本发明涉及半导体技术领域，更具体地，涉及一种ingaas/si外延材料的制备方法。
背景技术：
近年来，随着信息技术的飞速发展，对数据的处理、存储和传输的要求也越来越高，通信系统面临着新的挑战。以硅材料为主导的微电子工艺不断推动着芯片尺寸的减小，但是电互联限制着超小尺寸的芯片内和芯片间的信号传输。如何实现芯片的高速传输成为信息技术的关键问题。为了解决上述问题，研究人员提出了将光电子器件也集成到微电子的硅基平台上。这样，既可以利用微电子的成熟的工艺技术，又可以利用光子的高传输速率、高抗干扰性等优势，从而实现超小尺寸芯片的光互联。
经过科研工作者的长期努力，除了硅基光源以外的器件已经得到成功应用。目前，硅基光子学面临的最主要问题是如何实现硅基光源。因为硅材料的能带结构为间接带隙结构，以硅为光增益材料的发光器件难以实现。而ⅲ-ⅴ族化合物半导体通常为直接带隙结构，发光效率高，具有理想的发光性能。考虑到ⅲ-ⅴ族半导体激光器技术成熟并已实现商业应用，因此在硅上获得高质量的ⅲ-ⅴ族半导体材料是实现硅基光源的重要方案之一。在这当中，ingaas材料由于具有禁带宽度可调(0.43～1.42ev)，高载流子迁移率等优势被广泛地应用于光电器件中。外延生长ingaas材料的常用衬底为gaas和inp。si衬底相比于gaas和inp衬底，不仅可以实现硅基光电子集成，而且价格便宜、晶片尺寸大，不易碎，适合于工业化生产。因此在硅衬底上获得高质量的ingaas材料既能够实现硅基光电集成，又能够极大地降低光电子器件成本。
由于ingaas与si之间存在着晶格常数和热膨胀系数上的差异，会使得外延层中出现高位错密度，极大地影响后续器件的性能。同时由于极性材料在非极性衬底上的外延会出现反向畴。因此，如何解决上述问题是提高硅基ingaas外延材料质量的关键。
经过本领域科研工作者的努力，通过采用小偏角的si衬底能够很好地解决ingaas和si之间由于极性差异造成的反相畴问题。但是，由晶格常数和热膨胀系数差异导致的高位错密度问题仍然还没有得到有效地解决。
目前为止，减小硅基ingaas外延层位错密度的主要方法包括：缓冲层法、超晶格位错阻挡层法和选区外延法。近期国内外研究组在ingaas/si材料外延生长的研究中取得了重要进展。现有技术中的一种方式通过使用低温inxga1-xas作为中间层，并对其组分进行优化，采用分子束外延(molecularbeamepitaxy，mbe)的方法制备出了高质量的in0.3ga0.7as/si外延材料。其表面粗糙度为1.7nm(5μm×5μm)，xrd半高宽为700arcsec。而关于in0.2ga0.8as/in0.4ga0.6as组分渐变缓冲层和低温in0.4ga0.6as缓冲层对in0.53ga0.47as/si外延层晶体质量的影响，低温in0.4ga0.6as缓冲层更利于改善in0.53ga0.47as/si外延层晶体质量，最终通过mbe制备出了表面粗糙度小于1nm(5μm×5μm)，xrd半高宽低至500aresec的in0.53ga0.47as/si外延层。现有技术中的另一种方式通过使用in0.53ga0.47as/inp超晶格和inp/gaas缓冲层作为中间层，通过mocvd方法生长出了xrd半高宽低至200aresec，位错密度约为1.0×108cm-2的高质量的in0.53ga0.47as/si外延材料，并在上面成功制备出了高性能的长波长探测器。现有技术中的还一种方式采用微区选区外延方法，使用sio2掩膜圆孔图形衬底，通过调节ga的组分，利用mocvd方法生长出了无位错，无孪晶的ingaas/si外延材料。
这些生长方法虽然减小了位错密度，改善了外延层质量，但是仍存在着一些问题。
