CN113823551A - 一种在GaAs衬底上生长GaSb外延片的方法及GaAs基衬底 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种在GaAs衬底上生长GaSb外延片的方法及GaAs基衬底。所述方法包括：在GaAs衬底上生长GaAs缓冲层，在所述GaAs缓冲层上沉积Ga原子层，在所述Ga原子层上外延生长界面失配位错阵列IMF，在所述界面失配位错阵列IMF上外延生长GaSb外延层。减少穿透位错的产生，简化外延生长过程，提高了生长效率。

Description

一种在GaAs衬底上生长GaSb外延片的方法及GaAs基衬底
技术领域
本发明涉及半导体材料领域，尤其涉及一种在GaAs衬底上生长GaSb外延片的方法及GaAs基衬底。
背景技术
GaSb是6.1家族(晶格常数在
Figure BDA0002548349580000011
附近的几种半导体材料包括：GaSb，InAs，AlSb以及AlGaSb材料)的重要一员。GaSb系材料在电学和光学性能方面都有突出的表现，例如以GaSb为基础的InAs/GaSb二类超晶格被认为是最有前途的第三代红外探测器材料之一，具有非常广阔的应用前景。
虽然现在已经拥有商用GaSb衬底，但是目前的商用GaSb衬底具有价格昂贵、衬底尺寸较小、没有半绝缘衬底等缺点，这些都限制其在应用中的表现。所以人们尝试在GaAs衬底上外延高质量的GaSb材料去克服这些缺陷。但是GaAs同GaSb的晶格失配高达7.88％，同时两者之间的热膨胀系数也相差较大，这都使得在GaAs衬底上外延GaSb困难重重。
目前有国际上存在缓冲层法和表面失配位错阵列(IMF)两种方法来解决GaAs衬底和GaSb外延层之间的晶格失配和热失配。缓冲层法主要是利用缓冲层来充分释放衬底和外延层。缓冲层可以分为低温GaSb缓冲层，渐变组分缓冲层，超晶格缓冲层等。低温GaSb缓冲层和渐变组分缓冲层生都需要生长的比较厚，而且表面也比较粗糙，位错密度比较大。超晶格缓冲层法生长工艺复杂，难度较高。
利用表面失配位错阵列法(IMF)在GaAs衬底上生长GaSb外延层时，不需要很厚的缓冲层，仅仅利用表面失配位错来释放应力，将位错限制在GaAs-GaSb界面处最初的几个原子层内，减少穿透位错的产生，可以提高GaSb外延片的质量。但是需要对GaAs表面进行高温脱As处理，形成富Ga表面后才能使用Sb束流soak衬底从而产生界面失配位错阵列。这需要较长的时间，而且影响脱As程度的因素有很多，实验重复性不强。
因此急需一种能够高效、可重复的方法在GaAs衬底上生长高质量GaSb外延层。
发明内容
(一)要解决的技术问题
目前急需一种能够高效、可重复的方法在GaAs衬底上生长高质量GaSb外延层。
(二)技术方案
本发明一方面提供一种在GaAs衬底上生长GaSb外延片的方法，所述方法包括：步骤S1，在GaAs衬底上生长GaAs缓冲层，步骤S2，在所述GaAs缓冲层上沉积Ga原子层，步骤S3，在所述Ga原子层上外延生长界面失配位错阵列IMF，步骤S4，在所述界面失配位错阵列IMF上外延生长GaSb外延层。
可选地，所述步骤S1中生长所述GaAs缓冲层的厚度为300nm～500nm，生长温度为580℃。
可选地，所述步骤S1中生长所述GaAs缓冲层采用As裂解得到的As2束流，As/Ga束流压强比为15～20。
可选地，所述步骤S2中，使用表面迁移增强法外延生长1～2层Ga原子层，生长温度为530℃。
可选地，所述步骤S3中，生长界面失配位错阵列IMF采用Sb裂解得到的Sb2束流对通过步骤S2得到的产品浸润1分钟，Sb2束流为1～3×10-6Torr，生长温度为530℃。
可选地，所述步骤S4中，生长GaSb外延层的厚度为500nm，生长温度为450℃。
可选地，所述步骤S4中，生长GaSb外延层采用Sb裂解得到的Sb2束流，Sb/Ga束流压强比为3～4。
可选地，所述步骤S4中，在开始生长GaSb外延层时，Ga炉挡板比Sb炉挡板先开启1秒，在生长GaSb外延层之前在所述界面失配位错阵列IMF上沉积另一Ga原子层。
本发明另一方面提供了一种通过上文所述的方法制备得到的GaAs基衬底，所述GaAs基衬底包括：GaAs衬底，生长于所述GaAs衬底上的GaAs缓冲层，生长于所述GaAs缓冲层上的Ga原子层，生长于所述Ga原子层上的界面失配位错阵列IMF，以及，生长于所述界面失配位错阵列IMF上的GaSb外延层。
