专利名称：一种制备在GaAs基底上生长含Al外延层半导体材料的方法
技术领域：
本发明涉及制备半导体材料的方法，特别是制备一种在GaAs基底上生长含Al外延层的半导体材料的方法。
背景技术：
AlGaAs/GaAs异质结已经被广泛应用于高电子迁移率晶体管、量子阱激光器等电学和光学器件中。对于一个量子器件而言，完美的晶体结构和原子级平整度的界面是非常必要的。但是由于Al原子具有很强的活泼性，通常情况下，其在外延表面的迁移长度很小，尤其当Al组分超过0.3时。因此高Al组分的AlGaAs材料通常具有较多的缺陷，并且生长过程中容易成岛，导致很差的界面质量。所以通常的含Al的III-V化合物半导体的外延生长对生长条件的要求很高，比如说对V族元素如As，P等量的控制要很精确，如果V族元素太少，会导致材料脱离化学配比，但是太多的话又会降低Al原子的迁移长度，使材料不在一层层的生长模式下进行，从而使材料中具有大量的位错和很粗糙的界面。对生长温度的控制也是如此，太低的生长温度会降低原子的迁移长度，太高的温度会使材料分解。
为了改善AlGaAs晶体质量和界面质量，曾采用降低生长速率法和中断方法来制备此类半导体材料。降低生长速率方法是采用降低Al和Ga原子束流，同时降低As的分子束流，让吸附的原子有足够的时间迁移到合适的位置，提高吸附原子的生长表面的迁移长度，达到改善界面和晶体质量，如文献1J.Appl.Phys.54(1983)6982中所述的。但是此方法也有一些缺点低的生长速率也意味着本底杂质吸附几率的增加，所以会增加材料的本底浓度，这些高的本底浓度会导致对材料浓度的控制的减弱，并且对器件的有相当不利的影响；低的生长速率会增加材料的生长时间，提高器件的成本。
中断方法，如文献2Jpn.J.Appl.Phys.25(1986)L155所述，是指在生长一定厚度的材料后，采取停止Al和Ga原子的供给，而只用As束流来保护生长表面的方法，在中断生长一定时间，一般为几秒到几分钟后恢复材料的生长，此方法可以让生长表面吸附的III族元素如Al、Ga有足够的时间迁移到合适的地方去，从而达到改善界面的目的。但是中断会使杂质在中断界面的不断积累，增加材料的本底浓度；而且，中断也不会降低材料生长的条件的苛刻程度，也不会减少生长含Al材料时耦合进去的杂质。
发明内容
本发明的目的在于克服已有技术制备含Al外延层时本底浓度高，成本高的缺陷，从而提供一种制备在GaAs基底上生长含Al外延层的半导体材料的方法，该方法可以降低材料生长的苛刻条件，减少材料生长条件改变的频繁程度，减少材料的缺陷浓度和本底浓度，并使制备的材料具有原子级平整度的界面。
本发明的目的是通过如下的技术方案实现的本发明提供一种制备在GaAs基底上生长含Al外延层的半导体材料的方法，将GaAs衬底在真空中，以常规方法将其表面在As分子束保护下加热到580℃脱去表面氧化膜，然后通入As∶Ga束流，生长GaAs缓冲层，在GaAs缓冲层表面再生长含Al外延层，最后覆盖GaAs盖帽层，得到半导体材料，其特征在于在400～650℃，采用As分子束保护，在GaAs缓冲层表面再生长含Al外延层时，加入As原子摩尔数的1～10％的In原子作为表面活化剂。
本发明提供的一种制备在GaAs基底上生长含Al外延层的半导体材料的方法，与已有技术生长含Al外延层的方法相比，其优点在于加入In作为表面活性剂，可以大大提高Al等在GaAs基底上的迁移长度，降低材料生长条件的苛刻程度；另外，本方法工艺简单，不需要调节其他参数，只需要在生长时掺入少量的In就可以了；而且在生长外延层过程中，In又会被重新蒸发，并不会因为In的掺入改变材料的组成；使用本方法可以得到原子级别的界面平整度，并减少外延层的缺陷。
图1是本发明实施例1-3的GaAs/Al0.4Ga0.6As三个量子阱材料的低温光荧光谱；图2是本发明实施例1-3的GaAs/Al0.4Ga0.6As三个量子阱材料的低温光荧光谱半峰宽与波长关系；图3是本发明实施例1-3的GaAs/Al0.4Ga0.6As三个量子阱材料的低温光荧光强度和波长的关系；图4是本发明实施例4-5的GaAs/AlAs三个量子阱材料的低温光荧光谱；其中曲线1代表In作为表面活化剂；
曲线2代表中断生长方法；曲线3代表普通生长方法。
具体实施例方式
下面结合实施例和附图对本发明进行详细地说明实施例1以常规方法生长Al0.4Ga0.6As/GaAs三个量子阱材料GaAs衬底在1×10-10乇的本底真空下，表面在As分子束保护下加热到580℃脱去表面氧化膜，然后以500nm/小时的GaAs生长速率，Ga∶As束流比为1∶30，衬底温度在580℃下生长500nm厚的GaAs缓冲层。