首先，inxga1-xas/inyga1-yas组分渐变层和inxga1-xas低温缓冲层大都通过mbe生长，不适合于大批量生长，不利于产业化。另外，使用超晶格位错阻挡层来减少位错，使生长工艺变得复杂。最后，使用选区外延方法，工艺复杂且成本较高。
技术实现要素：
本发明提供一种克服上述问题的一种ingaas/si外延材料的制备方法。
根据本发明的一个方面，提供一种ingaas/si外延材料的制备方法，包括：在单晶硅衬底上制作ingaas低温成核层，所述ingaas低温成核层的温度为410～430℃，利用mocvd方法制作；在所述ingaas低温成核层上制作ingaas高温外延层，以完成对ingaas/si外延材料的制备，所述ingaas高温外延层利用mocvd方法制作。
优选地，所述在单晶硅衬底上制作ingaas低温成核层，所述ingaas低温成核层的温度为410～430℃，利用mocvd方法制作，进一步包括：对所述单晶硅衬底进行清洁，并将清洁后的单晶硅衬底置入mocvd反应室；将所述清洁后的单晶硅衬底在氢气氛围下升温到220℃烘烤30分钟；将烘烤后的单晶硅衬底在氢气和砷烷的混合气体氛围下升温到700～800℃烘烤15分钟；将烘烤15分钟后的单晶硅衬底降温到410～430℃；利用mocvd方法，使降温后的单晶硅衬底生长为所述ingaas低温成核层；所述ingaas低温成核层的in组分为0.1～0.6，厚度为18～25nm。
优选地，所述在所述ingaas低温成核层上制作ingaas高温外延层，以完成对ingaas/si外延材料的制备，所述ingaas高温外延层利用mocvd方法制作，进一步包括：将所述ingaas低温成核层经10分钟升温到600℃；利用mocvd方法，使升温后的ingaas低温成核层生长为所述ingaas高温外延层；所述ingaas高温外延层的in组分为0.1～0.6，厚度为1000～1200nm。
优选地，所述利用mocvd方法，使升温后的ingaas低温成核层生长为所述ingaas高温外延层；所述ingaas高温外延层的in组分为0.1～0.6，厚度为1000～1200nm，进一步包括：利用mocvd方法，使升温后的ingaas低温成核层生长为第一ingaas高温外延层；所述第一ingaas高温外延层的厚度为500～600nm；将所述第一ingaas高温外延层在氢气和砷烷的混合气体氛围下进行第一次原位热循环退火；利用mocvd方法，使所述第一次原位热循环退火后的ingaas高温外延层生长为第二ingaas高温外延层；所述第二ingaas高温外延层的厚度为1000～1200nm；将所述第二ingaas高温外延层在氢气和砷烷的混合气体氛围下进行第二次原位热循环退火，形成所述ingaas高温外延层；其中，所述原位热循环退火为在350℃到750℃之间的3～5次热循环退火。
优选地，所述原位热循环退火为在350℃到750℃之间的3～5次热循环退火，进一步包括：将所述第一ingaas高温外延层在氢气和砷烷的混合气体氛围下从600℃升温到750℃，并停留300s；将升温后的第一ingaas高温外延层降温至350℃，停留200s；将降温后的第一ingaas高温外延层升温到750℃；循环执行上述步骤3～5次，形成所述第一次原位热循环退火后的ingaas高温外延层；相应地；将所述第二ingaas高温外延层在氢气和砷烷的混合气体氛围下从600℃升温到750℃，并停留300s；将升温后的第二ingaas高温外延层降温至350℃，停留200s；将降温后的第二ingaas高温外延层升温到750℃；循环执行上述步骤3～5次，形成所述ingaas高温外延层。
优选地，所述单晶硅衬底的晶面为<100>晶面；所述单晶硅衬底的晶面偏向<011>晶面4°～6°；所述单晶硅衬底为本征型硅片、n型硅片和p型硅片中的任一种，所述单晶硅衬底厚度为350～675μm。
