砷化鎵襯底上的混合併質外延的製作方法

2023-12-05 10:43:26

專利名稱：砷化鎵襯底上的混合併質外延的製作方法
技術領域：
本發明屬於採用氣相外延與液相外延的混合外延方法，在GaAs襯底上異質外延InP和Ⅲ-Ⅴ族多元化合物半導體材料。
InP和Ⅲ-Ⅴ族多元化合物半導體材料在光纖通信及微電子學等領域中具有廣泛用途，但是這類材料的價格昂貴，如InP半導體材料價格是GaAs材料價格的7～8倍，且前者的材料合成十分困難，質量也不如後者好。因此，國內外近兩年都開始重視採用異質外延技術，在價格便宜的襯底上生長性能獨特的InP及Ⅲ-Ⅴ族多元化合物半導體的單晶材料。
據美國《電化學協會雜誌》(Vol.136、No.12，P3585～3586，1989)報導，利用MOVPE(金屬有機化合物氣相外延生長)技術可在GaAs上異質外延InP，最近也有類似的報導問世。然而使用這種方法的設備較為複雜，且生長多元化合物半導體材料時，存在外延材料的組分不易控制，材料的冶金學及電學參數不如液相外延好，另外對於厚層材料的外延生長，MOVPE技術的成本較高。
另外利用分子束外延技術也可生長Ⅲ-Ⅴ族化合物半導體的異質材料，但是這種技術的成本極為昂貴，又無法生長InP和InGaAsP等含磷的Ⅲ-Ⅴ族化合物半導體材料，且該技術生長厚層材料十分困難，導致該技術生長的單晶材料在許多領域中的應用受到限制。
到目前為止，還沒有見到利用氣相外延和液相外延的混合外延技術來實現在GaAs襯底上異質外延InP及Ⅲ-Ⅴ族多元化合物半導體材料。
本發明的目的就是利用氣相外延和液相外延的混合外延技術，由尚無先例的準平衡回熔技術，在GaAs襯底上異質外延InP及Ⅲ-Ⅴ族多元化合物半導體材料。利用目前國內廣泛採用的外延手段，大幅度降低這類化合物半導體材料的成本並滿足實際應用的要求。
本發明的目的是這樣實現的首先在MOVPE生長系統內生長一層InP緩衝層I，然後將生長了InP緩衝層I的外延片經表面化學腐蝕後，裝入液相外延系統內，通過準平衡回熔技術，對生長表面進行回熔處理，而後在回熔處理過的表面上生長InP緩衝層Ⅱ和Ⅲ-Ⅴ族多元化合物半導體材料。
本發明的技術要點是通過上述準平衡回熔技術，可保證在InP緩衝層I上生長出質量滿足要求的異質結外延材料。
其中準平衡回熔技術是由在回熔銦源中溶入適量的InP單晶來實現的。
準平衡回熔技術與公知的回熔技術(如美國麻省理工學院林肯實驗室的固態研究報告，1976年，No.4，P.41)不同，是通過在純銦源中溶入回熔溫度下達到飽和態時能溶入InP晶體重量的70～80%，使回熔速率大大降低，這樣既不會在液相外延前將緩衝層I完全回熔掉，又可保證使該層表面回熔均勻且滿足晶體生長所要求的良好表面，回熔時間最好控制在10～15秒。
比較現有技術，本發明有以下優點1.通過準平衡回熔技術，解決了混合外延中由於生長表面的缺陷和晶格失配所造成的外延材料的質量不能滿足實際應用的難題。
2.工藝簡單，可利用在國內普遍採用的液相外延生長技術，生長出成本低、能夠滿足要求的Ⅲ-Ⅴ族化合物半導體材料。
3.本發明製備的異質結單晶材料的質量好，通過對晶體質量進行雙晶衍射的測試，晶格失配率僅為-1.53×10-3，與用傳統方法製備的異質結材料的失配率相當。
4.本發明所製備的混合外延異質結材料，在場助紅外半導體光電陰極的應用中也得到了令人滿意的結果，在響應波長為1.25μm、場助偏壓為6.0V時的光譜靈敏度為0.91mA/W，而用常規方法所得到的異質結材料的場助陰極在同樣條件下的光譜靈敏度為1.1mA/W，兩者的差別在測量誤差範圍內。但是混合外延所得到的異質結場助紅外半導體光電陰極的成本僅為常規方法的1/8。
本發明的混合異質外延技術可按以下步驟實現
1.將GaAs襯底按常規化學處理後裝入MOVPE系統中，在GaAs表面生長一層InP緩衝層I。
2.將外延片從MOVPE系統內取出，經表面化學處理後，裝入液相外延系統中。
3.採用準平衡回熔技術，用溶入一定量的InP晶體(該量為回熔溫度下達到飽和態時能溶入InP晶體重量的70～80%)的準平衡回熔源，對生長表面進行回熔處理。
4.生長表面經回熔處理後，在低溫條件下(630℃～590℃)生長InP緩衝層Ⅱ。
5.在InP緩衝層Ⅱ生長結束後，在其表面生長Ⅲ-Ⅴ族多元化合物半導體材料。
本發明應用廣泛，可大幅度降低InP及Ⅲ-Ⅴ族多元化合物半導體材料的成本並易於實現。經過實驗，本發明所製備的異質結材料已在場助紅外半導體光電陰極中得到應用，同時也可用於光纖通信及微電子學等領域。
