专利名称：一种在砷化镓衬底上外延生长锑化镓的方法
技术领域：
本发明涉及锑化镓(GaSb)晶体外延生长技术，尤其涉及--种采用三 缓冲层生长工艺在砷化镓(GaAs)衬底上外延生长GaSb的方法背景技术：
GaSb基半导体材料(晶格常数为6.1A的InAs， GaSb， AlSb及其三
元化合物)，无论在光学特性还是电学特性方面都很好的弥补了传统半导 体材料的缺点，是制备高速、低功率的电子器件-高电子迁移率晶体管 (HEMT)或中远红外探测器和激光器(InAs/GaSb，超晶格红外探测器和 激光器)的首选新型材料。
虽然GaSb单晶片己商品化，但是由于存在成本高，缺少半绝缘衬底 等缺点，因此人们通常在GaAs衬底上制备GaSb外延层。而在异质外延 过程中，普遍存在一个问题是GaAs衬底与GaSb外延层之间存在约7%的 晶格失配和热胀系数失配，这对于生长高质量的GaSb晶体是一大障碍。
当前，国际上普遍采用缓冲层工艺来缓解衬底与外延层之间的晶格失 配和热失配。对于GaSb外延目前常用方法是在GaAs衬底上高温生长 GaAs缓冲层，降低衬底温度，在GaAs缓冲层直接生长GaSb外延层，属 于单缓冲层工艺。但是存在以下缺点由于GaAs衬底与GaSb外延层之间存在约7%的晶格失配，导致GaSb以三维岛状生长，得到的GaSb材料表面粗糙，位错密度大，晶体质量差。
在此基础上作者引入AlSb缓冲层，发明了双缓冲层工艺。试验证明双缓冲层工艺可促进外延层二维生长，从而提高外延层的晶体质量和表面平整度，能在GaAs衬底上生长出较优质的GaSb外延层。
但是试验发现，双缓冲层工艺制备的GaSb外延层的光学质量不好，其表现就是光荧光谱(PL谱)峰值强度很小或者没有光荧光信号，原因是由于晶格失配造成的穿通位错进入了 GaSb外延层中，产生了大量的非辐射 复合中心，光生载流子在还没有产生辐射复合之前就被这些缺陷复合掉了。对于光电器件来说，制备出光学性能优异的材料是前提，所以这是材料生长过程中必须解决的一个重大问题。
发明内容
针对背景技术提出的问题，本发明的目的在于提供一种在砷化镓衬底上外延生长锑化镓的方法，以提高外延层的光学质量。
为实现上述方法，本发明引入了由GaSb/AlSb超晶格组成的缓冲层，其作用是将晶格失配产生的大量穿通位错阻断，使进入GaSb外延层的位错密度大大降低，进而减小外延层中的非辐射复合中心密度，提高光荧光(PL)谱的峰值强度。
详细地说，本发明采用三缓冲层生长工艺，具体步骤为
A) 580°C下，在GaAs衬底上生长GaAs缓冲层；Ga源在GaAs缓冲 层生长温度为1150°C， As/Ga束流比为20;
B) 550℃下，在GaAs缓冲层上生长锑化铝AlSb缓冲层；Al源在AlSb 缓冲层生长时的温度为1180°C， Sb/Al束流比为5;
C) 450℃下，在锑化铝AlSb缓冲层上生长GaSb/AlSb超晶格缓冲层；Sb/Al束流比为5， Sb/Ga束流比为6;
D) 400至500℃下，在GaSb/AlSb超晶格缓冲层上生长GaSb外延层。
所述的方法，其中，步骤A之前进一步包括将免清洗的GaAs衬底
放在分子束外延生长室样品架上，在580℃条件下高温脱氧，并将GaAs 衬底温度升至630℃高温除气，然后将衬底温度降至580°C。
所述的方法，其中
所述分子束外延生长室在GaAs和AlSb缓冲层生长前处于真空状态，压 力为5xl0－9mbar;
所述分子束外延生长室在GaSb/AlSb超晶格缓冲层生长过程中，分子 束外延生长室压力为1-5x10—8mbar;
