一种包含缓冲层的外延结构及其制备方法与流程

本发明属于大晶格失配外延材料缓冲层结构及其制备领域，特别涉及一种在阶梯渐变缓冲叠层之间生长线性渐变缓冲层的结构及其制备方法。

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，异质外延材料得到了更广泛的重视。在衬底上外延晶格失配的材料时，在失配外延层足够薄的情况下，外延层的晶格常数在因晶格失配而产生的形变能的作用下会与衬底的晶格常数保持一致，以免产生位错。然而，当外延厚度超过一定厚度(称为临界厚度)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，从而产生失配位错和降低材料质量。临界厚度的大小与两种材料间的晶格失配度大小有关，一般而言，晶格失配度越大，临界厚度越小；晶格失配度越小，临界厚度越大。对于与衬底具有较大晶格失配度的异质外延材料，材料的高质量生长面临着很大的困难，材料生长成为了材料应用于更广泛领域和器件性能进一步提高的一个瓶颈。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In_xGa_1-xAs中In的组分x，可以将In_xGa_1-xAs探测器的截止波长向长波方向扩展，但这同时会引起In_xGa_1-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2.5mm，就需要使In组分从0.53增加到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，所以亟需发展提高晶格失配外延材料质量的材料结构和生长方法。

为解决此问题，人们在大晶格失配外延材料和衬底之间生长相应的缓冲层，试图将失配位错和缺陷限制在缓冲层中而改善大晶格失配外延材料的材料质量。例如，要生长x＝0.8的In_xGa_1-xAs材料，其组分值x由与InP晶格匹配的0.53通过阶梯渐变的方式变化到0.8，组分渐变的In_xGa_1-xAs缓冲层可以释放晶格失配产生的应力，减少In_0.8Ga_0.2As材料中产生的缺陷及位错。

然而，在阶梯渐变的缓冲叠层的每一个单组分缓冲层的界面处会产生大量的位错，如果这些位错不能得到有效的控制，新生成的位错将大大超过缓冲层释放应力过程中融合的位错，使得生长得到的阶梯渐变的缓冲叠层产生极大的不完整性，不能形成较好的晶格结构，从而影响缓冲层上大晶格失配外延材料的晶格质量。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

本发明提供了一种包含缓冲层的外延结构，改善了阶梯渐变缓冲叠层界面产生的位错密度，增加位错融合几率，提高材料晶体的质量。

(二)技术方案

本发明提供了一种包含缓冲层的外延结构，包括衬底、基本缓冲层和阶梯渐变缓冲叠层，所述基本缓冲层和阶梯渐变缓冲叠层自下而上生长在衬底上，所述阶梯渐变缓冲叠层由多个单组分缓冲层构成，各单组分缓冲层的成分在外延生长方向上呈现阶梯状的单调变化；