优选地，所述对所述单晶硅衬底进行清洁通过rca标准清洗法。
优选地，所述在单晶硅衬底上制作ingaas低温成核层的过程中，ⅴ/ⅲ比大于200。
优选地，所述在所述ingaas低温成核层上制作ingaas高温外延层的过程中，ⅴ/ⅲ比大于150。
优选地，所述ingaas/si外延材料的制备方法为利用mocvd原位地一次性完成制备。
本发明提供的ingaas/si外延材料的制备方法，通过设置采用mocvd方法先制成低温成核层，再制成高温外延层，仅用以上两步完成对ingaas/si外延材料的制备，具有成本低，更适合产业化的需求的有益之处，相较于现有技术中采用mbe生长inxga1-xas等缓冲层，使用超晶格位错阻挡层以及选区外延方法，本发明采用mocvd仅用两步完成ingaas/si材料的制备，使得本发明的制备方法工艺简单，适合于大批量生长。
附图说明
图1为本发明实施例中的ingaas/si外延材料的制备方法的流程图；
图2为本发明实施例中的一种用于硅基单片集成的in0.2ga0.8as/si外延材料的mocvd制备方法流程图；
图3为本发明实施例中的in0.2ga0.8as/si外延材料完整结构示意图；
图4为本发明实施例中的采用不同in组分的inxga1-xas低温成核层得到的in0.2ga0.8as/si外延材料的原子力显微测试结果图；
图5为本发明实施例中的采用不同厚度的in0.1ga0.9as低温成核层得到的in0.2ga0.8as/si外延材料的原子力显微测试结果图；
图6为本发明实施例中的使用mocvd生长的in0.2ga0.8as/si材料的原子力显微镜测试结果图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
图1为本发明实施例中的ingaas/si外延材料的制备方法的流程图，如图1所示，包括：在单晶硅衬底上制作ingaas低温成核层，所述ingaas低温成核层的温度为410～430℃，利用mocvd方法制作；在所述ingaas低温成核层上制作ingaas高温外延层，以完成对ingaas/si外延材料的制备，所述ingaas高温外延层利用mocvd方法制作。
需要说明的是，本发明实施例中采用mocvd方法进行ingaas/si外延材料的制备。mocvd为金属有机化合物化学气相沉积。
作为一个优选实施例，ingaas/si外延材料的制备方法为：在单晶硅衬底上制作in0.1ga0.9as低温成核层；在所述in0.1ga0.9as低温成核层上制作in0.2ga0.8as高温外延层，以完成对ingaas/si外延材料的制备。
本发明提供的ingaas/si外延材料的制备方法，通过设置采用mocvd方法先制成低温成核层，再制成高温外延层，仅用以上两步完成对ingaas/si外延材料的制备，具有成本低，更适合产业化的需求的有益之处，相较于现有技术中采用mbe生长inxga1-xas等缓冲层，使用超晶格位错阻挡层以及选区外延等方法，本发明采用mocvd仅用两步完成ingaas/si材料的制备，使得本发明的制备方法工艺简单，适合于大批量生长。
基于上述实施例，本实施例就ingaas低温成核层的制作来做进一步地说明。
所述在单晶硅衬底上制作ingaas低温成核层，所述ingaas低温成核层的温度为410～430℃，利用mocvd方法制作，进一步包括：对所述单晶硅衬底进行清洁，并将清洁后的单晶硅衬底置入mocvd反应室；将所述清洁后的单晶硅衬底在氢气氛围下升温到220℃烘烤30分钟；将烘烤后的单晶硅衬底在氢气和砷烷的混合气体氛围下升温到700～800℃烘烤15分钟；将烘烤15分钟后的单晶硅衬底降温到410～430℃；利用mocvd方法，使降温后的单晶硅衬底生长为所述ingaas低温成核层；所述ingaas低温成核层的in组分为0.1～0.6，厚度为18～25nm。