所述分子束外延生长室在GaSb外延层生长时，分子束外延生长室压力 为lxlO－8 mbar。
所述的方法，其中，步骤A包括将高温脱氧后的GaAs衬底稳定温 度在580。C，开启Ga源炉快门，在GaAs衬底上生长GaAs缓冲层。
所述的方法，其中，GaAs缓冲层生长厚度为0.5μm。
所述的方法，其中，步骤B包括关闭Ga源炉快门，将GaAs衬底 温度降为550。C，关闭As源炉快门，并开启Sb源炉快门和Al源炉快门， 在GaAs缓冲层上生长AlSb缓冲层。
所述的方法，其中，AlSb缓冲层生长厚度为100nm。
所述的方法，其中，所述步骤C包括关闭A1源炉快门，将GaAs 衬底温度降到450℃，重复开关Ga源炉快门和Al源炉快门，在AlSb缓 冲层上生长40周期的GaSb/AlSb超晶格外延层。
所述的方法，其中，GaSb/AlSb超晶格中各子层的厚度均为5nm。
所述的方法，其中，步骤D包括关闭A1、 Ga源炉快门，将GaAs 衬底温度降到400至500℃ ，开启Ga源炉快门，在GaSb/AlSb超晶格缓 冲层上生长GaSb外延层。
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果:
1、 利用本发明，将双缓冲层工艺改变为三缓冲层工艺，先在GaAs 衬底上生长GaAs缓冲层，然后在生长的GaAs缓冲层上生长AlSb缓冲层， 再在生长的AlSb缓冲层上生长GaSb/AlSb超晶格缓冲层，最后在 GaSb/AlSb超晶格缓冲层上生长GaSb外延层。GaSb/AlSb超晶格有效的阻 断了穿通位错的纵向生长，减小了 GaSb外延层中的缺陷即非辐射复合中 心的密度，大大提高了PL谱的强度。
2、 本发明采用三缓冲层生长工艺在GaAs衬底上外延生长GaSb的方 法，与双缓冲层相比，三缓冲层生长完成后进行的外延生长形成了较好的 二维生长，穿通位错和螺旋位错被大量阻断，GaSb外延层表面的螺位错 密度有了明显减小。
图1为本发明提供的在GaAs衬底上生长GaSb外延层的方法流程图2为本发明提供的在GaAs衬底上生长GaSb外延层的生长结构示意图3为在10K温度下测得的GaSb外延层的PL谱，其中曲线A为采 用双缓冲层工艺生长的GaSb外延层的PL谱；曲线B、 C、 D、 E为采用 三缓冲层工艺生长的分别含有10、 20、 30、 40个周期GaSb/AlSb超晶格 的GaSb外延层的PL谱。
具体实施例方式
本发明的在砷化镓(GaAs)衬底上外延生长锑化镓(GaSb)的方法，包括 如下步骤
A) 580℃条件下在GaAs衬底上生长GaAs缓冲层；
B) 550℃条件下在生长的GaAs缓冲层上生长锑化铝AlSb缓冲层；
C) 450℃条件下生长GaSb/AlSb超晶格缓冲层；
D) 400至500℃条件下在生长的GaSb/AlSb缓冲层上生长GaSb外延层。
所述步骤A之前进一步包括
将免清洗的GaAs衬底放在分子束外延(MBE)生长室样品架上,在 580°C条件下高温脱氧，并将GaAs衬底温度升至630°C高温除气，然后 将衬底温度降至580℃
所述MBE生长室在GaAs和AlSb缓冲层生长前处于高真空状态,压力为 5xlO-9mbar;
所述MBE生长室在GaAs 、 AlSb和GaSb/AlSb超晶格缓冲层生长过程 中，生长室压力处在l 5xlO8mbar范围；
所述MBE生长室在GaSb外延层生长时，生长室压力处在lx(l0)-8smbar 范围。