在610℃，以上述的As分子束，在GaAs缓冲层表面上以500nm/小时的GaAs生长速率，833nm/小时的Al0.4Ga0.6As生长速率依次生长100nm厚的Al0.4Ga0.6As，5nm厚的GaAs，50nm厚的Al0.4Ga0.6As，2.5nm厚的GaAs，50nm厚的Al0.4Ga0.6As，1.5nm厚的GaAs，100nm厚的Al0.4Ga0.6As，最后覆盖3nm厚的GaAs来防止Al0.4Ga0.6As的氧化，在整个过程中不改变生长温度和As原子流量的大小。
实施例2以中断方法生长Al0.4Ga0.6As/GaAs三个量子阱材料GaAs衬底在1×10-10乇的本底真空下，表面在As分子束保护下加热到580℃脱去表面氧化膜，然后以500nm/小时的GaAs生长速率，Ga∶As束流比为1∶30，衬底温度在580℃下生长500nm厚的GaAs缓冲层。
在610℃，以上述的As分子束，在GaAs缓冲层表面上以500nm/小时的GaAs生长速率，833nm/小时的Al0.4Ga0.6As生长速率依次生长100nm厚的Al0.4Ga0.6As，中断30秒，再生长5nm厚的GaAs，50nm厚的Al0.4Ga0.6As，再中断30秒，再生长2.5nm厚的GaAs，50nm厚的Al0.4Ga0.6As，再中断30秒，再生长1.5nm厚的GaAs，100nm厚的Al0.4Ga0.6As，最后覆盖3nm厚的GaAs来防止Al0.4Ga0.6As的氧化，在整个过程中不改变生长温度和As原子流量的大小。
实施例3以本发明的方法在GaAs基底上生长含Al外延层制备半导体材料时掺入1％In原子作为表面活性剂生长Al0.4Ga0.6As/GaAs三个量子阱材料GaAs衬底在1×10-10乇的本底真空下，表面在As分子束保护下加热到580℃脱去表面氧化膜，然后以500nm/小时的GaAs生长速率，Ga∶As束流比为1∶30，衬底温度在580℃下生长500nm厚的GaAs缓冲层。
在610℃，以上述的As分子束，并加入As原子摩尔数的1％的In原子作为表面活化剂，在GaAs缓冲层表面上以500nm/小时的GaAs生长速率，833nm/小时的Al0.4Ga0.6As生长速率依次生长100nm厚的Al0.4Ga0.6As，5nm厚的GaAs，50nm厚的Al0.4Ga0.6As，2.5nm厚的GaAs，50nm厚的Al0.4Ga0.6As，1.5nm厚的GaAs，100nm厚的Al0.4Ga0.6As，由于In在610℃会被重新蒸发，所以，加入In原子并不会改变材料的组分，In在材料生长中只是起到活化剂的作用，最后覆盖3nm厚的GaAs来防止Al0.4Ga0.6As的氧化，在整个过程中不改变生长温度和As原子流量的大小。
此三个实施例的低温光荧光图如图1所示，可以看出，本发明5nm厚的量子阱低温光荧光谱的半峰宽只有5.1meV，比起常规方法的16meV，中断方法7meV要小的多，如图2所示，由于量子阱低温光荧光谱的半峰宽是与界面平整度成正比关系，因此，可以判断此本发明可以有效地提高其他III族元素的原子迁移长度，得到非常平整的界面。另外，本发明的三个量子阱发光强度比其他两种方法要高2-3倍，如图3所示，此发光强度的提高可以说明本发明可以有效的抑制AlGaAs材料中的非辐射复合中心。
实施例4以中断方法生长AlAs/GaAs三个量子阱材料GaAs衬底在1×10-10乇的本底真空下，表面在As分子束保护下加热到580℃脱去表面氧化膜，然后以1000nm/小时的GaAs生长速率，Ga∶As束流比为1∶30，衬底温度在580℃下生长500nm厚的GaAs缓冲层。
在600℃，在GaAs缓冲层表面上以1000nm/小时的GaAs生长速率，300nm/小时的AlAs生长速率依次生长30nm厚的AlAs，10nm厚的GaAs，中断30秒，再生长30nm厚的AlAs，8nm厚的GaAs，再中断30秒，再生长30nm厚的AlAs，再中断30秒，再生长5nm厚的GaAs，30nm厚的AlAs，最后覆盖3nm厚的GaAs来防止AlAs的氧化，在整个生长过程中，生长GaAs时的Ga∶As束流比为1∶30，生长AlAs时的Al∶As束流比为1∶5，生长温度为680℃。
