用于制备InSb功能层的衬底结构的制作方法

用于制备insb功能层的衬底结构
技术领域
1.本技术涉及霍尔传感器领域，特别涉及一种用于制备insb功能层的衬底结构。


背景技术：

2.霍尔元件是一种基于霍尔效应的磁传感器。所谓霍尔效应，是指当磁场作用于金属导体、半导体中的载流子时，载流子发生偏转，垂直于电流和磁场的方向会产生一个附加电场，从而在半导体两端产生横向电位差的物理现象。根据霍尔效应做成的霍尔器件，能够以磁场为工作媒介，将物体的运动参量转变为电压的形式输出，使之具备传感和开关的功能。
3.霍尔元件的灵敏度与霍尔元件功能层材料的厚度和载流子的浓度两个因素有关。一般金属材料的霍尔系数很小,霍尔效应不明显；而半导体中的载流子的浓度比金属要小得多，灵敏度较金属材料高，所以霍尔元件可用多种半导体材料制作。具有高灵敏度的霍尔元件主要包括砷化镓霍尔元件、锑化铟霍尔元件和砷化铟霍尔元件，其中用量最大的是砷化镓霍尔元件和锑化铟霍尔元件。
4.另一方面，霍尔元件的灵敏度与功能层材料的迁移率相关，一般迁移率越高，则灵敏度越高。砷化镓霍尔元件具有优良的线性度和温度稳定性，但是灵敏度略低。
5.锑化铟体材料的电子迁移率非常高，室温迁移率可达到 78000cm2/vs，因此，锑化铟适合制作高灵敏度的霍尔元件。锑化铟霍尔元件一般采用外延方法或者真空蒸镀的方法制备。对于外延方法，锑化铟材料因为没有合适的晶格匹配的衬底，一般采用砷化镓衬底进行外延生长，锑化铟与砷化镓的晶格失配高达14.5％，常规砷化镓衬底生长的锑化铟(insb)材料位错密度1e8-1e9 cm-2
，会明显降低材料的迁移率，常规采用增加锑化铟功能层的厚度来降低位错密度，提高材料的迁移率。但增加厚度既会影响霍尔灵敏度，又会明显增加成本。如何在厚度不增加的情况下，减少由于失配引起的失配位错密度，提高insb功能层的晶体质量，是需要解决的问题。
6.在所述背景技术部分，公开的上述信息仅用于加强对本技术的背景的理解，因此它可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术信息。