所述步骤A包括将高温脱氧后的GaAs衬底稳定温度在580℃，开 启Ga源炉快门，在GaAs衬底上生长GaAs缓冲层。
所述Ga源在GaAs缓冲层生长时的温度为1150℃。
所述GaAs缓冲层在生长时的As/Ga束流比为20，生长时间为30分 钟，生长厚度为0.5μm。
所述步骤B包括关闭Ga源炉快门，将GaAs衬底温度降为550℃， 关闭As源炉快门，并开启Sb源炉快门和Al源炉快门，在GaAs缓冲层 上生长AlSb缓冲层。
所述A1源在AlSb缓冲层生长时的温度为1180℃。
所述AlSb缓冲层在生长时的Al/Sb束流比为5，生长时间为12分钟， 生长厚度为100nm。
所述步骤C包括关闭A1源炉快门，将GaAs衬底温度降到450℃， 重复开启Ga源炉快门和Al源炉快门，在AlSb缓冲层上生长40周期的 GaSb/AlSb超晶格外延层。
所述GaSb/AlSb超晶格中各子层的厚度均为5nm， Sb/Al束流比为5， Sb/Ga束流比为6，生长时间为60分钟，生长厚度为400nm。
所述步骤D包括关闭Ga、 Al源炉快门，将GaAs衬底温度降到400 至500℃，开启Ga源炉快门，在GaSb/AlSb超晶格缓冲层上生长GaSb外 延层。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
如图1所示，图1为本发明提供的在GaAs衬底上生长GaSb外延层的方法流程图，该方法采用双缓冲层生长工艺，具体包括以下步骤
步骤101:在580℃ 条件下在GaAs衬底上生长GaAs缓冲层；
步骤102:在550℃ 条件下在生长的GaAs缓冲层上生长AlSb缓冲层；
步骤103:在450℃ 条件下在生长的AlSb缓冲层上生长GaSb/AlSb超晶格缓冲层；
步骤104:在400至500℃ 条件下在生长的GaSb/AlSb超晶格缓冲层 上生长GaSb外延层。
上述步骤101之前进一步包括将免清洗的GaAs衬底放在MBE生 长室样品架上,在580℃条件下高温脱氧，并将GaAs衬底温度升至630℃高温除气，然后将衬底温度降至580℃。
所述MBE生长室在GaAs和AlSb缓冲层生长前处于高真空状态,压力为 5xl0-9mbar;所述MBE生长室在GaAs、 AlSb和GaSb/AlSb缓冲层生长过程 中，生长室压力处在1 5xlO-Smbar范围；所述MBE生长室在GaSb外延层 生长时，生长室压力处在lxl(rSmbar范围。
上述步骤101包括将高温脱氧后的GaAs衬底稳定温度在580℃， 开启Ga源炉快门，在GaAs衬底上生长GaAs缓冲层。所述Ga源在GaAs 缓冲层生长时的温度为1150℃。所述GaAs缓冲层在生长时的As/Ga束流比为20，生长时间为30分钟，生长厚度为0.5pm。
上述步骤102包括关闭Ga源炉快门，将GaAs衬底温度降为550℃， 关闭As源炉快门，并开启Sb源炉快门和Al源炉快门，在GaAs缓冲层上生长AlSb缓冲层。所述Al源在AlSb缓冲层生长时的温度为U80。C。 所述AlSb缓冲层在生长时的Sb/Al束流比为5，生长时间为12分钟，生 长厚度为100nm。
上述步骤103包括关闭Al源炉快门，将GaAs衬底温度降到450°C， 重复开启Ga源炉快门和Al源炉快门，在AlSb缓冲层上生长40周期的 GaSb/AlSb超晶格外延层。所述GaSb/AlSb超晶格中各子层的厚度均为 5nm， Sb/Al束流比为5， Sb/Ga束流比为6，生长时间为60分钟，生长厚 度为400nm。