优选地，ingaas低温成核层为in0.1ga0.9as低温成核层。
需要说明的是，生长源流量为：三甲基镓2.5×10-5mol/min，三甲基铟8.0×10-7mol/min，砷烷7.2×10-3mol/min。
本发明提供的ingaas/si外延材料的制备方法，通过设置ingaas低温成核层的厚度为18～25nm，使得ingaas/si外延材料生长厚度薄，解决了现有技术中过厚的inxga1-xas/gaas等多层结构的缓冲层使得外延层厚度增加，不适合于光电集成的问题。且制备时间短，制备工艺简单，成本低，解决了现有技术中通过mbe生长，生长速度慢，生长时间长的问题以及使用超晶格位错阻挡层和选区外延工艺复杂，成本高的问题。
基于上述实施例，本实施例就制作ingaas高温外延层来做进一步地说明。
所述在所述ingaas低温成核层上制作ingaas高温外延层，以完成对ingaas/si外延材料的制备，所述ingaas高温外延层利用mocvd方法制作，进一步包括：将所述ingaas低温成核层经10分钟升温到600℃；利用mocvd方法，使升温后的ingaas低温成核层生长为所述ingaas高温外延层；所述ingaas高温外延层的in组分为0.1～0.6，厚度为1000～1200nm。
优选地，ingaas高温外延层为in0.2ga0.8as高温外延层。
需要说明的是，生长源流量为：三甲基镓3.5×10-5mol/min，三甲基铟2.2×10-6mol/min，砷烷6.7×10-3mol/min。
本发明提供的ingaas/si外延材料的制备方法，通过mocvd原位地一次性完成材料制备，制备工艺简单，制备时间短，解决了现有技术中通过mbe生长，生长速度慢，生长时间长的问题以及使用选区外延生长，工艺复杂，成本高的问题。
基于上述实施例，所述利用mocvd方法，使升温后的ingaas低温成核层生长为所述ingaas高温外延层；所述ingaas高温外延层的in组分为0.1～0.6，厚度为1000～1200nm，进一步包括：利用mocvd方法，使升温后的ingaas低温成核层生长为第一ingaas高温外延层；所述第一ingaas高温外延层的厚度为500～600nm；将所述第一ingaas高温外延层在氢气和砷烷的混合气体氛围下进行第一次原位热循环退火；利用mocvd方法，使所述第一次原位热循环退火后的ingaas高温外延层生长为第二ingaas高温外延层；所述第二ingaas高温外延层的厚度为1000～1200nm；将所述第二ingaas高温外延层在氢气和砷烷的混合气体氛围下进行第二次原位热循环退火，形成所述ingaas高温外延层；其中，所述原位热循环退火为在350℃到750℃之间的3～5次热循环退火。
基于上述实施例，所述原位热循环退火为在350℃到750℃之间的3～5次热循环退火，进一步包括：将所述第一ingaas高温外延层在氢气和砷烷的混合气体氛围下从600℃升温到750℃，并停留300s；将升温后的第一ingaas高温外延层降温至350℃，停留200s；将降温后的第一ingaas高温外延层升温到750℃；循环执行上述步骤3～5次，形成所述第一次原位热循环退火后的ingaas高温外延层；相应地；将所述第二ingaas高温外延层在氢气和砷烷的混合气体氛围下从600℃升温到750℃，并停留300s；将升温后的第二ingaas高温外延层降温至350℃，停留200s；将降温后的第二ingaas高温外延层升温到750℃；循环执行上述步骤3～5次，形成所述ingaas高温外延层。
基于上述实施例，所述单晶硅衬底的晶面为<100>晶面；所述单晶硅衬底的晶面偏向<011>晶面4°～6°；所述单晶硅衬底为本征型硅片、n型硅片和p型硅片中的任一种，所述单晶硅衬底厚度为350～675μm。
