一种硅基砷化镓复合衬底的制备方法
【专利摘要】本发明涉及一种硅基砷化镓复合衬底的制备方法，其特征在于所述的复合衬底以锑化物为中间层、上、下表面分别形成压应变AlSb/Si和张应变GaAs/GaSb的界面失配位错阵列IMF，使应变在两个界面处得到释放，解决了GaAs与Si之间晶格失配。所述Si衬底为向[110]晶向斜切5°。制备方法特征在于首先在Si衬底上生长AlSb/Si IMF阵列，然后生长GaSb缓冲层，然后在GaSb缓冲层上生长GaAs/GaSb IFM阵列，从而完成从Si衬底向GaAs材料层的过渡，获得Si基GaAs复合衬底。本发明解决了Si衬底与GaAs外延层的晶格失配，不失为为Si基Ⅲ?Ⅴ材料光电耦合提供了一种可行性方案，为Ⅲ?Ⅴ族材料集成技术的发展提供了重要的实施途径。
【专利说明】
一种硅基砷化镓复合衬底的制备方法
技术领域
[0001]本发明提供了一种制备Si基GaAs复合衬底的方法，属于半导体材料，器件工艺技术领域。
【背景技术】
[0002]从20世纪50年代第一个晶体管的发明至今，集成电路的尺寸一直按照摩尔定律发展。随着Si基集成电路芯片的集成度不断提高，特征尺寸的不断缩小，集成电路技术面临着速度、功耗、集成度的严重挑战[Liang D,Bowers J E.Recent progress in lasers onsi I icon [J].Nature Photonics , 2010,4(8):511-517.]。当电路和器件特征尺寸接近原子尺度时，受到量子效应限制，器件的可靠性降低。传统的以电子为介质的集成电路内部通信方式是导致这一困境的主要原因。采用光互连技术可以有效的解决集成电路进一步发展的尺寸限制同时可以极大的提高芯片间信息传输的速度和频率。Si基光电子集成是实现集成电路光互联的核心技术和重要研究方向[Ganesh Balakrishnan ,A.J.,Paul Rotella,Shenghong Huang,Arezou Khoshakhlagh,Abdenour Amtout,Sanjay Krishna(2006).〃Room-Temperature Optically Pumped(Al)GaSb Vertical-Cavity Surface-EmittingLaser Monolithically Grown on an Si (I 0 0)Substrate."Journal of SelectedTopics in Quantum Electronics 12(6).]。然而，Si因为其间接带系的特性很难作为发光材料[J.Noborisaka,K.Nishiguchi，A.Fujiwara(2014)."Electric tuning of direct-1ndirect optical transit1ns in silicon."Scientific Reports4(6950).]。而传统m-V族材料如InP，GaAs，已经在光电子器件领域得到广泛的应用。因此，Si基ΙΠ-V集成是实现Si基光电子的一种理想途径。现有的Si基m-v集成主要有晶片键合和直接外延两种途径。东京大学的K.Tanabe等人分别利用直接键合和金属媒介键合的方法实现了 1.3umInAs/InGaAs讲中量子点有源区激光器在Si衬底上的集成[K.Tanabe，Τ.Rae, K.Watanabe,and Y.Arakawa(2013).“High-Temperature 1.3um InAs/GaAs Quantum Dot Lasers onSi Substrates Fabricated by wafer bonding.''Applied Physics Express 6(082703).]。加州大学的John E.Bowers课题组利用键合方法将1.55um InP基量子阱激光器在Si衬底的集成，并且实现了光场在Si介质光波导中的親合[Park，H.,Fang,A.ff.，Kodama,S.&Bowers，J.E(2005).“Hybrid silicon evanescent laser fabricated with asi I icon waveguide and II1-V off set quantum wells ,Optical Express 13，(9460).]。