上述步骤104包括关闭Ga、 Al源炉快门，将GaAs衬底温度降到 400至500。C，开启Ga源炉快门，在AlSb缓冲层上生长GaSb外延层。
基于图1所示的在GaAs衬底上生长GaSb外延层的方法流程图，图2 示出了本发明提供的在GaAs衬底上生长GaSb外延层的生长结构示意图， 图3示出了采用双缓冲层工艺和三缓冲层工艺生长的GaSb外延层的PL 谱图。
与双缓冲层相比，三缓冲层生长完成后进行的外延生长过程中的穿通 位错已大量减少，表现为光荧光谱强度有了明显提高。图3示出了采用双 缓冲层工艺和三缓冲层生长工艺生长的GaSb外延层的PL谱图。
图3中曲线A为典型的双缓冲层工艺生长的GaSb外延层的低温PL 谱，曲线E为采用三缓冲层工艺生长的含有40周期GaSb/AlSb超晶格缓 冲层的GaSb外延层的低温PL谱。从图中可以明显看出，增加了40个周 期的超晶格之后，外延层的发光强度较没有超晶格的增大了7倍。图3中 曲线B、 C、 D分别代表周期数为IO、 20、 30的样品的PL谱。它们的强度都比O周期的样品的谱强度高，且随着周期数的增加强度逐渐变大，PL 谱峰值强度随之增大。由图3可以看出，三缓冲层工艺得到的外延层GaSb
的光学质量有很大的提高。
因此，为了减小外延层中的穿通位错密度，得到具有好的光学质量的 外延层，最有效的方法是改变双缓冲层生长工艺，而提出三缓冲层工艺的 新思路，既在较高的温度下生长第一层缓冲层以获得较好结晶成核基底， 然后在稍低的温度下生长第二层缓冲层来容纳大的晶格失配，以获得较好 的准二维生长平面，再在较低的温度下生长第三层缓冲层来阻断穿通位
错，以便为获得具有好的光学性质的GaSb外延层提供更好的生长基底。
以下结合具体的实施例对本发明提供的在GaAs衬底上生长GaSb外
延层的方法进一步详细说明。
实施例1
在对清洗干净的GaAs衬底进行高温脱氧并除气后，将GaAs衬底温度 降到580℃ ，开启Ga源炉快门，Ga源温度1150℃ ，在GaAs衬底上进行GaAs 高温缓冲层的结晶生长。GaAs缓冲层的生长时间30分钟，厚度0.5pm。 分子束外延生长室压力为5xl0—9mbar。
然后关闭Ga源炉快门，将衬底温度降至550℃ 左右，关闭As源炉快门， 打开Sb源炉快门，打开A1源炉快门，A1源温度1180℃ ，在GaAs缓冲层上生 长低温AlSb缓冲层，生长时间12分钟，厚度约为100nm。分子束外延生 长室压力为5xl0—9mbar。
然后关闭A1源炉快门，衬底温度降到450℃ ，重复开启Ga源炉和Al源 炉快门，生长10周期(10xGaSb/AlSb)的GaSb/AlSb超晶格。分子束外延生长室压力为l-5×(l0)-8mbar，
然后关闭Ga、Al源炉快门，衬底温度降到500°C，开启Ga源炉快门，在GaSb/AlSb缓冲层上进行外延层GaSb的生长，分子束外延生长室压力为lx(lO)-8mbar，所得GaSb外延层的PL谱为图3中曲线(B)所示，其强度较0周期的有所提高。
实施例2、3
不同周期数的GaSbZAlSb超晶格分别为20(C)、30(D)，其余同实施例1。 10K下测得PL谱如图3所示。
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，所应理解的是，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。
权利要求
