一种在GaAs衬底上生长GaSb外延片的方法及GaAs基衬底

摘要

本发明提供了一种在GaAs衬底上生长GaSb外延片的方法及GaAs基衬底。所述方法包括：在GaAs衬底上生长GaAs缓冲层，在所述GaAs缓冲层上沉积Ga原子层，在所述Ga原子层上外延生长界面失配位错阵列IMF，在所述界面失配位错阵列IMF上外延生长GaSb外延层。减少穿透位错的产生，简化外延生长过程，提高了生长效率。

说明书

技术领域

本发明涉及半导体材料领域，尤其涉及一种在GaAs衬底上生长GaSb外延片的方法及GaAs基衬底。

背景技术

GaSb是6.1家族(晶格常数在

虽然现在已经拥有商用GaSb衬底，但是目前的商用GaSb衬底具有价格昂贵、衬底尺寸较小、没有半绝缘衬底等缺点，这些都限制其在应用中的表现。所以人们尝试在GaAs衬底上外延高质量的GaSb材料去克服这些缺陷。但是GaAs同GaSb的晶格失配高达7.88％，同时两者之间的热膨胀系数也相差较大，这都使得在GaAs衬底上外延GaSb困难重重。

目前有国际上存在缓冲层法和表面失配位错阵列(IMF)两种方法来解决GaAs衬底和GaSb外延层之间的晶格失配和热失配。缓冲层法主要是利用缓冲层来充分释放衬底和外延层。缓冲层可以分为低温GaSb缓冲层，渐变组分缓冲层，超晶格缓冲层等。低温GaSb缓冲层和渐变组分缓冲层生都需要生长的比较厚，而且表面也比较粗糙，位错密度比较大。超晶格缓冲层法生长工艺复杂，难度较高。

利用表面失配位错阵列法(IMF)在GaAs衬底上生长GaSb外延层时，不需要很厚的缓冲层，仅仅利用表面失配位错来释放应力，将位错限制在GaAs-GaSb界面处最初的几个原子层内，减少穿透位错的产生，可以提高GaSb外延片的质量。但是需要对GaAs表面进行高温脱As处理，形成富Ga表面后才能使用Sb束流soak衬底从而产生界面失配位错阵列。这需要较长的时间，而且影响脱As程度的因素有很多，实验重复性不强。

因此急需一种能够高效、可重复的方法在GaAs衬底上生长高质量GaSb外延层。

发明内容

(一)要解决的技术问题

目前急需一种能够高效、可重复的方法在GaAs衬底上生长高质量GaSb外延层。

(二)技术方案

本发明一方面提供一种在GaAs衬底上生长GaSb外延片的方法，所述方法包括：步骤S1，在GaAs衬底上生长GaAs缓冲层，步骤S2，在所述GaAs缓冲层上沉积Ga原子层，步骤S3，在所述Ga原子层上外延生长界面失配位错阵列IMF，步骤S4，在所述界面失配位错阵列IMF上外延生长GaSb外延层。

可选地，所述步骤S1中生长所述GaAs缓冲层的厚度为300nm～500nm，生长温度为580℃。

可选地，所述步骤S1中生长所述GaAs缓冲层采用As裂解得到的As

可选地，所述步骤S2中，使用表面迁移增强法外延生长1～2层Ga原子层，生长温度为530℃。

可选地，所述步骤S3中，生长界面失配位错阵列IMF采用Sb裂解得到的Sb

可选地，所述步骤S4中，生长GaSb外延层的厚度为500nm，生长温度为450℃。

可选地，所述步骤S4中，生长GaSb外延层采用Sb裂解得到的Sb

可选地，所述步骤S4中，在开始生长GaSb外延层时，Ga炉挡板比Sb炉挡板先开启1秒，在生长GaSb外延层之前在所述界面失配位错阵列IMF上沉积另一Ga原子层。

本发明另一方面提供了一种通过上文所述的方法制备得到的GaAs基衬底，所述GaAs基衬底包括：GaAs衬底，生长于所述GaAs衬底上的GaAs缓冲层，生长于所述GaAs缓冲层上的Ga原子层，生长于所述Ga原子层上的界面失配位错阵列IMF，以及，生长于所述界面失配位错阵列IMF上的GaSb外延层。

可选地，在所述界面失配位错阵列IMF与所述GaSb外延层之间还包括另一Ga原子层。

(三)有益效果

1.本发明使用表面失配位错阵列IMF可以有效的释放GaAs衬底和GaSb外延层之间的应力，将位错大多限制在GaAs-GaSb界面处最初的几个原子层内，减少穿透位错的产生。