需要说明的是，<100>与<011>为晶面指数。
基于上述实施例，所述对所述单晶硅衬底进行清洁通过rca标准清洗法。
具体地，rca标准清洗法是1965年由kern和puotinen等人在n.j.princeton的rca实验室首创的，并由此而得名。rca是一种典型的、至今仍为最普遍使用的湿式化学清洗法，该清洗法主要包括由过氧化氢和碱组成的1号标准清洗液(sc-1)，由过氧化氢和酸组成的2号标准清洗液(sc-2)，以及hf与水溶液组成的dhf溶液进行一系列有序的清洗。rca清洗工艺的特点在于按照应该被清洗的污染物种类选用相应的清洗试剂，按照顺序进行不同的清洗工艺，从而实现清除掉所有附着在si片上的各种污染物。需要注意的是，每步清洗后都要在超纯水(upw)中彻底清洗，去除残余成分，以免污染下一步清洗工艺。
本发明的实施例根据实际情况对rca顺序进行相应调整，按照去除有机物、金属颗粒、金属离子、氧化层的思路对si衬底进行如下6个步骤的处理：
1：丙酮超声清洗7min去除有机物，因为有机物会使表面呈疏水性，从而妨碍采用其他方法去除吸附在表面上的离子或者金属杂质，所以有机物的去除一般应作为清洗过程中的第一步。
2：酒精超声5min去除丙酮，然后去离子水冲洗3～5min去除酒精。
3：在nh3oh:h2o2：h2o＝1:1:6(sc-1)溶液中冷加热(75～85℃)12min，去除金属杂质。去除这一类沾污，通常使用与重金属杂质起化学反应的试剂，使之形成络合物，溶解在试剂中。冷却后用去离子水冲洗3～5min去除残余(由于氨水对si有腐蚀，因此不能加热太久，温度也不宜过高，同时衬底表面的损伤层也因此而被去掉)。
4：在hcl:h2o2:h2o＝1:1:6(sc-2)溶液中加热(75～85℃)15～17min，然后用去离子说冲洗3～5min去除金属离子。
5：使用稀释的hf溶液(dhf)在20～25℃漂洗10s左右，去除氧化层。dhf可以去除硅片表面的自然氧化膜，因此，附着在自然氧化膜上的金属将被溶解到清洗液中，同时dhf抑制了氧化膜的形成。然后用去离子水冲洗5～10min。
6：将衬底甩干，得到清洗干净的硅片。
基于上述实施例，所述在单晶硅衬底上制作ingaas低温成核层的过程中，ⅴ/ⅲ比大于200。
基于上述实施例，所述在所述ingaas低温成核层上制作ingaas高温外延层的过程中，ⅴ/ⅲ比大于150。
基于上述实施例，所述ingaas/si外延材料的制备方法为利用mocvd原位地一次性完成制备。
本发明提供的ingaas/si外延材料的制备方法，通过设置利用mocvd原位地一次性完成制备，无需转移材料，避免了材料的污染，简化了制备流程。
作为一个优选实施例，本实施例提供一种用于硅基单片集成的in0.2ga0.8as/si外延材料的mocvd制备方法，以详细说明本发明实施例的具体实现过程，图2为本发明实施例中的一种用于硅基单片集成的in0.2ga0.8as/si外延材料的mocvd制备方法流程图，参见图2，制备方法包括：
首先对单晶硅衬底表面进行清洁处理。
本实施例采用axtronaix200mocvd外延生长系统，在mocvd生长工艺过程中，载气为高纯氢气(99.999％)，ⅲ族有机源为高纯度(99.999％)三甲基镓，三甲基铟，ⅴ族源为高纯(99.999％)砷烷和磷烷，反应室压力为70torr，生长温度和退火温度范围为350～750℃。图3为本发明实施例中的in0.2ga0.8as/si外延材料完整结构示意图，最终制备的材料结构见图3。
其中衬底10为<100>晶面，偏向<011>晶面4°的低阻n型硅片，偏角用于形成双原子台阶，抑制反向畴的形成，厚度为390um。将硅片采用rca清洗方法对其表面进行清洗，去除表面的油脂、有机物、金属杂质等污染物，得到清洁的单晶硅衬底。