可选地，在所述界面失配位错阵列IMF与所述GaSb外延层之间还包括另一Ga原子层。
(三)有益效果
1.本发明使用表面失配位错阵列IMF可以有效的释放GaAs衬底和GaSb外延层之间的应力，将位错大多限制在GaAs-GaSb界面处最初的几个原子层内，减少穿透位错的产生。
2.本发明可以通过表面迁移增强法(MEE)外延生长控制Ga原子层数，在GaAs缓冲层表面轻易形成富Ga状态，简化外延程序，仅用1秒就可以完成富Ga表面的形成。简化了生长过程，提高了生长效率。
3.本发明在界面失配位错矩阵IMF上生长GaSb外延层前先沉积一层Ga，以此阻断Sb对IMF的影响，抑制穿透位错的产生。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种在GaAs衬底上生长GaSb外延片的方法流程图；
图2是本发明实施例提供的GaAs基衬底的结构示意图，
图3是本发明实施例提供的GaAs基衬底的HRXRD测试图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
本发明一个实施例提供了一种在GaAs衬底上生长GaSb外延片的方法，参见图1，所述方法包括下列步骤S1-S4的内容：
步骤S1，在GaAs衬底1上生长GaAs缓冲层2。
在该步骤中，生长所述GaAs缓冲层2的厚度为300nm～500nm，生长温度为580℃。并且，生长所述GaAs缓冲层2采用As裂解得到的As2束流，As/Ga束流压强比为15～20。
步骤S2，在所述GaAs缓冲层2上沉积Ga原子层3。
具体地，使用表面迁移增强法外延生长1～2层Ga原子层3，生长温度为530℃。
步骤S3，在所述Ga原子层3上外延生长界面失配位错阵列IMF4。
其中，生长界面失配位错阵列IMF4采用Sb裂解得到的Sb2束流对通过步骤S2得到的产品浸润1分钟，Sb2束流为1～3×10-6Torr，生长温度为530℃。
步骤S4，在所述界面失配位错阵列IMF4上外延生长GaSb外延层5。
在该步骤中，生长GaSb外延层5的厚度为500nm，生长温度为450℃。生长GaSb外延层5采用Sb裂解得到的Sb2束流，Sb/Ga束流压强比为3～4。在开始生长GaSb外延层5时，Ga炉挡板比Sb炉挡板先开启1秒，在生长GaSb外延层5之前在所述界面失配位错阵列IMF4上沉积另一Ga原子层6。
本发明另一个实施例提供一种通过上文所述的方法制备得到的GaAs基衬底，参见图2，所述GaAs基衬底包括：GaAs衬底1，生长于所述GaAs衬底1上的GaAs缓冲层2，生长于所述GaAs缓冲层2上的Ga原子层3，生长于所述Ga原子层3上的界面失配位错阵列IMF4，以及，生长于所述界面失配位错阵列IMF4上的GaSb外延层5。
其中，在所述界面失配位错阵列IMF与所述GaSb外延层之间还包括另一Ga原子层6。
下面通过一个具体实施例详细阐述本发明提供的在GaAs衬底上生长GaSb外延片的方法：
步骤100，对GaAs衬底进行除气和脱氧。将GaAs半绝缘衬底传至除气腔室，加热该GaAs衬底至350℃，保持2小时，完成衬底的除气过程，然后降温至200℃。将除完气的GaAs衬底传至生长室中，加热GaAs衬底至450℃，这个过程中保持As炉阀门和挡板关闭，GaAs衬底以2度/秒的速度旋转。当GaAs衬底温度达到450℃后，打开As炉阀门和挡板，As束流为裂解后的As2，As2束流大小为1.2×10-5Torr，继续加热GaAs衬底至620℃，并在该温度保持8分钟，完成脱氧。完成脱氧后，将GaAs衬底温度降温至580℃，降温速率40℃/分钟，等待2分钟，为使温度稳定。打开Ga源挡板，生长GaAs缓冲层，Ga束流为8×10-7Torr对应生长速率是1μm/h，整个GaAs缓冲层生长时间为18分钟。
步骤200，将衬底温度由580℃降温至530℃。将衬底降温至530℃的过程中，先关闭As炉的阀门和挡板，关闭Ga的挡板，降温速率为40℃/分钟，到530℃后等待2分钟使温度稳定。
步骤300，待衬底温度在530℃稳定后，在所述GaAs缓冲层上根据表面迁移增强法沉积1个原子层的Ga原子，即1层Ga原子层，打开Ga源炉挡板1秒，关闭Ga源炉挡板。
步骤400，打开Sb炉的阀门和挡板，Sb束流为裂解后的Sb2，束流大小为2.0×10- 6Torr，保持GaAs衬底Sb浸润1分钟。得到生长在所述Ga原子层上的界面失配位错阵列IMF。
步骤500，关闭Sb炉的挡板，将衬底温度有530℃降至450℃，降温速率为40℃/分钟，到450℃后等待2分钟使温度稳定。