2.本发明可以通过表面迁移增强法(MEE)外延生长控制Ga原子层数，在GaAs缓冲层表面轻易形成富Ga状态，简化外延程序，仅用1秒就可以完成富Ga表面的形成。简化了生长过程，提高了生长效率。

3.本发明在界面失配位错矩阵IMF上生长GaSb外延层前先沉积一层Ga，以此阻断Sb对IMF的影响，抑制穿透位错的产生。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种在GaAs衬底上生长GaSb外延片的方法流程图；

图2是本发明实施例提供的GaAs基衬底的结构示意图，

图3是本发明实施例提供的GaAs基衬底的HRXRD测试图。

具体实施方式

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。

本发明一个实施例提供了一种在GaAs衬底上生长GaSb外延片的方法，参见图1，所述方法包括下列步骤S1-S4的内容：

步骤S1，在GaAs衬底1上生长GaAs缓冲层2。

在该步骤中，生长所述GaAs缓冲层2的厚度为300nm～500nm，生长温度为580℃。并且，生长所述GaAs缓冲层2采用As裂解得到的As

步骤S2，在所述GaAs缓冲层2上沉积Ga原子层3。

具体地，使用表面迁移增强法外延生长1～2层Ga原子层3，生长温度为530℃。

步骤S3，在所述Ga原子层3上外延生长界面失配位错阵列IMF4。

其中，生长界面失配位错阵列IMF4采用Sb裂解得到的Sb

步骤S4，在所述界面失配位错阵列IMF4上外延生长GaSb外延层5。

在该步骤中，生长GaSb外延层5的厚度为500nm，生长温度为450℃。生长GaSb外延层5采用Sb裂解得到的Sb

本发明另一个实施例提供一种通过上文所述的方法制备得到的GaAs基衬底，参见图2，所述GaAs基衬底包括：GaAs衬底1，生长于所述GaAs衬底1上的GaAs缓冲层2，生长于所述GaAs缓冲层2上的Ga原子层3，生长于所述Ga原子层3上的界面失配位错阵列IMF4，以及，生长于所述界面失配位错阵列IMF4上的GaSb外延层5。

其中，在所述界面失配位错阵列IMF与所述GaSb外延层之间还包括另一Ga原子层6。

下面通过一个具体实施例详细阐述本发明提供的在GaAs衬底上生长GaSb外延片的方法：

步骤100，对GaAs衬底进行除气和脱氧。将GaAs半绝缘衬底传至除气腔室，加热该GaAs衬底至350℃，保持2小时，完成衬底的除气过程，然后降温至200℃。将除完气的GaAs衬底传至生长室中，加热GaAs衬底至450℃，这个过程中保持As炉阀门和挡板关闭，GaAs衬底以2度/秒的速度旋转。当GaAs衬底温度达到450℃后，打开As炉阀门和挡板，As束流为裂解后的As

步骤200，将衬底温度由580℃降温至530℃。将衬底降温至530℃的过程中，先关闭As炉的阀门和挡板，关闭Ga的挡板，降温速率为40℃/分钟，到530℃后等待2分钟使温度稳定。

步骤300，待衬底温度在530℃稳定后，在所述GaAs缓冲层上根据表面迁移增强法沉积1个原子层的Ga原子，即1层Ga原子层，打开Ga源炉挡板1秒，关闭Ga源炉挡板。

步骤400，打开Sb炉的阀门和挡板，Sb束流为裂解后的Sb

步骤500，关闭Sb炉的挡板，将衬底温度有530℃降至450℃，降温速率为40℃/分钟，到450℃后等待2分钟使温度稳定。

步骤600，在所述界面失配位错阵列IMF4上外延生长GaSb外延层5。先打开Ga炉挡板，Ga束流为8×10

下面通过一个具体实施例详细阐述本发明提供的GaAs基衬底：

所述GaAs基衬底包括：GaAs衬底1，生长于所述GaAs衬底1上的GaAs缓冲层2，生长于所述GaAs缓冲层2上的Ga原子层3，生长于所述Ga原子层3上的界面失配位错阵列IMF4，生长于所述界面失配位错阵列IMF4上的另一Ga原子层6，生长于所述另一Ga原子层6上的GaSb外延层5。

其中，GaAs衬底1的厚度约为2mm，GaAs缓冲层2的厚度约为300nm，界面失配位错阵列IMF为3～5个原子层，GaSb外延层5的厚度约为500nm。对该GaAs基衬底的HRXRD测试图请参见图3。

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。