强度等生长参数来调节组分时候的定量依据，以提供一种更准确和经济的方案，从而更高效地实现包含三种同族元素的四元系化合物半导体组分的精确调节与生长条件的精确设计。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种四元化合物分子束外延组分控制参数设计的方法，该方法为分子束外延生长包含三种同族元素四元化合物半导体的组分调节提供了科学依据，方便地设计生长参数，从而实现对四元化合物半导体组分的精确控制，提高材料生长的效率。

本发明的一种四元化合物分子束外延组分控制参数设计的方法，包括：

(1)利用标定生长试验获得四元化合物材料组分与束源束流强度的关系式；

(2)根据组分与束源束流强度的关系来设计生长所需组分材料的生长参数。

所述的四元化合物为包含三种同族元素的四元化合物半导体，用A_xB_yC_zD表示，其中A、B、C为同族元素，D为不同族元素，0＜x＜1，0＜y＜1，0＜z＜1，x+y+z＝1。对于III-V族化合物半导体可表示为A^III _xB^III _yC^III _zD^V或D^IIIA^V _xB^V _yC^V _z，其中A^III、B^III、C^III、D^III代表III族元素，A^V、B^V、C^V、D^V代表V族元素。

所述的标定生长试验为生长包含两种同族元素的三元化合物，然后利用X射线衍射仪测试其组分。

所述两种同族元素的三元化合物分别为In_0.52Al_0.48As和In_0.53Ga_0.47As、或InAs_0.91Sb_0.09和InP_0.64Sb_0.36。

所述的束源束流强度采用束流规测量获得。

所述的生长参数包括束源束流强度和束源炉温度等。

所述的标定生长试验获得四元化合物半导体材料组分与束源束流强度的关系式的具体方法如下：

(1)生长包含两种同族元素的三元化合物，记录生长条件下的束源炉束流强度，利用X射线衍射仪测试其组分；

(2)将包含两种同族元素的三元化合物组分与束流强度值代入下述公式，计算获得b/a与c/a的数值。

x = \frac{a \cdot f_{A}}{a \cdot f_{A} + b \cdot f_{B} + c \cdot f_{C}},

y = \frac{b \cdot f_{B}}{a \cdot f_{A} + b \cdot f_{B} + c \cdot f_{C}},

z = \frac{c \cdot f_{C}}{a \cdot f_{A} + b \cdot f_{B} + c \cdot f_{C}}

其中x、y和z分别为A_xB_yC_zD材料中A、B和C元素的组分，f_A、f_B和f_C分别为A、B和C束源的束流强度，a、b和c为常数。

所述的根据组分与束源束流强度的关系来设计生长所需组分材料的生长参数为，将所需生长A_xB_yC_zD材料的组分代入上述公式，算得A、B、C三个束源束流强度的相互比值f_B/f_A和f_C/f_A，从而确定生长该组分A_xB_yC_zD材料的生长参数。

有益效果

本发明提供的方法为分子束外延生长包含三种同族元素四元化合物半导体的组分调节提供了科学依据，方便地设计生长参数，从而实现对四元化合物半导体组分的精确控制，提高材料生长的效率。

附图说明

图1是本发明提供的一种用于四元化合物分子束外延组分控制参数设计的方法的示意图；

图2是本发明实施例1提供的参数设计的方法的示意图；

图3是本发明实施例2提供的参数设计的方法的示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

实施例1

一种InAlGaAs四元化合物材料分子束外延组分控制参数设计和实现方法

(1)需要用分子束外延在InP衬底上生长包含三种III族元素的In_0.5Al_0.2Ga_0.3As材料(以此材料和组分为例，其他材料和组分可类推)；

(2)采用常规分子束外延方法在InP衬底上生长晶格匹配的In_0.52Al_0.48As和In_0.53Ga_0.47As样品，用X射线衍射仪测试其组分，用束流规记录下生长时的各束源炉束流强度；

(3)将生长In_0.52Al_0.48As和In_0.53Ga_0.47As样品时候的束流强度数据代入下述公式，计算得出b/a与c/a的数值。

x = \frac{a \cdot f_{In}}{a \cdot f_{In} + b \cdot f_{Al} + c \cdot f_{Ga}},

y = \frac{b \cdot f_{Al}}{a \cdot f_{In} + b \cdot f_{Al} + c \cdot f_{Ga}},

z = \frac{c \cdot f_{Ga}}{a \cdot f_{In} + b \cdot f_{Al} + c \cdot f_{Ga}}

其中x、y和z分别为In_xAl_yGa_zAs材料中In、Al和Ga的组分，f_In、f_Al和f_Ga分别为In、Al和Ga束源炉的束流强度，a、b和c为常数。

(4)将所需生长In_0.5Al_0.2Ga_0.3As材料的组分代入公式，即此时x＝0.5，y＝0.2，z＝0.3

x = \frac{1}{1 + (b / a) \cdot (f_{Al} / f_{In}) + (c / a) \cdot (f_{Ga} / f_{In})} = 0.5,

y = \frac{(b / a) \cdot (f_{Al} / f_{In})}{1 + (b / a) \cdot (f_{Al} / f_{In}) + (c / a) \cdot (f_{Ga} / f_{In})} = 0.2,

z = \frac{(c / a) \cdot (f_{Ga} / f_{In})}{1 + (b / a) \cdot (f_{Al} / f_{In}) + (c / a) \cdot (f_{Ga} / f_{In})} = 0.3

算得In、Al和Ga三个III族束源束流强度的相互比值f_Al/f_In和f_Ga/f_In，再根据生长速率选取确定f_In、f_Al和f_Ga的数值，并确定对应的In、Al和Ga束源炉温度。