技术实现要素：

7.本技术提供了一种用于制备insb功能层的衬底结构，能够实现提高insb功能层的晶体质量，并获得更高的迁移率，从而有效地提高锑化铟(insb)霍尔元件的性能。
8.根据本技术的一方面，提出一种用于制备insb功能层的衬底结构，包括：iii-v族化合物半导体单晶衬底；缓冲层，生长在衬底上；过渡层，生长在缓冲层上并与缓冲层晶格常数匹配。
9.根据一些实施例，衬底包括iii-v族化合物半导体单晶衬底 gaas。
10.根据一些实施例，缓冲层包括gaas。
11.根据一些实施例，过渡层为al
x
ga
0.51-x
in
0.49
p，其中，x的值大于或者等于0且小于
0.51。
12.根据一些实施例，过渡层为al
x
ga
0.51-x
in
0.49
p:te，其中，x的值大于或者等于0且小于0.51，te的掺杂浓度范围为1e18至1e19。
13.根据一些实施例，用于制备insb功能层的衬底结构还包括insb 功能层。
14.根据一些实施例，insb功能层表面粘附刚性支撑衬底。
15.根据一些实施例，刚性支撑衬底包括：硅衬底、玻璃衬底、陶瓷衬底或者刚性塑料衬底。
16.根据本技术的一些实施例，通过生长缓冲层和过渡层，减少由于失配引起的insb材料的失配位错密度，提高insb的晶体质量，能获得更高的迁移率，然后通过剥离insb功能层，从而可以获得霍尔器件制作所需的低缺陷密度的insb功能层，有效的提高insb霍尔元件的性能。
17.应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性的，并不能限制本技术。
附图说明
18.为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图，而并不超出本技术要求保护的范围。
19.图1示出根据本技术实施例的用于制备insb功能层的衬底结构的示意图。
20.图2a至图2f示出根据本技术实施例的制备insb功能层的过程。
21.附图标记说明：
22.101 iii-v族化合物半导体单晶衬底；
23.103 缓冲层；
24.105 过渡层；
25.107 insb功能层；
26.109 刚性支撑衬底。
具体实施方式
27.现在将参考附图更全面地描述示例实施例。然而，示例实施例能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施例；相反，提供这些实施例使得本技术将全面和完整，并将示例实施例的构思全面地传达给本领域的技术人员。在图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。
28.所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本公开的实施例的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本公开的技术方案而没有这些特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方式、组元、材料、装置等。在这些情况下，将不详细示出或描述公知结构、方法、装置、实现步骤、材料或者操作。
29.此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如
包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。
30.本技术的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。
31.霍尔元件电位差vh＝khib，其中kh＝1/ned，表示霍尔元件灵敏度，也称为霍尔系数，n为载流子浓度，d为半导体材料厚度，e 为电子电量，i为驱动电流，b为外加磁感应强度。由此可知，霍尔元件的灵敏度与霍尔元件功能层材料的厚度和载流子的浓度两个因素有关。一般金属材料的霍尔系数很小,霍尔效应不明显；而半导体中的载流子的浓度比金属要小得多，灵敏度较金属材料高，所以霍尔元件可用多种半导体材料制作。
32.另一方面，霍尔元件的灵敏度与功能层材料的迁移率相关，一般迁移率越高，则灵敏度越高。
33.根据一些实施例，霍尔元件功能层材料可包括二元、三元、四元等材料。例如，霍尔元件功能层材料可包括gaas、inas、insb、 ingaas、或ingaasp等材料。根据一些实施例，可采用外延生长或离子注入方式在述衬底上形成霍尔元件功能层。易于理解，本技术不限于此，也可采用其他合适方式形成霍尔元件功能层。
34.锑化铟霍尔元件一般采用外延方法或者真空蒸镀的方法制备。锑化铟材料因为没有合适的晶格匹配的衬底，一般采用砷化镓衬底进行外延生长，因此晶格存在一定的失配。
35.图1示出根据本技术实施例的用于制备insb功能层的衬底结构的示意图。
36.根据实施例，用于制备insb功能层的衬底结构包括：iii-v族化合物半导体单晶衬底101；缓冲层103，生长在所述衬底101上；过渡层105，生长在所述缓冲层103上。
37.参见图1，为了得到高质量的insb功能层107，需要提供iii-v 族化合物半导体单晶衬底101；在iii-v族化合物半导体单晶衬底101上生长缓冲层103；在缓冲层103上生长晶格常数匹配的过渡层105。
38.相比于传统的gaas衬底表面生长的与衬底晶格常数不匹配的 insb功能层，通过图1详述的用于制备insb功能层的衬底结构增加了生长缓冲层和生长过渡层，生长过渡层包含al
x
ga
0.51-x
in
0.49
p 的过渡层或者al
x
ga
0.51-x
in
0.49
