一种在大晶格失配基底上异质外延生长锑化物半导体的方法

技术领域

本发明属于半导体材料制备技术领域，具体涉及一种以金属有机化学气相沉 积(MOCVD)技术在大晶格失配基底上异质外延生长锑化物半导体的方法。

背景技术

III-V族锑化物是一类重要的窄禁带化合物半导体材料，多数具有直接带隙。 其良好的导电性与独特的光电特性使这类材料在中红外领域有重要应用，比如第 三代超高速超低功率集成电路，热光伏电池，红外激光器，红外探测器等等。许 多公司与研究机构也有目的的研究将该类材料单片集成在现有的常用基底技术 平台上。与常用基底集成的优势在于，衬底质量高、价格低、技术成熟，可以实 现与更多器件的单片集成及光电集成，满足目前的集成芯片迫切需求。

目前，以MOCVD技术外延生长锑化物异质结构时，衬底表面的锑化物层 覆盖度较低，制备相关器件困难。其原因是锑化物半导体与常用衬底间(如硅、 砷化镓等)存在大晶格失配。一个改进方法是，在锑化物半导体层生长开始前， 预先在衬底上生长AlSb微纳结构作为缓冲层，AlSb层的引入将有效提升锑化物 半导体层覆盖度。但是铝源在MOCVD系统中存在记忆效应，容易引起设备的 污染，导致该设备生长其他半导体薄层时形成杂质或组分偏差，引起器件质量下 降。

发明内容

为了克服现有MOCVD技术生长锑化物层覆盖度低、MOCVD系统铝源污 染的问题，本发明提供一种新的生长方法，该方法不仅可以提升锑化物在大晶格 失配衬底上的表面覆盖度，而且可以避免铝源在设备中的记忆效应。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：在生长锑化物半导体前，以其 他物理沉积(如磁控溅射)薄膜制备技术预先在硅衬底上沉积铝(或AlSb)薄 层。再将样品加载在MOCVD系统中外延生长。生长开始前只通入Sb有机源， 然后在位退火，使铝(或AlSb)薄层锑化，形成稳定的AlSb缓冲层结构。当锑 化物生长开始时，已经存在的AlSb缓冲层结构将提升锑化物半导体层覆盖度。 整个生长过程没有在MOCVD系统中引入有机铝源，避免了设备的铝污染。

以直流磁控溅射工艺在大晶格失配衬底(以Si为例)上制备GaSb的步骤 如下：

(1)以800～1000w的直流磁控溅射功率，在Si衬底上溅射30～60nm厚 的铝层或锑化铝层，溅射完成后冷却衬底至室温；

(2)将溅射铝层的Si衬底载入到MOCVD反应室中，在200～300mbar、 500～600℃的条件下，通入三乙基锑(TESb(C₂H₅)₃Sb))有机源 30～60s(以氢气为载气，其流速为1000～1200sccm(毫升每分), TESb的通入量为0.5×10^-6～1.5×10^-6mol/min)，使铝层锑化，得到 锑化铝层；

(3)在MOCVD反应室中，在650～800℃条件下原位退火2～3分钟，使 步骤(2)得到的锑化铝层或步骤(1)直接得到的锑化铝层形成稳定 的岛状(岛直径为80～200nm，高度为100～200nm)锑化铝缓冲结 构(退火过程可以大幅减小锑化铝中杂相存在的比例)；退火过程持 续通入TESb，以抑制锑在衬底表面的挥发；

(4)在MOCVD反应室中，在500～600℃、200～300mbar条件下，同时 输入气相的TESb有机源和三甲基锑有机源(TMGa(CH₃)₃Ga)) 20～30min(以氢气为载气，其流速为1000～1200sccm，TESb有机 源的通入量为0.5×10^-6～1.5×10^-6mol/min，TMGa有机源的通入量 为2.5×10^-7～7.5×10^-7mol/min，且V族元素TESb有机源的通入量 为III族元素TMGa有机源通入量的2至5倍，从而在岛状锑化铝缓 冲结构的表面得到厚度为0.3～0.7微米的GaSb薄膜层。