实施例2

一种InAsPSb四元化合物材料分子束外延组分控制参数设计和实现方法

(1)需要用分子束外延在GaSb衬底上生长包含三种III族元素的InAs_0.8P_0.1Sb_0.1材料(以此材料和组分为例，其他材料和组分可类推)；

(2)采用常规分子束外延方法在GaSb衬底上生长晶格匹配的InAs_0.91Sb_0.09和InP_0.54Sb_0.36样品，所有束源均采用固态源，生长后用X射线衍射仪测试其组分，用束流规记录下生长时的各束源炉束流强度；

(3)将生长InAs_0.91Sb_0.09和InP_0.64Sb_0.36样品时候的束流强度数据代入下述公式，计算得出b/a与c/a的数值。

x = \frac{a \cdot f_{As}}{a \cdot f_{As} + b \cdot f_{P} + c \cdot f_{Sb}},

y = \frac{b \cdot f_{P}}{a \cdot f_{As} + b \cdot f_{P} + c \cdot f_{Sb}},

z = \frac{c \cdot f_{Sb}}{a \cdot f_{As} + b \cdot f_{P} + c \cdot f_{Sb}}

其中x、y和z分别为InAs_xP_ySb_0.1材料中As、P和Sb的组分，f_As、f_P和f_Sb分别为As、P和Sb固态束源的束流强度，a、b和c为常数。

(4)将所需生长InAs_0.8P_0.1Sb_0.1材料的组分代入公式，即此时x＝0.8，y＝0.1，z＝0.1

x = \frac{1}{1 + (b / a) \cdot (f_{P} / f_{As}) + (c / a) \cdot (f_{Sb} / f_{As})} = 0.8,

y = \frac{(b / a) \cdot (f_{P} / f_{As})}{1 + (b / a) \cdot (f_{P} / f_{As}) + (c / a) \cdot (f_{Sb} / f_{As})} = 0.1,

z = \frac{(c / a) \cdot (f_{Sb} / f_{As})}{1 + (b / a) \cdot (f_{P} / f_{As}) + (c / a) \cdot (f_{Sb} / f_{As})} = 0.1

算得As、P和Sb三个V族固态束源束流强度的相互比值f_P/f_As和f_Sb/f_As，再确定对应的As、P和Sb束源炉的温度。

Claims

1.一种四元化合物分子束外延组分控制参数设计的方法，包括：

(2)根据上述组分与束源束流强度的关系来设计生长所需组分材料的生长参数。

2.根据权利要求1所述的一种四元化合物分子束外延组分控制参数设计的方法，其特征在于：所述的四元化合物为包含三种同族元素的四元化合物半导体，用A_xB_yC_zD表示，其中A、B、C为同族元素，D为不同族元素，0＜x＜1，0＜y＜1，0＜z＜1，x+y+z＝1。

3.根据权利要求2所述的一种四元化合物分子束外延组分控制参数设计的方法，其特征在于：对于III-V族化合物半导体表示为A^III _xB^III _yC^III _zD^V或D^IIIA^V _xB^V _yC^V _z，其中A^III、B^III、C^III、D^III代表III族元素，A^V、B^V、C^V、D^V代表V族元素。

4.根据权利要求1所述的一种四元化合物分子束外延组分控制参数设计的方法，其特征在于：所述的标定生长试验包含两种同族元素的三元化合物，利用X射线衍射仪测试其组分。

5.根据权利要求4所述的一种四元化合物分子束外延组分控制参数设计的方法，其特征在于：所述两种同族元素的三元化合物分别为In_0.52Al_0.48As和In_0.53Ga_0.47As、或InAs_0.91Sb_0.09和InP_0.64Sb_0.36。

6.根据权利要求1所述的一种四元化合物分子束外延组分控制参数设计的方法，其特征在于：所述的束源束流强度采用束流规测量获得。

7.根据权利要求1所述的一种四元化合物分子束外延组分控制参数设计的方法，其特征在于：所述的标定生长试验获得四元化合物半导体材料组分与束源束流强度的关系式的具体方法如下：

(2)将包含两种同族元素的三元化合物组分与束流强度值代入下述公式，计算获得b/a与c/a的数值；

x = \frac{a \cdot f_{A}}{a \cdot f_{A} + b \cdot f_{B} + c \cdot f_{C}},

y = \frac{b \cdot f_{B}}{a \cdot f_{A} + b \cdot f_{B} + c \cdot f_{C}},

z = \frac{c \cdot f_{C}}{a \cdot f_{A} + b \cdot f_{B} + c \cdot f_{C}}

其中x、y和z分别为A_xB_yC_zD材料中A、B和C元素的组分，0＜x＜1，0＜y＜1，0＜z＜1，x+y+z＝1，f_A、f_B和f_C分别为A、B和C束源的束流强度，a、b和c为常数。

8.根据权利要求1所述的一种四元化合物分子束外延组分控制参数设计的方法，其特征在于：所述的根据组分与束源束流强度的关系来设计生长所需组分材料的生长参数为，

x = \frac{a \cdot f_{A}}{a \cdot f_{A} + b \cdot f_{B} + c \cdot f_{C}},

将所需生长A_xB_yC_zD材料的组分代入

算得A、B、C三个束源

z = \frac{c \cdot f_{C}}{a \cdot f_{A} + b \cdot f_{B} + c \cdot f_{C}}

束流强度的相互比值f_B/f_A和f_C/f_A，从而确定生长该组分A_xB_yC_zD材料的生长参数。