p:te的过渡层，通过使用mocvd外延生长法，生长insb功能层材料，有利于减少由于失配引起的失配位错密度，提高insb功能层的晶体质量，能获得更高的迁移率 (可提升20％左右)。
39.图2a至图2f示出根据本技术实施例的制备insb功能层的过程。
40.参见图2a，准备衬底101，可以选择半导体单晶衬底，例如 gaas衬底、inp衬底或si衬底等，作为衬底101。但本技术不限于此，也可以采用其他合适的衬底，在本技术的实施例中，选取 gaas作为iii-v族化合物半导体单晶衬底101。
41.参见图2b，通过使用mocvd外延生长法，在gaas衬底101 上生长缓冲层103，得到gaas的缓冲层103。
42.参见图2c，在gaas的缓冲层103上，继续通过使用mocvd 外延生长法，在gaas缓冲层103上生长过渡层105。
43.根据实施例，过渡层105为晶格常数匹配的al
x
ga
0.51-x
in
0.49
p，其中，x的值大于0或
者等于0且小于0.51。可选地，过渡层105 还可以为晶格常数匹配的al
x
ga
0.51-x
in
0.49
p:te，其中，te的掺杂浓度范围在1e18至1e19，x的值大于0或者等于0且小于0.51。
44.根据实施例，可在上通过外延生长、离子注入等工艺制备霍尔元件功能层。由于霍尔元件的灵敏度和功能层材料的载流子浓度有关，而半导体中的载流子的浓度比金属要小得多，灵敏度较金属材料高，所以霍尔元件可通过多种半导体材料制作。霍尔元件功能材料层可选用的材料包括二元、三元、四元等材料，例如gaas，inas， insb，ingaas，ingaasp等。
45.参见图2d,在晶格常数匹配的过渡层105上，继续通过使用 mocvd外延生长法，在过渡层105上生长insb功能层107(例如：厚度在1μm左右)，得到失配位错密度更低、晶体质量更佳的insb 功能层。
46.根据实施例，通过采用增加的al
x
ga
0.51-x
in
0.49
p层或者 al
x
ga
0.51-x
in
0.49
p:te层替代现有技术如gaas衬底作为过渡层，进行 insb功能层的生长，通过优化al
x
ga
0.51-x
in
0.49
p层或者 al
x
ga
0.51-x
in
0.49
p:te层的生长条件，例如，生长压力，生长温度，能有效改善al
x
ga
0.51-x
in
0.49
p层或者al
x
ga
0.51-x
in
0.49
p:te层的有序度和表面粗糙度，提升al
x
ga
0.51-x
in
0.49
p层与insb层之间的界面晶体质量，或者al
x
ga
0.51-x
in
0.49
p:te层与insb层之间的界面晶体质量, 有利于减少由于失配引起的失配位错密度(常规insb材料的位错密度1e8-1e9 cm-2
，提高insb的晶体质量，能获得更高的迁移率(提升20％左右)。
47.根据实施例，制备insb功能层107的方法还包括：剥离insb 功能层107。剥离insb功能层107包括：insb功能层107上表面粘附在刚性支撑衬底109上；利用第一腐蚀溶液，腐蚀iii-v族化合物半导体单晶衬底101和缓冲层103；利用第二腐蚀溶液，腐蚀过渡层105。
48.参见图2e,在insb功能层107上表面粘附刚性支撑衬底109，优选地，可选用硅衬底、玻璃衬底、陶瓷衬底或者刚性塑料衬底作为刚性支撑衬底109。
49.参见图2f，根据实施例，采用第一腐蚀溶液h3po4：h2o2： h2o＝1:1：20腐蚀iii-v族化合物半导体单晶衬底101和缓冲层103，采用第二腐蚀溶液hcl：h2o＝1:1腐蚀al
x
ga
0.51-x
in
0.49
p的过渡层 105或者al
x
ga
0.51-x
in
0.49
p:te的过渡层105，得到insb霍尔功能层 107，进行后续常规工艺，制备所需的霍尔元件。
50.本领域技术人员了解，霍尔元件是一种基于霍尔效应的磁传感器，其灵敏度与霍尔元件功能层材料的厚度和载流子的浓度两个因素有关。一般金属材料的霍尔系数很小,霍尔效应不明显；而半导体中的载流子的浓度比金属要小得多，灵敏度较金属材料高，所以霍尔元件多种半导体材料制作。本技术对所选用的半导体材料没有特别限制，也并不排除以后会出现的其他霍尔功能材料。
51.以上对本技术实施例进行了详细描述和解释。应清楚地理解，本技术描述了如何形成和使用特定示例，但本技术不限于这些示例的任何细节。相反，基于本技术公开的内容的教导，这些原理能够应用于许多其它实施例。
52.通过对示例实施例的描述，本领域技术人员易于理解，根据本技术实施例的技术方案至少具有以下优点中的一个或多个。
53.综上所述，根据本技术的一些实施例，相比于传统的gaas衬底表面生长的与衬底晶格常数不匹配的insb功能层，本技术在生长缓冲层后，又增加了生长过渡层，包含有al
x
ga
0.51-x
in
0.49
p的过渡层或者al
x
ga
0.51-x
in
0.49
p:te的过渡层，通过使用mocvd外延生长法，生长insb功能层材料，有利于减少由于失配引起的失配位错密度，提高insb功能层的晶体
质量，能获得更高的迁移率(可提升20％左右)。
54.以上对本技术实施例进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本技术的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明仅用于帮助理解本技术的方法及其核心思想。同时，本领域技术人员依据本技术的思想，基于本技术的具体实施方式及应用范围上做出的改变或变形之处，都属于本技术保护的范围。综上所述，本说明书内容不应理解为对本技术的限制。