在銻化鎵襯底上生長InAsxSb1-x薄膜的方法
2023-05-11 05:05:26
專利名稱：在銻化鎵襯底上生長InAsxSb1-x薄膜的方法
技術領域：
本發明涉及半導體領域，具體涉及晶體外延生長技術領域，是一種 在銻化鎵襯底上生長InAsxSbl-x薄膜的方法。
背景技術：
遠紅外線a>8pm)探測器在民用和軍用上都有廣泛的用途，如熱成 像儀、駕駛員夜視增強觀察儀和各種遙感設備等。現在實用化的遠紅外 線探測材料就只有HgxCd卜xTe —種，而HgxCdhTe又有穩定性和大面 積均勻性差的缺點，所以人們一直在致力於尋找HgxCd卜;Te的替代材料， InASxSb^是其中非常理想的一種。InASxSb^的禁帶寬度可隨x從0.36eV 變化到0.099eV (對應波長範圍為3.1 12.5pm)，也像HgxCd卜xTe—樣 有很高的載流子遷移率和低的介電常數，但它的化學穩定性好，自擴散
係數低，而且m—v族半導體的外延生長和加工處理工藝相對容易並高度發達。
一些III-V族化合物半導體材料如GaAs、 GaSb、 InAs和InSb都可 以作為外延InASxSbb薄膜的襯底，但由於InAs和InSb之間有6.9%的晶 格失配，外延中間成分的InASxSb,.x薄膜就變得比較困難。與其它材料相 比，GaSb與InASxSbb薄膜的晶格失配較小且熔點較高，因此GaSb可作 為較為理想的生長襯底。但由於GaSb和InASxSbk之間仍有晶格失配， 使得在GaSb上生長高質量的InA^Sb^薄膜也比較困難。目前人們主要 是用分子束外延(MBE)和低壓有機金屬化學氣相沉積(LP-MOCVD)法來生 長，但由於這兩種方法生長的薄膜都比較薄(一般厚度都小於lpm)，以至 於薄膜材料性能嚴重受到界面晶格失配的影響。而己有報導稱若InA^Sb^ 外延薄膜厚度超過2pm時，界面晶格失配對整體的性能影響已經很小。 液相外延法生長的外延薄膜厚度一般都有幾微米甚至更厚，但是若晶格 失配大外延生長就很困難。目前有文獻報導的液相外延法生長InAs,Sb^ 薄膜，其成分範圍為x<10%，還不能達到紅外長波長探測要求。所以設計適當的工藝使用液相外延法能在GaSb襯底上外延生長出能實用的 InAs,Sb,.,薄膜有很大意義。
發明內容
本發明的目的在於提供一種在GaSb襯底上外延生長出能實用的 InAs,Sbb薄膜的液相外延生長工藝。液相外延是指在液相外延爐中，含 溶質的溶液(或熔體)藉助過冷而使溶質在襯底上以薄膜形式外延生長 的方法。液相外延是在動力學平衡條件下生長的，其優點是外延層化學 穩定性高，設備簡單，生長費用低。
本發明的技術方案是
一種在銻化鎵(GaSb)襯底上外延生長InA^Sb^薄膜的液相外延生 長方法，其特徵在於，步驟包括
1) 用石磨或石英製成生長舟，作為生長容器；
2) 將一襯底置於生長容器中，用於在其上進行外延生長；
3) 將含有銦(In)、銻(Sb)和砷(As)的源按原子數比In:Sb:As-1 : y : (l-y)配製成生長母源，並將它們放入生長容器中，在外延爐中 經充分熔解並均勻混合後，在過冷度為1一10K的條件下進行外延生 長，得到生長薄膜；
進一步，所述襯底是銻化鎵單晶片。
進一步，所述襯底是在GaSb單晶片襯底上生長的緩衝層。 進一步，所述生長薄膜厚度在10 100^im之間。 進一步，所述生長過程的溫度範圍是673K—873K。 進一步，所述生長母源的成分y的取值範圍為0.5<y<1.0。
本發明所提供的生長工藝與其它常用的生長方法(如LP-MOCVD和 MBE)相比，有設備簡單，生長費用低的優點，並且所生長的InA、Sb^ 薄膜厚度可控制在10到100微米，使InASxSb,.x薄膜和GaSb襯底界面上 的晶格失配對InASxSbk薄膜的整體性能影響很小。並且可以生長出中間 成分的InAs^b,.x薄膜，探測波長可達12|iim。
圖1是lnAs,Sb^樣品的X射線衍射譜。
具體實施例方式
為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實 施例，並參照附圖，對本發明進一步詳細說明。
1. 實現發明的主要設備 液相外延爐；
石英反應管及相應石英舟； 石墨生長舟；
機械真空泵+擴散真空泵(或其它真空設備)；