1. 一种在砷化镓衬底上外延生长锑化镓的方法，采用三缓冲层生长工艺，其步骤如下A)580℃下，在GaAs衬底上生长GaAs缓冲层；Ga源在GaAs缓冲层生长温度为1150℃，As/Ga束流比为20；B)550℃下，在GaAs缓冲层上生长锑化铝AlSb缓冲层；Al源在AlSb缓冲层生长时的温度为1180℃，Sb/Al束流比为5；C)450℃下，在锑化铝AlSb缓冲层上生长GaSb/AlSb超晶格缓冲层；，Sb/Al束流比为5，Sb/Ga束流比为6；D)400至500℃下，在GaSb/AlSb超晶格缓冲层上生长GaSb外延层。
2、 根据权利要求1所述的方法，其中，步骤A之前进一步包括将 免清洗的GaAs衬底放在分子束外延生长室样品架上，在58(TC条件下高 温脱氧，并将GaAs衬底温度升至63(TC高温除气，然后将衬底温度降至 58CTC 。
3、 根据权利要求2所述的方法，其中所述分子束外延生长室在GaAs和AlSb缓冲层生长前处于真空状态，压 力为5x10—9mbar;所述分子束外延生长室在GaSb/AlSb超晶格缓冲层生长过程中，分子 束外延生长室压力为l-5xlO—8mbar;所述分子束外延生长室在GaSb外延层生长时，分子束外延生长室压力 为lxl(T8mbar。
4、 根据权利要求1或2所述的方法，其中，步骤A包括将高温脱 氧后的GaAs衬底稳定温度在580°C ，开启Ga源炉快门，在GaAs衬底上 生长GaAs缓冲层。
5、 根据权利要求1或4所述的方法，其中，GaAs缓冲层生长厚度为 0.5[im。
6、 根据权利要求1所述的方法，其中，步骤B包括关闭Ga源炉快 门，将GaAs衬底温度降为550°C，关闭As源炉快门，并开启Sb源炉快 门和Al源炉快门，在GaAs缓冲层上生长AlSb缓冲层。
7、 根据权利要求1或6所述的方法，其中，AlSb缓冲层生长厚度为 腦nm。
8、 根据权利要求1所述的方法，其中，所述步骤C包括关闭Al源炉快门，将GaAs衬底温度降到45(TC，重复开关Ga源炉快门和Al源 炉快门，在AlSb缓冲层上生长40周期的GaSb/AlSb超晶格外延层。
9、 根据权利要求1或8所述的方法，其中，GaSb/AlSb超晶格中各子 层的厚度均为5nm。
10、 根据权利要求1所述的方法，其中，步骤D包括关闭A1、 Ga 源炉快门，将GaAs衬底温度降到400至500°C ,开启Ga源炉快门，在 GaSb/AlSb超晶格缓冲层上生长GaSb外延层。
全文摘要
本发明公开了一种在砷化镓衬底上外延生长GaSb的方法，该方法采用三缓冲层生长工艺，具体包括A)580℃条件下在GaAs衬底上生长GaAs缓冲层；B)550℃条件下在生长的GaAs缓冲层上生长AlSb缓冲层；C)450℃条件下AlSb缓冲层上长GaSb/AlSb超晶格缓冲层；D)400-500℃条件下在生长的GaSb/AlSb超晶格缓冲层上生长GaSb外延层。利用本发明，将双缓冲层工艺改变为三缓冲层工艺，先在GaAs衬底上生长GaAs缓冲层，然后在生长的GaAs缓冲层上生长AlSb缓冲层，在AlSb缓冲层上生长GaSb/AlSb超晶格缓冲层，最后在生长的GaSb/AlSb超晶格缓冲层上生长GaSb外延层，有效的减少了穿通位错，从而提高了GaSb外延层的光学质量。
文档编号H01L21/02GK101207022SQ20061016554
公开日2008年6月25日 申请日期2006年12月21日 优先权日2006年12月21日
发明者任正伟, 周志强, 徐应强, 牛智川, 郝瑞亭 申请人:中国科学院半导体研究所