虽然上述通过键合获得的Si基发光器件的性能良好，但由于需要采用m-v族衬底外延生长增加了器件制备的成本并且产量也受到衬底尺寸的限制，无法实现大规模生产。键合的工艺流程也与传统的Si工艺不相匹配。然而，直接外延生长提供了一种实现Si基光电集成的更为简单有效的途径。MIT的J.F.Liu等人利用Si衬底上外延生长Ge薄膜的热膨胀系数不同在Ge外延层中引入张应变，并进一步通过η型掺杂填充L能谷最终得到电栗浦的Si基Ge激光器。但其性能依然无法达到实际应用水平[Liu J,Kimerling L C1MichelJ.Monolithic Ge—on—Si lasers for large-scale electronic-photonic integrat1n[J].Semiconductor Science and Technology，2012，27(9): 094006.]。伦敦大学学院的
H.Y.Liu教授课题组利用Ge作为中间层在Si衬底上外延生长并制备了室温连续激射的InAs/InGaAs讲中量子点有源区激光器[Lee A, Jiang Q1Tang M,et al.Continuous-waveInAs/GaAs quantum-dot laser d1des monolithically grown on Si substrate withlow threshold current densities[J].0ptics express,2012,20(20):22181-22187.]0Ge与Si可以无限互溶并且与GaAs的晶格常数几乎相同，Ge中间层有效的解决了 Si衬底上外延生长GaAs的晶格失配问题。然而，上述方法的可靠性依然需要进一步的改善。H.Y.Liu教授课题组同时也Si衬底上直接外延生长并制备InAs/InGaAs阱中量子点有源区激光器，其中利用应变弛豫的大厚度的GaAs缓冲层和InGaAs/AlGaAs应变超晶格位错过滤层减少有源区的位错密度[Tang M, Chen S ,Wu J, et al.1.3-μπι InAs/GaAs quantum-dot lasersmonolithically grown on Si substrates using InAlAs/GaAs dislocat1n filterlayers [J].0ptics express, 2014,22( 10): 11528-11535.]。这同时也增加了器件制备的工艺复杂程度和光场耦合的难度。
[0003]与GaAs等II1-V族材料不同，在Si衬底上外延生长Sb化物(尤其是AlSb)会在界面处自组装形成周期分布的压应变90度刃位错阵列(MF)，位错线在生长界面内传播，异质外延晶格失配应力在界面处就得到释放，不需要大厚度的缓冲层[Huang S H ,Ba IakrishnanG,Khoshakhlagh A,et al.Simultaneous interfacial misfit array format1n andantiphase domain suppress1n on miscut silicon substrate[J].Applied PhysicsLetters，2008，93(7): 71102.]。同时AlSb与Si衬底也具有较GaAs更小的热失配等优点。同样的张应变MF也可以在GaSb衬底上外延生长GaAs时得到，GaAs/GaSb界面的张应变失配应力在界面处得到释放，位错密度降低到106/cm2甚至更低[Huang S H,Balakrishnan G,Mehta M,et al.Epitaxial growth and format1n of interfacial misfit array fortensile GaAs on GaSb[J].Applied physics letters,2007,90(16):161902.]0
[0004]通过以上异质外延生长模式的分析，可以得到一种解决Si与GaAs之间晶格失配问题的方法，从而形成本发明的构思。本发明拟利用GaSb/AlSb结构作为中间层，通过分别在AlSb/Si界面和GaAs/GaSb界面形成压应变和张应变MF，使Si衬底与GaAs外延层之间的晶格失配得到释放最终获得Si基GaAs复合衬底。因此，本发明为Si基ΙΠ-V光电耦合提供了一种新的可行性方案。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于提供一种硅基砷化镓复合衬底的制备方法，本发明所要解决的技术问题是提供一种用于制备Si基GaAs复合衬底的方法。通过将Sb化物(AlSb/GaSb)作为中间层，将压应变和张应变MF结合解决Si衬底与GaAs外延层之间晶格失配问题。
