CN103066157B - 一种降低InP基InGaAs异变材料表面粗糙度的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种降低InP基InGaAs异变材料表面粗糙度的方法，通过在InP基普通InGaAs半导体异变缓冲层上外延一层反向失配超薄外延层来实现降低异变材料表面粗糙度，其厚度不超过异变缓冲层上反向失配外延层的临界厚度，一般为0.5-5nm。本发明不需要在过低的生长温度下生长材料，避免引入多余背景杂质，工艺简单，成本低，具有良好的应用前景。

Description

一种降低InP基InGaAs异变材料表面粗糙度的方法
技术领域
本发明属于半导体材料制备领域，特别涉及一种降低半导体异变材料表面粗糙度的方法。
背景技术
随着半导体能带工程的发展和材料外延技术的进步，与衬底晶格失配的异质外延材料得到了越来越多的重视。当外延厚度超过一定厚度时，晶格失配外延层的晶格常数将自发恢复到其固有的晶格常数，这种晶格常数恢复到固有的晶格常数的外延材料称为异变材料，这个过程可称为材料发生了晶格弛豫，材料在弛豫过程中会产生缺陷和位错，降低材料质量。要生长异变材料，一般需要在异变外延材料和衬底之间插入缓冲层结构，将位错和缺陷限制在缓冲层中，并尽量减少穿透缓冲层的所谓穿透位错，从而改善缓冲层上大晶格失配外延材料的材料质量，这种缓冲层称为异变缓冲层。例如，截止波长大于1.7μm的所谓波长扩展InGaAs探测器在空间遥感与成像等方面有着重要的应用，通过增加InxGa1-xAs中In的组分x，可以将InxGa1-xAs探测器的截止波长向长波方向扩展，但这同时会引起InxGa1-xAs材料和InP衬底间的晶格失配。例如，要将InGaAs探测器的截止波长从1.7μm扩展到2.5μm，就需要使In组分从0.53增加至0.8，这会使InGaAs与InP衬底间的晶格失配达到+1.8%，如此大的晶格失配很容易使材料中产生缺陷及位错，限制器件性能的进一步提高。为了改进材料质量，可以在InP衬底和In0.8Ga0.2As材料之间生长一层组分连续渐变的InxGa1-xAs缓冲层，其组分值x由与InP晶格匹配的0.53连续变化到0.8，组分渐变的InxGa1-xAs缓冲层可以释放晶格失配产生的应力，减少In0.8Ga0.2As材料中产生的缺陷及位错。
然而，异变材料一般会具有橘子皮形貌等粗糙的表面，粗糙度一般为几至十几nm。采用组分渐变缓冲层的异变材料则会因为在垂直生长方向上的不同方向具有不同的应变而形成布纹格形貌。粗糙的表面有很多负面作用，首先会对后续工艺过程造成困难，其次还会影响异变器件结构中的界面质量，从而影响器件特性。例如，扩展波长In0.8Ga0.2As探测器的p/n结界面质量对器件噪声有很大影响。降低异变材料表面粗糙度的常用方法是降低材料的生长温度，但是降低生长温度会在生长材料时引入更多的背景杂质，这些杂质很容易形成点缺陷。
针对半导体异变材料外延生长中的问题，有必要探索降低异变材料粗糙度的方法，不会产生引入多余杂质等负面效应，但也能达到降低粗糙度的目的。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种降低InP基InGaAs异变材料表面粗糙度的方法，该方法不需要在过低的生长温度下生长材料，避免引入多余背景杂质，工艺简单，成本低，具有良好的应用前景。
本发明的一种降低InP基InGaAs异变材料表面粗糙度的方法，包括：
在常规InGaAs半导体异变缓冲层上外延一层反向失配超薄外延层，用于降低异变材料表面粗糙度。具体为：
（1）采用常规分子束外延方法在InP衬底上生长InGaAs组分渐变异变缓冲层；
（2）在组分渐变异变缓冲层上生长反向失配超薄外延层用于降低材料的表面粗糙度。
所述步骤（2）中的反向失配超薄外延层相对异变缓冲层与异变缓冲层相对InP衬底的晶格失配相反，即，若异变缓冲层相对InP衬底为正晶格失配，则在其上生长的超薄外延层相对异变缓冲层为负晶格失配；若异变缓冲层相对衬底为负晶格失配，则在其上生长的超薄外延层相对异变缓冲层为正晶格失配。
所述步骤（2）中的反向失配超薄外延层厚度范围为0.5-5nm。
所述步骤（2）中的反向失配超薄外延层厚度不超过异变缓冲层上反向失配外延层的临界厚度，也就是说，反向失配超薄外延层相对异变缓冲层的晶格失配越大，超薄外延层的厚度越薄。
所述步骤（1）中的渐变缓冲层组分为InxGa1-xAs，x从0.53渐变至y（0.53<y<1）。
本发明通过在InP基InGaAs异变缓冲层上生长一层超薄反向失配外延层，起到降低粗糙度的目的，然后再在其上生长异变器件结构材料。同时由于该反向失配外延层很薄，不超过临界厚度，所以不会引入多余的缺陷。
有益效果
本发明的方法通过在InP衬底上生长完常规InGaAs半导体异变缓冲层后生长一层反向失配超薄外延层，实现降低异变材料表面粗糙度，由于可在较高温度生长材料，避免了引入多余背景杂质的负面效应；制备方法工艺简单，成本低，具有良好的应用前景。
附图说明
图1是在InP基InGaAs异变缓冲层上外延反向失配超薄外延层用于降低异变材料表面粗糙度的原理性结构示意图；
图2是用于降低InP衬底上In0.8Ga0.2As异变探测器材料表面粗糙度的结构示意图。
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
一种用于降低InP衬底上In0.8Ga0.2As异变探测器材料表面粗糙度的方法：
（1）为在InP衬底上外延In0.8Ga0.2As异变探测器材料，需要先在InP衬底上生长异变缓冲层；
（2）采用常规分子束外延方法在半绝缘InP衬底上生长高掺杂n型InxGa1-xAs组分渐变缓冲层，其中x从与InP晶格匹配的0.53连续变化到0.8，电子浓度为2×1018cm-3，该外延层可同时作为下接触层；
（3）在InxGa1-xAs组分渐变缓冲层上生长厚度为1nm的GaAs反向失配超薄外延层用于降低材料的表面粗糙度；
（4）再生长In0.8Ga0.2As异变探测器结构，包括2μm厚电子浓度为3×1016cm-3的低掺n型In0.8Ga0.2As吸收层和0.6μm厚空穴浓度为2×1018cm-3的高掺p型In0.8Ga0.2As上接触层。

Claims (3)

1.一种降低InP基InGaAs异变材料表面粗糙度的方法，包括：
(1)采用常规分子束外延方法在InP衬底上生长InGaAs组分渐变异变缓冲层；
(2)在组分渐变异变缓冲层上生长反向失配超薄外延层用于降低材料的表面粗糙度；其中，反向失配超薄外延层相对异变缓冲层与InGaAs异变缓冲层相对InP衬底的晶格失配相反，反向失配超薄外延层厚度范围为0.5-5nm。
2.根据权利要求1所述的一种降低InP基InGaAs异变材料表面粗糙度的方法，其特征在于：所述步骤(2)中的反向失配超薄外延层厚度不超过异变缓冲层上反向失配外延层的临界厚度。
3.根据权利要求1所述的一种降低InP基InGaAs异变材料表面粗糙度的方法，其特征在于：所述步骤(1)中的组分渐变异变缓冲层组分为InxGa1-xAs，x从0.53渐变至y，其中0.53<y<1。
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