CN102543693B - 锗基赝砷化镓衬底的制备方法 - Google Patents

Abstract

一种锗基赝砷化镓衬底的制备方法，包括以下步骤：步骤1：清洗锗衬底，放入MOCVD设备的反应室；步骤2：采用700℃高温处理锗衬底；步骤3：采用MOCVD的方法，在锗衬底上外延生长缓冲层；步骤4：在缓冲层上，生长赝GaAs层，完成材料的制备。其是通过MOCVD外延技术并结合改变原料的低温缓冲层外延与锗匹配的赝砷化镓层，抑制了GaAs/Si界面失配位错和APD向外延层的延伸；低生长速率的控制可以有效地控制缺陷，从而得到高质量的锗基赝砷化镓材料。

Description

锗基赝砷化镓衬底的制备方法

技术领域

本发明涉及利用MOCVD外延、低温缓冲层技术来生长与锗晶格匹配的赝砷化镓衬底的制备方法。

背景技术

锗基III-V族化合物半导体材料的制备开始于上世纪80年代，并且一直是异质外延的重点和难点。因为锗的机械强度高、价格低、工艺成熟、高效率/质量比等优点，GaAs/Ge的外延主要是针对太阳能电池为目标。然而，由于砷化镓与锗材料较小的晶格失配(大约-0.08％)和较小的热膨胀系数差(锗5×10^-6K^-1砷化镓5.75×10^-6K^-1)，进入21世纪以来，随着微电子和光电子产业的发展，以Ge作为缓冲层制备高质量的硅基III-V族化合物半导体材料变得尤为重要。

根据国际半导体产业技术发展蓝图(ITRS2009)的预测，2012年MPU的物理栅长将缩小到22纳米。然而，随着集成电路技术发展到22纳米技术节点及以下时，硅集成电路技术在速度、功耗、集成度、可靠性等方面将受到一系列基本物理问题和工艺技术问题的限制，并且昂贵的生产线建设和制造成本使集成电路产业面临巨大的投资风险，传统的硅CMOS技术采用“缩小尺寸”来实现更小、更快、更廉价的逻辑与存储器件的发展模式已经难以持续。因此，ITRS清楚地指出，“后22纳米”CMOS技术将采用全新的材料、器件结构和集成技术，集成电路技术将在“后22纳米”时代面临重大技术跨越及转型。

III-V族半导体的电子迁移率远大于硅(GaAs、InAs的电子迁移率分别可达到9000cm²/(V·s)、40000cm²/(V·s)，而硅的只有1300cm²/(V·s))，它们在低场和高场下都具有优异的电子输运性能，是超高速、低功耗nMOS的理想沟道材料。为了应对集成电路技术所面临的严峻挑战，采用与硅工艺兼容的高迁移率III-V族半导体材料代替硅沟道，以大幅提高逻辑电路的开关速度并实现低功耗工作研究已成为近期全球微电子领域的前言和热点。

同时，硅材料作为微电子技术的基础，是最为广泛研究的半导体材料；硅加工技术的成熟程度远高于III-V族化合物半导体材料。然而，硅基发光问题一直没有得到很好地解决。考虑到基于GaAs、InP衬底的成熟的光电子技术，硅基III-V族化合物半导体激光器的制备是解决硅基光互连问题的一个可行性方案。

在Si衬底上外延高质量的III-V族半导体材料是制备Si基微电子器件和发光器件的前提。GaAs是研究较为成熟的III-V族材料，本方法采用GaAs作为III-V的代表来研究外延问题。Si和GaAs的晶格适配较大(4.1％)，热失配较大(Si和GaAs的热膨胀系数分别为2.59×10^-6K^-1，5.75×10^-6K^-1)，因此在异质外延时会产生大量的位错。这样需用Ge作为缓冲层是解决GaAs/Si外延的一个有效途径。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种锗基赝砷化镓衬底的制备方法，该方法可制备高质量锗基赝砷化镓材料，为Si基GaAs器件奠定衬底基础，特别是高迁移微电子器件和解决硅基发光提供了一种可行方案。该方法通过MOCVD外延技术并结合改变原料的低温缓冲层外延与锗匹配的赝砷化镓层，抑制了GaAs/Si界面失配位错和APD向外延层的延伸；低生长速率的控制可以有效地控制缺陷，从而得到高质量的锗基赝砷化镓材料。

本发明提供一种锗基赝砷化镓衬底的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：清洗锗衬底，放入MOCVD设备的反应室；