[0006]由此可见，本发明的特征之一在于:利用产生两层頂F阵列的方法解决Si与GaAs材料体系的晶格失配冋题；
[0007]本发明的特征之二在于:利用的頂F阵列中包含在Si衬底上生长AlSb形成AlSb/Si界面頂F阵列；
[0008]本发明的特征之三在于:利用的IMF阵列中包含在GaSb表面生长GaAs形成GaAs/GaSb界面頂F阵列；
[0009]本发明的特征之四在于:基于分子束外延方法首先在Si衬底上生长AlSb/SiIMF阵列，然后生长GaSb缓冲层，然后在GaSb缓冲层上生长GaAs/GaSb IFM阵列，从而完成从Si衬底向GaAs材料层的过渡，获得Si基GaAs复合衬底。
[0010]本发明提供一种利用分子束外延(MBE)技术制备硅Si基砷化镓GaAs复合衬底及其制备方法。该方法通过将锑Sb化物作为中间层，并在其上下表面分别形成压应变AlSb/Si和张应变GaAs/GaSb的界面失配位错阵列MF使应变在两个界面处得到释放并且不会随厚度继续增加产生位错，从而解决GaAs与Si之间的晶格失配问题，最终得到硅基砷化镓复合衬底。本发明对于Si基m-v材料集成技术的发展提供了重要的实施途径。
[0011]上述的复合结构可以利用常规的分子束外延生长方法实现，操作工艺简单，易控制。
[0012]本发明所述的方法将AlSb/Si界面和GaAs/GaSb界面的压应变和张应变頂F结合到同一结构中，解决了Si衬底与GaAs外延层的晶格失配问题；由于晶格失配在两个界面处得到释放，可以显著降低所需缓冲层的厚度，从而为Si基光电耦合提供便利;可以用常规的分子束外延方法生长，操作简单，易控制。本发明为m-v族材料集成技术的发展提供了重要的实施途径。
【附图说明】
[0013]图1是AlSb/Si和GaAs/GaSb界面的压应变和张应变頂F原子结构示意图。
[0014]图2是GaSb/AlSb为中间层的Si基GaAs复合衬底的结构示意图。
【具体实施方式】
[0015]下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，本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，在阅读了本发明讲述的内容后，本领域技术人员可对本发明做相应改动或修改，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。
[0016]实施例1
[0017]以下描述为利用分子束外延生长方法制备Si基GaAs复合衬底的步骤，步骤中所提及的温度均为实际温度(非热偶直接读数)，这些步骤以及温度对于具体的生长设备可以做相应的优化。采用的Si (100)衬底均为向[110]晶向斜切5°，先前研究表明5°斜切的衬底表面可以最大程度形成双原子层台阶，从而更好的消除外延生长过程中反相畴的产生。具体制备步骤如下:
[0018](I)将Si衬底浸润在氢氟酸溶液中，除去表面的S12氧化层。
[0019](2)将Si衬底传至预处理室，在真空环境下加热到500°C除去表面氢键及杂质。
[0020](3)将Si衬底传至生长室，衬底温度加热至800°C脱去表面剩余氧化层并通过观察高能电子束衍射出现(2 X 2)再构表明完全脱氧。衬底温度保持800°C10分钟使衬底表面充分形成双原子层台阶以防止反相畴的产生。
[0021 ] (4)将衬底温度将至500°C，打开Al束源炉快门并控制时间使表面衬底1.04原子层厚度的Al并关闭Al束源炉快门。随后，打开Sb束源炉的快门使表面在Sb氛围下浸润10秒钟。随即打开Al束源炉快门控制时间生长5nm厚度的AlSb并关闭Al束源炉快门。此时在Si/AlSb界面已经形成周期排列的压应变MF阵列，如图1所示。
[0022](5)保持衬底温度不变，打开Ga束源炉快门，生长10nm厚度的GaSb层并关闭Ga束源炉。