作为一种优选地实施方式，所述阶梯渐变缓冲叠层的各单组分缓冲层之间生长了线性渐变缓冲层，所述线性渐变缓冲层的组分沿外延生长方向呈现线性变化；

作为一种优选地实施方式，所述基本缓冲层和衬底的材料相同；

作为一种优选地实施方式，所述线性渐变缓冲层的两端组分与其相邻的单组分缓冲层的组分相同；

作为一种优选地实施方式，所述线性渐变缓冲层的厚度为在0～50nm；

作为一种优选地实施方式，所述阶梯渐变缓冲叠层的每个单组分缓冲层的厚度大于50nm；

作为一种优选地实施方式，所述衬底的材料为InP或GaAs；

作为一种优选地实施方式，所述基本缓冲层的材料为InP或GaAs；

作为一种优选地实施方式，所述阶梯渐变缓冲叠层的每个单组分缓冲层的材料为InAs_xP_1-x或In_xAl_1-xAs，x范围为0到1；

作为一种优选地实施方式，所述性渐变缓冲层的材料为InAs_xP_1-x或In_xAl_1-xAs，x范围为0到1；

本发明还提供了一种包含缓冲层的外延结构的制备方法，包括如下步骤：

S1：在衬底上生长基本缓冲层；

S2：在基本缓冲层上生长至少一个单组分缓冲层和线性渐变缓冲层组成的组合层；

S3：在所述组合层上再生长一个单组分缓冲层后，进行目标外延层的生长。

(三)有益效果

本发明提供的包含缓冲层的外延结构，该结构中的线性渐变缓冲层的存在起到了抑制位错延伸，增加位错融合几率的作用，改善材料晶体质量，能使大晶格失配外延材料在阶梯渐变缓冲叠层中快速有效的发生弛豫释放应力，减少缓冲层位错密度，不需要在界面处进行源切换的中断，有利于在生长过程中保持源流量的稳定，提高材料的生长质量，并且降低源消耗，进而降低生产成本。

附图说明

图1是本发明包含缓冲层的外延结构示意图；

图2是本发明提供的包含缓冲层的外延结构的失配度变化的示意图；

图3是本发明包含缓冲层的外延结构的制备方法的流程图。

具体实施方式

本发明的包含缓冲层的外延结构，包括衬底、基本缓冲层和阶梯渐变缓冲叠层，如图1所示，基本缓冲层和阶梯渐变缓冲叠层自下而上生长在衬底上，阶梯渐变缓冲叠层由多个单组分缓冲层构成，各单组分缓冲层的成分在外延生长方向上呈现阶梯状的单调变化；阶梯渐变缓冲叠层的各单组分缓冲层之间生长了线性渐变缓冲层，线性渐变缓冲层的组分沿外延生长方向呈现线性变化。

图2是本发明提供的包含缓冲层的外延结构的失配度变化的示意图。随着外延层的生长，单组分缓冲层晶格常数从衬底晶格常数变化到目标外延层的晶格常数，因此晶格失配度也在逐渐增加，其晶格失配度的变化如图2所示。在整个生长过程中，随着生长厚度的增加，外延层晶格失配按图中所示变化，在生长阶梯缓冲层叠层过程中，每一个单组分缓冲层叠层内晶格失配度保持不变，而与线性渐变缓冲层相邻的两个单组分缓冲层的晶格失配度呈阶梯变化。该线性渐变缓冲层可以有效的降低每一个单组分缓冲层界面处位错的产生，使得在每一个单组分缓冲层界面处的位错通过线性渐变进行融合，有利于应力的释放和晶格完整性的提高。

图3是本发明的包含缓冲层的外延结构的制备方法的流程图，如图所不：

外延In_0.8Ga_0.2As大晶格失配材料的一种包含缓冲层的外延结构的制备方法，具体步骤如下：

S1：在正式生长之前先采用不同As和P组分，确定晶格缓冲层材料生长的源流量及生长温度；在InP衬底上外延生长In_0.8Ga_0.2As异变探测器材料，需要先在InP衬底上生长约200nmInP基本缓冲层。

S2：采用常规金属有机化合物化学气相沉积方法在基本缓冲层上生长至少一个高掺杂N型InAs_xP_1-x单组分缓冲层和线性渐变缓冲层组成的组合层，其中x从与InP晶格匹配变化到0.6。每个单组分缓冲层由不同x的InAs_xP_1-x组成，x的取值分别为0.12、025、0.37、0.49，0.6，生长时间约1800s，每个单组分缓冲层的厚度为300nm。

在每个单组分缓冲层的界面处，通过线性渐变将相应组分连续变化到与其相邻的上层，该外延层可以同时作为下接触层。

S3：在InAs_0.12P_0.88单组分缓冲层的界面生长线性渐变缓冲层，在线性渐变缓冲层生长过程中，不做源的切换及停止，直接通过流量控制器(MFC)对As源及P源进行变换，调整As/P流量，整个过程持续约50-300s；重复S2的操作直到顶层为InAs_0.6P_0.4为止，进行InGaAs材料的生长，材料生长厚度约为1um。

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，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。