实施例5以本发明的方法在GaAs基底上生长含Al外延层制备半导体材料时掺入10％In原子作为表面活性剂生长AlAs/GaAs三个量子阱材料GaAs衬底在1×10-10乇的本底真空下，表面在As分子束保护下加热到580℃脱去表面氧化膜，然后以1000nm/小时的GaAs生长速率，Ga∶As束流比为1∶30，衬底温度在580℃下生长500nm厚的GaAs缓冲层。
在630℃，以上述的As分子束，并加入As原子摩尔数的10％的In原子作为表面活化剂，在GaAs缓冲层表面上以1000nm/小时的GaAs生长速率，300nm/小时的AlAs生长速率依次生长30nm厚的AlAs，10nm厚的GaAs，30nm厚的AlAs，8nm厚的GaAs，30nm厚的AlAs，5nm厚的GaAs，30nm厚的AlAs，由于In在630℃会被重新蒸发，所以，加入In原子并不会改变材料的组分，In在材料生长中只是起到活化剂的作用，最后覆盖3nm厚的GaAs来防止AlAs的氧化，在整个过程中不改变生长温度和As原子流量的大小。
本发明实施例4和5的低温光荧光图如图4所示，其窄的低温光荧光谱的半峰宽和高的发光强度说明本发明可以说明本发明可以有效的提高其他III族元素的原子迁移长度，得到非常平整的界面和抑制AlAs材料中的非辐射复合中心。
实施例6以中断方法生长反型高电子迁移率晶体管(I-HEMT)GaAs衬底在1×10-10乇的本底真空下，表面在As分子束保护下加热到580℃脱去表面氧化膜，然后以1000nm/小时的GaAs生长速率，Ga∶As束流比为1∶30，衬底温度在580℃下生长500nm厚的GaAs缓冲层。
在600℃，以上述的As分子束，在GaAs缓冲层表面上以1000nm/小时的GaAs生长速率，1250nm/小时的Al0.2Ga0.8As生长速率生长100nm厚的Al0.2Ga0.8As，中断60秒，然后在同样的As分子束条件下进行1×1012cm-2的Si平面掺杂，随后在同样的条件下依次生长20nm厚的Al0.2Ga0.8As，200nm厚的GaAs。
实施例7以本发明的方法在GaAs基底上生长含Al外延层制备半导体材料时掺入5％In原子作为表面活性剂生长反型高电子迁移率晶体管(I-HEMT)GaAs衬底在1×10-10乇的本底真空下，表面在As分子束保护下加热到580℃脱去表面氧化膜，然后以1000nm/小时的GaAs生长速率，Ga∶As束流比为1∶30，衬底温度在580℃下生长500nm厚的GaAs缓冲层。
在600℃，以上述的As分子束，并加入As原子摩尔数的5％的In原子作为表面活化剂，在GaAs缓冲层表面上以1000nm/小时的GaAs生长速率，1250nm/小时的Al0.2Ga0.8As生长速率生长100nm厚的Al0.2Ga0.8As然后在同样的As分子束条件下进行1×1012cm-2的Si平面掺杂，随后在同样的条件下依次生长20nm厚的Al0.2Ga0.8As，200nm厚的GaAs。
对实施例6和7在77K温度下的霍耳测量得到的二维电子气的迁移率分别为8350和78670cm2/Vs，因为低温下二维电子气的迁移率主要取决于材料中的杂质和界面的平整度，因此，实施例7的迁移率的大幅提高说明了本发明不但可以非常有效地改善界面的平整度，还可以降低材料中的杂质浓度。
权利要求
1.一种制备在GaAs基底上生长含Al外延层的半导体材料的方法，将GaAs衬底在真空中，以常规方法将其表面在As分子束保护下加热到580℃脱去表面氧化膜，然后通入AsGa束流，生长GaAs缓冲层，在GaAs缓冲层表面再生长含Al外延层，最后覆盖GaAs盖帽层，得到半导体材料，其特征在于在400～650℃，采用As分子束保护，在GaAs缓冲层表面再生长含Al外延层时，加入As原子摩尔数的1～10％的In原子作为表面活化剂。
全文摘要
本发明涉及一种制备在GaAs基底上生长含Al外延层的半导体材料的方法，将GaAs衬底在真空中，以常规方法将其表面在As分子束保护下加热到580℃脱去表面氧化膜，然后通入As∶Ga束流，生长GaAs缓冲层，在GaAs缓冲层表面再生长含Al外延层，最后覆盖GaAs盖帽层，得到半导体材料，其特征在于在400℃～650℃，采用As分子束保护，在GaAs缓冲层表面再生长含Al外延层时，加入As原子摩尔数的1～10％的In原子作为表面活化剂。本发明可以增强其它原子在外延表面的迁移长度，从而达到改善多层外延膜的界面质量和体质量的目的。
文档编号H01L21/02GK1536621SQ0312182
公开日2004年10月13日 申请日期2003年4月11日 优先权日2003年4月11日
发明者周均铭, 陈弘, 王文冲, 贾海强, 尚勋忠, 黄绮 申请人:中国科学院物理研究所