溫度控制器； — 氫氣發生器(或氫氣純化設備)。
2. 按照生長工藝，並根據生長設備的個體情況進行適當調整。
3. 源的純度應大於5N (5個9以上)。
4. 溫度控制精度應小於1K。
5. 生長石英反應管內的真空度應優於l(T3Pa。
6. 外延生長時最好採用在一個較小過冷度的生長溫度Tg下保溫1一20 分鐘的方式。
7. 熔源和生長全過程應在流動氫氣保護之下。
生長工藝
1. 生長所用的主要設備液相外延爐；石英反應管及相應石英舟；石墨 生長舟；機械真空泵+分子泵；溫度控制器；氫氣純化設備。
2. 生長源的準備用金屬單質銦(In)、金屬單質銻(Sb)和砷化銦(InAs) 作源，它們的原子數之比為1:1: 0.015，將源的成分換算成質量比， 並按此比例稱好相應量的In、 Sb和InAs，具體量由石墨生長舟的大 小來決定，稱量的誤差要小於1%。，並且各種源都要先做清洗腐蝕處 理，以除去表面汙物和氧化層。3. 生長襯底的準備單晶GaSb襯底經過清洗腐蝕處理，除去表面汙物
和氧化層後，連同稱量好的各種源一起裝入石墨生長舟中。再將石墨 生長舟放入石英舟中並一起裝入外延爐的石英反應管內。
4. 石英反應管內抽真空，真空度應達到l(T4Pa左右，待真空抽好後再往 石英反應管內通氫氣。可以這樣重複幾次以減少管內的殘餘空氣。管 內充滿氫氣後繼續保持一定的氫氣流量(小量即可)，以後熔源和薄膜 的生長將在氫氣流的保護之下。
5. 將石英反應管推入管式爐中加熱。讓源在1023K下保溫5個小時以使 其充分熔化並均勻混合，再將溫度降至823K (為節約時間，降溫速率 儘量快)，此時將源溶液推到襯底上，並開始以0.2K/分鐘的降溫速率 降溫至813K，最後將襯底上的源溶液推掉，爐子停止加熱，生長過程 結束，待溫度自然冷卻到室溫即可取出樣品。
生長結果
按照上述生長工藝成功地在GaSb單晶襯底生長出了 InASxSbh薄膜， 根據其X射線衍射譜(如下圖)結果，樣品(400)峰的29值為58.01°， 對應的InASxSb,.x薄膜成分為x = 0.3。
至此已經結合優選實施例對本發明進行了描述。應該理解，本領域技 術人員在不脫離本發明的精神和範圍的情況下，可以進行各種其它的改 變、替換和添加。因此，本發明的範圍不局限於上述特定實施例，而應 由所附權利要求所限定。
權利要求
1. 一種在銻化鎵(GaSb)襯底上外延生長InAsxSb1-x薄膜的液相外延生長方法，其特徵在於，步驟包括1)用石磨或石英製成生長舟，作為生長容器；2)將一襯底置於生長容器中，用於在其上進行外延生長；3)將含有銦(In)、銻(Sb)和砷(As)的源按原子數比In:Sb:As＝1:y:(1-y)配製成生長母源，並將它們放入生長容器中，在外延爐中經充分熔解並均勻混合後，在過冷度為1—10K的條件下進行外延生長，得到生長薄膜。
2. 根據權利要求1所述的生長方法，其特徵在於，所述襯底是銻化 鎵單晶片。
3. 根據權利要求1所述的生長方法，其特徵在於，所述襯底是在GaSb 單晶片襯底上生長的緩衝層。
4. 根據權利要求1所述的生長方法，其特徵在於，所述生長薄膜厚 度在10 100lam之間。
5. 根據權利要求1所述的生長方法，其特徵在於，所述生長過程的 溫度範圍是673K—873K。
6. 根據權利要求1所述的生長方法，其特徵在於，所述生長母源的 成分y的取值範圍為0.5<y<1.0。
全文摘要
為使GaSb基InAsxSb1-x材料實際應用到長波長紅外探測器中，本發明提供一種在GaSb襯底上生長InAsxSb1-x薄膜的液相外延生長工藝，其主要特徵為用原子數比In∶Sb∶As＝1∶y∶(1-y)的源熔體(0.5＜y＜1.0)以1-10K的過冷度在GaSb襯底上生長InAsxSb1-x薄膜。該工藝有設備簡單，生長費用低的優點，並且所生長的InAsxSb1-x薄膜厚度可以達到幾十微米，使InAsxSb1-x薄膜和GaSb襯底界面上的大晶格失配對InAsxSb1-x薄膜的整體性能影響很小。
文檔編號C30B29/10GK101463499SQ20071017988
公開日2009年6月24日 申請日期2007年12月19日 優先權日2007年12月19日
發明者磊 劉, 吳金良, 陳諾夫, 高福寶 申請人:中國科學院半導體研究所