本发明的有益效果是，提升锑化物半导体在大晶格失配衬底表面的覆盖度， 制备出高结晶质量的锑化物薄膜，同时避免在MOCVD系统中使用铝源造成的设 备污染，方法简单，节约成本。

附图说明

图1：对比例1制备的样品表面扫描电镜照片；

图2：实施例2中制备的样品表面扫描电镜照片；

图3：常规技术在Si基底上外延生长锑化物半导体的方法示意图；

图4：本发明在Si基底上外延锑化物半导体方法的一个实施例示意图；

图5：本发明在Si基底上外延锑化物半导体方法的另一个实施例示意图；

如图所示，各部分名称为：衬底1，GaSb层2，AlSb薄层3，AlSb岛状结 构4，Al薄层5，有机源分解形成的Sb层6。

具体实施方式

对比例1：

将清洁的Si衬底1加载到MOCVD反应室中，抽取反应室压强至1mbar 以下，通入载气(氢气1200sccm)，控制反应室压强在200mbar下，将衬底加 热至600℃，同时输入气相V/III为2(V族元素与III族元素MO源的摩尔比例 为2)的TESb源和TMGa源(以氢气为载气，其流速为1200sccm，TESb源 的通入量为1×10^-6mol/min，TMGa的通入量为5×10^-7mol/min)，进行外延生 长半小时，从而直接在大晶格失配Si衬底1上生长锑化物半导体GaSb层2， 但其表面覆盖度低，如图1所示。

实施例1：

首先将清洁的硅衬底1载入磁控溅射台，装入锑化铝溅射靶材，调整靶基距 80mm。将系统真空抽至10^-5Pa量级，充入氩气，输入流量为100sccm左右，调 整溅射压强为1Pa。调整溅射功率至800W，溅射时间为10分钟，在Si衬底表面 获得约0.1μm厚的锑化铝薄层3；停止溅射，恢复反应室压强至常压(约 1000mbar)，待衬底冷却至室温后，打开磁控溅射台，迅速将衬底载入MOCVD 反应室。

将MOCVD反应室抽取真空至1mbar以下，采用氢气作为载气，恢复反应室 压强至200mbar；升温至700℃退火2分钟，形成稳定的AlSb岛状结构4；最后在 550℃下，通入TESb与TMGa，TESb的通入量为1×10^-6mol/min，TMGa的通 入量为5×10^-7mol/min，衬底上方氢气流速为1200sccm，外延生长GaSb层2， 生长时间为半小时。该流程对比图1所示对比例1提高了衬底表面GaSb层2的覆 盖度。

实施例2：

将清洁的硅衬底1载入磁控溅射台，装入铝靶，调整靶基距80mm。将系统真 空抽至10^-5Pa量级，充入氩气，输入流量为100sccm左右，调整溅射压强为1Pa。 调整溅射功率至800W，溅射时间为5分钟，在Si衬底表面获得约30nm厚的铝薄 层5。停止溅射，恢复反应室压强，待衬底冷却至室温后，打开磁控溅射台，迅 速将衬底载入MOCVD反应室。

将MOCVD反应室抽取真空至1mbar以下，采用氢气作为载气，恢复反应室 压强至200mbar；升温至550℃，以氢气作为载气，通入TESb生长，其输入量 为1×10^-6mol/min，生长时间为1分钟，在Al层表面形成10nm左右的Sb薄层6； 然后在MOCVD系统中升温至700℃原位退火1分钟，保持TESb的输入流量以抑 制Sb的表面挥发，形成稳定的AlSb结构4；最后在550℃下，同时通入TESb(1 ×10^-6mol/min)与TMGa(5×10^-7mol/min)，衬底上方氢气流速为1200sccm， 外延生长GaSb层2，生长时间为半小时。该流程对比图1所示对比例1提高了衬 底表面GaSb层2的覆盖度，如图2所示。