步骤2：采用700℃高温处理锗衬底；

步骤3：采用MOCVD的方法，在锗衬底上外延生长缓冲层；

步骤4：在缓冲层上，生长赝GaAs层，完成材料的制备。

本发明的特点是：

1、用金属有机物化学气相外延与低温缓冲层技术结合，在锗衬底生长高质量的赝砷化镓异质外延层，使GaAs/Ge界面的失配位错和反相畴边界在界面得到抑制。

2、通过改变生长原料，降低生长温度，优化生长速率等其他参数，减少异质界面的缺陷，提高外延层的质量。

3、在GaAs顶层是掺入In源，得到低铟组分的与锗衬底晶格匹配的赝砷化镓层是抑制缺陷的主要步骤。

附图说明

为进一步说明本发明的具体技术内容，以下结合实例及附图详细说明如后，其中：

图1为锗衬底上生长缓冲层后的结构示意图；

图2为生长完赝层后的结构示意图；

图3为锗基砷化镓的HRXRD图(图中数值为半高宽)。

具体实施方式

请参阅图1、图2所示，本发明提供一种锗基赝砷化镓衬底的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：清洗锗衬底1，放入MOCVD设备的反应室；其中锗衬底1为n型低阻(001)锗，偏[110]4°，电阻率在0.01-0.1欧姆·厘米；清洗锗衬底1是采用5％的HF和5％的H₂O₂循环洗三遍，最后用5％的HF清洗，每种溶液的清洗时间是30s；5％的HF的作用是去掉氧化物，5％的H₂O₂的作用是氧化Ge的表面，经过循环的氧化与去氧化物，得到的是粗糙度低、新鲜的Ge表面。

步骤2：采用700℃高温处理锗衬底1，高温处理20min，去除出锗衬底1放入反应室之前的氧化物，并且在Ge的表面形成稳定的双原子台阶。

步骤3：采用MOCVD的方法，在锗衬底1上外延生长缓冲层2；其中，生长缓冲层2的条件是，反应室压力100mBar，叔丁基二氢砷和三乙基镓为原料，生长过程中叔丁基二氢砷和三乙基镓的输入摩尔流量比V/III在40-50之间，生长速率在0.1-0.3nm/s，厚度100nm，温度在400-450℃，温度下降到生长温度后，先通叔丁基二氢砷5min，来形成As的预生长层抑制反相畴。

步骤4：在缓冲层2上，生长赝GaAs层3，完成材料的制备；其中，生长赝GaAs层3，即与Ge晶格匹配的InGaAs层(In组分极少，大约为1.1％)，其生长条件是，砷烷、三甲基铟和三甲基镓为原料，生长过程中输入摩尔流量比V/III在30-50之间，温度为620-650℃，生长速率为0.5-1.0nm/s，厚度为2微米；其中，缓冲层2和赝GaAs层3为用双硅烷重掺杂，掺杂浓度大于1×10¹⁸cm^-3。

本方法中采用偏角度的锗衬底，并以叔丁基二氢砷和三乙基镓代替通常采用的砷烷和三甲基镓，降低生长温度，降低生长速率，促进APB的自消除效应的产生；叔丁基二氢砷和三乙基镓的分解温度远低于砷烷和三甲基镓，因此可以在较低的温度下进行材料的外延生长，并且，较低的温度可以限制锗和GaAs界面的互扩散问题。同时，在生长顶层砷化镓时，加入少量的铟源，以抵消锗衬底和砷化镓的晶格失配(见图3锗基砷化镓HRXRD图)和热膨胀系数造成的缺陷。这样得到高质量InGaAs层(In的组分大约0.011)的带隙、折射率、载流子迁移率等光电性质与纯GaAs材料大致近似，但是有稍微的差别，故称为赝砷化镓(pseudo galliumarsenide)。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种锗基赝砷化镓衬底的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：清洗锗衬底，放入MOCVD设备的反应室；

步骤2：采用700℃高温处理锗衬底；

步骤3：采用MOCVD的方法，在锗衬底上外延生长缓冲层，该缓冲层的条件是，反应室压力100mBar，叔丁基二氢砷和三乙基镓为原料，生长过程中叔丁基二氢砷和三乙基镓的输入摩尔流量比V/III在40-50之间，生长速率在0.1-0.3nm/s，厚度100nm，温度在400-450℃温度下降到生长温度后，先通叔丁基二氢砷5min；

步骤4：在缓冲层上，生长赝GaAs层，即与Ge晶格匹配的InGaAs层，其生长条件是，砷烷、三甲基铟和三甲基镓为原料，生长过程中输入摩尔流量比V/III在30-50之间，温度为620-650℃，生长速率为0.5-1.0nm/s，厚度为2微米，完成材料的制备。

2.根据权利要求1所述的锗基赝砷化镓衬底的制备方法，其中锗衬底为n型低阻(001)锗，偏[110]4°，电阻率为0.01-0.1欧姆·厘米。

3.根据权利要求1所述的锗基赝砷化镓衬底的制备方法，其中清洗是采用5％的HF和5％的H₂O₂循环洗三遍，最后用5％的HF清洗，每种溶液的清洗时间是30s。

4.根据权利要求1所述的锗基赝砷化镓衬底的制备方法，其中高温处理锗衬底的时间是20min。

5.根据权利要求1所述的锗基赝砷化镓衬底的制备方法，其中缓冲层的材料为GaAs，赝GaAs层的材料为与Ge晶格匹配的InGaAs。

6.根据权利要求5所述的锗基赝砷化镓衬底的制备方法，其中缓冲层和赝GaAs层为用双硅烷重掺杂，掺杂浓度大于1×10¹⁸cm^-3。

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