接下来在清洁的单晶硅衬底上制作in0.1ga0.9as低温成核层。
本步骤中，将清洗干净的单晶硅放入mocvd反应室，先升温220℃烘烤30分钟；然后在氢气和砷烷混合气体氛围升温到750℃烘烤15分钟；最后降温到约410℃利用mocvd方法生长in组分为0.1，厚度为25nm的低温成核层20。in0.1ga0.9as低温成核层20的作用为在硅片表面形成一层连续的in0.1ga0.9as薄层，防止高温生长条件下的大尺寸三维岛状生长，并释放in0.1ga0.9as/si薄膜的大失配应变能。生长源流量为：三甲基镓2.5×10-5mol/min，三甲基铟8.0×10-7mol/min，砷烷7.2×10-3mol/min。
最后在in0.1ga0.9as低温成核层上制作in0.2ga0.8as高温外延层。
高温外延层30，为在600℃温度下生长的非故意掺杂in0.2ga0.8as材料，厚度约为1000～1200nm。该in0.2ga0.8as外延层主要是通过厚的高温层生长，以及加入循环退火，提高材料的晶体质量，并改善in0.2ga0.8as/si外延薄膜的表面形貌。具体步骤为：首先经10分钟升温到600℃，利用mocvd方法生长组分为0.2，厚度为1000nmin0.2ga0.8as高温外延层。生长源流量为：三甲基镓3.5×10-5mol/min，三甲基铟2.2×10-6mol/min，砷烷6.7×10-3mol/min。在该层生长厚度为500～600nm和生长完成后，在氢气和砷烷混合气体氛围中，各加入一次原位热循环退火。所述热循环退火为从350到750℃之间的3～5次热循环退火。具体步骤为：先从600℃升温到750℃，停留300s，再下降到350℃停留200s，然后升温到750℃，实现一个周期的循环，如此反复3～5个周期。利用这种原位退火，可以进一步有效地降低in0.2ga0.8as/si薄膜中主要的高密度穿透位错，提高晶体质量。
至此，则完成了本实施例中in0.2ga0.8as/si外延材料的mocvd制备方法全过程。
图4为本发明实施例中的采用不同in组分的inxga1-xas低温成核层得到的in0.2ga0.8as/si外延材料的原子力显微测试结果图，请参见图4，两个样品对应的in的组分分别为(a)0.15，(b)0.1。测试结果表明，合适的in组分能够使得样品表面粗糙度降低。因此，0.1的组分是本实施例采用的低温成核层优化参数。
图5为本发明实施例中的采用不同厚度的in0.1ga0.9as低温成核层得到的in0.2ga0.8as/si外延材料的原子力显微测试结果图，请参见图5，两个样品对应的厚度分别为(a)20nm，(b)25nm。测试结果表明，低温成核层的厚度对薄膜表面起伏具有较大影响，合适的低温成核层厚度能够降低样品表面粗糙度，同时提升材料晶体质量。因此，25nm的厚度是我们采用的低温成核层优化参数。
图6为本发明实施例中的使用mocvd生长的in0.2ga0.8as/si材料的原子力显微镜测试结果图。在10μm×10μm范围内，表面粗糙度小于5nm。测试结果表明in0.2ga0.8as/si外延层表面粗糙度低，大范围内呈现均匀分布。
在本实施例提供的用于硅基单片集成的in0.2ga0.8as/si外延材料的mocvd制备方法，可通过mocvd一次性完成，使用简单的in0.1ga0.9as低温成核层再结合多次热循环退火，降低了in0.2ga0.8as/si材料的位错密度，得到了高质量的in0.2ga0.8as/si外延材料。与现有技术中的方法相比，具有生长速度快、生长厚度薄、工艺简单、成本低，更适合于产业化生产的有益效果。
最后，本发明的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。