以下通過4個非限定性實施例對本發明作進一步的闡述實施例1在GaAs襯底上用MOVPE技術生長厚4-6μm的InP緩衝層I後，經HCl∶H2O＝1∶4～8處理30秒，裝入液相外延系統內，升溫至630℃，在此溫度下恆溫30分鐘，然後用準平衡回熔源(In∶InP＝1∶0.005～0.006，重量比)回熔10～15秒，回熔後用兩相法(In∶InP＝1∶0.01，重量比)生長InP緩衝層Ⅱ，時間40分鐘，生長時降溫速率為0.5℃/分鐘。
實施例2在GaAs襯底上用MOVPE技術生長厚4～6μm的InP緩衝層I後，經HCl∶H2O＝1∶4～8處理30秒，裝入液相外延系統內，升溫至620℃，在此溫度下恆溫40分鐘，用準平衡回熔源(In∶InP＝1∶0.004～0.005，重量比)回熔10秒，再用兩相法(In∶InP＝1∶0.008，重量比)生長InP緩衝層Ⅱ，時間50分鐘，生長時降溫速率由1℃/分鐘變化到0.1℃/分鐘，在590℃時恆溫5分鐘，然後生長In1-xGaxAs(x＝0.47)有源層，有源層生長源配比為(In∶GaAs∶InAs＝1∶0.025∶0.035，重量比)，恆溫生長6分鐘。
實施例3在GaAs襯底上用MOVPE技術生長厚4～6μm的InP緩衝層I，經HCl∶H2O＝1∶4～8處理1分鐘，裝入液相外延系統內，升溫至620℃，恆溫40分鐘，用準平衡回熔源(In∶InP＝1∶0.004～0.005，重量比)回熔10秒，再用兩相法(In∶InP＝1∶0.008，重量比)生長InP緩衝層Ⅱ，時間40分鐘，生長時降溫速率由1℃/分鐘變化到0.1℃/分鐘，在600℃時恆溫5分鐘，然後生長In1-xGaxAsyP1-y(x＝0.25，y＝0.55)有源層，有源層生長源配比為In∶InP∶GaAs∶InAs＝1∶0.0016∶0.0053∶0.045(重量比)，恆溫生長8分鐘。
實施例4在GaAs襯底上用MOVPE技術生長厚4～6μm的InP緩衝層I，經HCl∶H2O＝1∶4～8處理1分鐘，裝入液相外延系統內，升溫至620℃恆溫40分鐘，用準平衡回熔源(In∶InP＝1∶0.004～0.005，重量比)回熔10秒，再用兩相法(In∶InP＝1∶0.008，重量比)生長InP緩衝層Ⅱ，時間40分鐘，生長時降溫速率由1℃/分鐘變化到0.1℃/分鐘，在600℃時恆溫5分鐘，然後生長In1-xGaxAsyP1-y(x＝0.25，y＝0.55)有源層，有源層生長源配比為(In∶InP∶GaAs∶InAs＝1∶0.0016∶0.0053∶0.045，重量比)，恆溫生長8分鐘，此後繼續以0.1℃/分鐘降溫，在InGaAsP表面再生長一層InP外延層，該層配比為In∶InP＝1∶0.006(重量比)，生長時間為10分鐘。
權利要求
1.在砷化鎵(GaAs)襯底上異質外延生長磷化銦(InP)和晶格匹配於InP的Ⅲ-Ⅴ族多元化合物半導體材料的方法，本發明的特徵是採用氣相外延與液相外延的混合外延生長技術，先用氣相外延在GaAs襯底上生長InP緩衝層Ⅰ，然後在該緩衝層上再液相外延生長InP緩衝層Ⅱ和晶格匹配於InP的Ⅲ-Ⅴ族多元化合物半導體材料。
2.根據權利要求1所述的方法，其特徵是採用金屬有機化合物氣相外延生長(MOVPE)技術作為氣相外延手段。
3.根據權利要求1所述的方法，其特徵是液相外延生長InP和晶格匹配於InP的Ⅲ-Ⅴ族多元化合物半導體材料，採用低溫生長技術(T＝630℃～590℃)。
4.根據權利要求1所述的方法，其特徵是在液相外延InP緩衝層Ⅱ及晶格匹配於InP的Ⅲ-Ⅴ族多元化合物半導體材料之前，採用準平衡回熔技術對生長表面進行回熔處理，準平衡回熔技術是在純銦回熔源中溶入回熔溫度下達到飽和時能溶入InP晶體重量70-80%的InP單晶來實現的。
5.根據權利要求1所述的方法，其特徵是利用該技術可製備出GaAs(襯底)/InP(緩衝層Ⅰ)/InP(緩衝層Ⅱ)、GaAs(襯底)/InP(緩衝層Ⅰ)/InP(緩衝層Ⅱ)/InGaAs(有源層)、GaAs(襯底)/InP(緩衝層Ⅰ)/InP(緩衝層Ⅱ)/InGaAsP(有源層)和GaAs(襯底)/InP(緩衝層Ⅰ)/InP(緩衝層Ⅱ)/InGaAsP(有源層)/InP(表面層)等異質結材料。
全文摘要
本發明屬於一種採用氣相外延與液相外延的混合外延方法，在砷化鎵襯底上異質外延磷化銦和晶格匹配於磷化銦的III-V族多元化合物半導體材料，通過採用準平衡回熔技術，在砷化鎵襯底上生長出晶格匹配的磷化銦、銦鎵砷和銦鎵砷磷III-V族多元化合物半導體，使這類材料的成本大為降低並具有性能好、滿足器件實用要求的優點，尤其適用於光纖通信中的半導體雷射器、光探測器以及微電子學等領域中的器件製造。
文檔編號C30B25/00GK1053146SQ91100620
公開日1991年7月17日 申請日期1991年2月4日 優先權日1991年2月4日
發明者李晉閩, 郭裡輝, 侯洵 申請人:中國科學院西安光學精密機械研究所