步骤600，在所述界面失配位错阵列IMF4上外延生长GaSb外延层5。先打开Ga炉挡板，Ga束流为8×10-7Torr对应生长速率是1μm/h，Ga炉挡板开启1s后，开启Sb炉挡板，在生长GaSb外延层5之前在所述界面失配位错阵列IMF4上沉积另一Ga原子层6。同时调节Sb炉阀门至Sb束流达到3.2×10-6Torr，这里的Sb束流也是裂解后的Sb2。整个GaSb外延层的生长时间是30分钟，即GaSb外延层厚度为500nm。在该步骤中，使用表面迁移增强法先外延一层Ga原子，保护界面失配位错阵列IMF，防止界面失配位错阵列IMF变为穿透位错。
下面通过一个具体实施例详细阐述本发明提供的GaAs基衬底：
所述GaAs基衬底包括：GaAs衬底1，生长于所述GaAs衬底1上的GaAs缓冲层2，生长于所述GaAs缓冲层2上的Ga原子层3，生长于所述Ga原子层3上的界面失配位错阵列IMF4，生长于所述界面失配位错阵列IMF4上的另一Ga原子层6，生长于所述另一Ga原子层6上的GaSb外延层5。
其中，GaAs衬底1的厚度约为2mm，GaAs缓冲层2的厚度约为300nm，界面失配位错阵列IMF为3～5个原子层，GaSb外延层5的厚度约为500nm。对该GaAs基衬底的HRXRD测试图请参见图3。
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 (10)

1.一种在GaAs衬底上生长GaSb外延片的方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤S1，在GaAs衬底(1)上生长GaAs缓冲层(2)，
步骤S2，在所述GaAs缓冲层(2)上沉积Ga原子层(3)，
步骤S3，在所述Ga原子层(3)上外延生长界面失配位错阵列IMF(4)，
步骤S4，在所述界面失配位错阵列IMF(4)上外延生长GaSb外延层(5)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S1中生长所述GaAs缓冲层(2)的厚度为300nm～500nm，生长温度为580℃。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S1中生长所述GaAs缓冲层(2)采用As裂解得到的As2束流，As/Ga束流压强比为15～20。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S2中，使用表面迁移增强法外延生长1～2层Ga原子层(3)，生长温度为530℃。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S3中，生长界面失配位错阵列IMF(4)采用Sb裂解得到的Sb2束流对通过步骤S2得到的产品浸润1分钟，Sb2束流为1～3×10- 6Torr，生长温度为530℃。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S4中，生长GaSb外延层(5)的厚度为500nm，生长温度为450℃。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S4中，生长GaSb外延层(5)采用Sb裂解得到的Sb2束流，Sb/Ga束流压强比为3～4。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S4中，在开始生长GaSb外延层(5)时，Ga炉挡板比Sb炉挡板先开启1秒，在生长GaSb外延层(5)之前在所述界面失配位错阵列IMF(4)上沉积另一Ga原子层(6)。
9.一种通过权利要求1-8中任一项所述的方法制备得到的GaAs基衬底，其特征在于，所述GaAs基衬底包括：
GaAs衬底(1)，
生长于所述GaAs衬底(1)上的GaAs缓冲层(2)，
生长于所述GaAs缓冲层(2)上的Ga原子层(3)，
生长于所述Ga原子层(3)上的界面失配位错阵列IMF(4)，
以及，生长于所述界面失配位错阵列IMF(4)上的GaSb外延层(5)。
10.根据权利要求9所述的GaAs基衬底，其特征在于，在所述界面失配位错阵列IMF(4)与所述GaSb外延层(5)之间还包括另一Ga原子层(6)。
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