[0023](6)将衬底温度升至580°C，关闭Sb束源炉快门产生富Ga表面，此过程中高能电子束衍射由(1X3)再构变为(2X4)。随即打开As束源炉快门。
[0024](7)为使得表面形成完整Ga-As键的同时防止腐蚀坑的产生，在As束源炉快门打开后随即打开Ga束源炉快门。使表面在As2氛围中的浸润时间短至0.1秒钟。保持衬底温度不变生长500nm厚度GaAs外延层，此时在GaAs/GaSb界面已经形成周期排列的张应变IMF阵列，如图1所示。最终得到表面平整的Si基GaAs复合衬底，结构如图2所示。
[0025]由图1可知，刃位错延界面传播周期分布形成IMF阵列。Si衬底表面双原子层台阶，配合在生长初期表面首先沉积一层Al原子层，这使得后续在台阶两侧生长的AlSb和GaSb有相同的ΙΠ族和V族原子层排序，从而防止了反相畴的产生。
[0026]由图2可知压应变和张应变IMF阵列在同一结构中结合，解决了Si衬底与GaAs外延层之间的晶格失配问题。
[0027]必须强调的上面所述真空环境下加热到500°C，800°C脱去表面剩余氧化层等均为选用最佳实施温度或时间，具体可以在本领域所属的技术人员熟知的一定温度或时间内实施本发明，显然也属于本发明所欲保护的范围。同时，Ga束源炉，As束源炉快门开启时间及温度以及生成GaAs、GaSb、AlSb等厚度也属于本领域所所属的技术人员可以依本发明特点方便地选用和调配。
【主权项】
1.一种硅基砷化镓复合衬底，其特征在于所述的复合衬底以锑化物为中间层、上、下表面分别形成压应变AlSb/Si和张应变GaAs/GaSb的界面失配位错阵列IMF，使应变在两个界面处得到释放，解决了 GaAs与Si衬底之间晶格失配。2.按权利要求1所述的复合衬底，其特征在于所述Si衬底为向[110]晶向斜切5°。3.按权利要求2所述的复合衬底，其特征在于斜切的衬底表面最大程度形成双原子层台阶，以利于消除外延生长过程中反相畴的产生。4.按权利要求1所述的复合衬底，其特征在于形成的复合衬底不会随厚度的继续增加而产生位错。5.制备如权利要求1-4中任一项所述的复合衬底的方法，其特征在于首先在Si衬底上生长AlSb/Si頂F阵列，然后生长GaSb缓冲层，最后在GaSb缓冲层上生长GaAs/GaSb IFM阵列，从而完成从Si衬底向GaAs材料层的过渡，获得Si基GaAs复合衬底。6.按权利要求5所述的方法，其特征在于具体步骤是: (1)将Si(100)衬底浸润在氢氟酸溶液中，除去表面的Si02氧化层； (2)将Si(10)衬底传至预处理室，在真空环境下加热到500°C除去表面氢键及杂质； (3)将Si(10)衬底传至生长室，衬底温度加热至8(KTC脱去表面剩余氧化层并通过观察高能电子束衍射出现(2 X 2)再构表明完全脱氧。衬底温度保持800 0C1分钟使衬底表面充分形成双原子层台阶以防止反相畴的产生； (4)将衬底温度将至500°C，打开Al束源炉快门并控制时间使表面衬底1.04原子层厚度的Al并关闭Al束源炉快门。随后，打开Sb束源炉的快门使表面在Sb氛围下浸润10秒钟。随即打开Al束源炉快门控制时间生长5nm厚度的AlSb并关闭Al束源炉快门，在Si/AlSb界面已经形成周期排列的压应变IMF阵列； (5)保持衬底温度不变，打开Ga束源炉快门，生长10nm厚度的GaSb层并关闭Ga束源炉； (6)将衬底温度升至580°C，关闭Sb束源炉快门产生富Ga表面，此过程中高能电子束衍射由(I X 3)再构变为(2 X 4)，随即打开As束源炉快门； (7)为使得表面形成完整Ga-As键的同时防止腐蚀坑的产生，在As束源炉快门打开后随即打开Ga束源炉快门，使表面在As2氛围中的浸润时间缩短，保持衬底温度不变生长500nm厚度GaAs外延层，在GaAs/GaSb界面形成周期排列的张应变IMF阵列，最终得到表面平整的Si基GaAs复合衬底;Si (100)衬底为向[100]晶向斜切5°。7.按权利要求6所述的方法，其特征在于步骤(7)所述表面As气氛中浸润时间短至0.1秒。
【文档编号】H01L29/06GK105826169SQ201610153371
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2016年3月17日
【发明人】王朋, 龚谦, 曹春芳, 丁彤彤
【申请人】中国科学院上海微系统与信息技术研究所