在GaP/Si衬底上外延生长InGaAs薄膜的方法及InGaAs薄膜

技术领域

本发明属于半导体化合物制备技术领域，具体地讲，涉及一种在GaP/Si衬底上外延生长InGaAs薄膜的方法以及由该方法外延生长的InGaAs薄膜。

背景技术

Ⅲ-Ⅴ族化合物由于具有稳定性好、有效质量小、电子迁移率和峰值速率高以及光吸收系数较高等优点被广泛地应用于光电器件中。在这些Ⅲ-Ⅴ族化合物中，In

外延生长In

发明内容

鉴于上述现有的在Si衬底上直接外延生长InGaAs薄膜存在的不足，本发明的主要目的在于提供一种工艺简单、成本较低并且可以快速获得高晶体质量的InGaAs薄膜的在GaP/Si衬底上外延生长InGaAs薄膜的方法以及由该方法外延生长的InGaAs薄膜。

根据本发明的实施例的一方面提供的一种在GaP/Si衬底上外延生长InGaAs薄膜的方法，其包括：在GaP/Si衬底上生长形成GaP缓冲层；在所述GaP缓冲层上生长形成层叠的若干InP/InGaAs超晶格结构缓冲层；在所述若干InP/InGaAs超晶格结构缓冲层上生长形成InP缓冲层；在所述InP缓冲层上生长形成InGaAs薄膜。

在上述一方面提供的在GaP/Si衬底上外延生长InGaAs薄膜的方法的一个示例中，每一所述InP/InGaAs超晶格结构缓冲层沿远离所述GaP缓冲层的方向顺序包括层叠的InP缓冲层和InGaAs缓冲层。

在上述一方面提供的在GaP/Si衬底上外延生长InGaAs薄膜的方法的一个示例中，所述InGaAs薄膜为In

在上述一方面提供的在GaP/Si衬底上外延生长InGaAs薄膜的方法的一个示例中，在所述在GaP/Si衬底上生长形成GaP缓冲层之前，所述方法还包括对所述GaP/Si衬底进行丙酮、异丙醇超声清洗5分钟，而后用去离子水清洗所述GaP/Si衬底，并用氮气吹干，以去除所述GaP/Si衬底表面的有机物；将所述GaP/Si衬底按顺序置于第一RCA溶液中水浴加热15分钟、第二RCA溶液中水浴加热15分钟、浓度为2.5％的氢氟酸中浸泡2分钟，然后经氢氟酸和去离子水去除所述GaP/Si衬底的表面氧化物和有机物，最后用氮气吹干。

在上述一方面提供的在GaP/Si衬底上外延生长InGaAs薄膜的方法的一个示例中，在对所述GaP/Si衬底进行清洗之后，且在所述在GaP/Si衬底上生长形成GaP缓冲层之前，所述方法还包括：将经清洗后的所述GaP/Si衬底送入分子束外延装置的进样室中预除气15～30分钟，然后再送入所述分子束外延装置的预处理室中在300℃的温度下除气1～2小时，完成除气后送入所述分子束外延装置的生长室；使所述GaP/Si衬底的温度为650℃，并高温烘烤10～25分钟，以除去所述GaP/Si衬底的表面的氧化膜层。

在上述一方面提供的在GaP/Si衬底上外延生长InGaAs薄膜的方法的一个示例中，所述在GaP/Si衬底上生长形成GaP缓冲层的方法包括：使所述GaP/Si衬底温度为630℃，并在生长室压力为1.0×10

在上述一方面提供的在GaP/Si衬底上外延生长InGaAs薄膜的方法的一个示例中，所述生长所述InP/InGaAs超晶格结构缓冲层中的InP缓冲层的方法包括：使所述GaP/Si衬底温度为480℃，并在生长室压力为1.0×10

在上述一方面提供的在GaP/Si衬底上外延生长InGaAs薄膜的方法的一个示例中，所述在所述若干InP/InGaAs超晶格结构缓冲层上生长形成InP缓冲层的方法包括：使所述GaP/Si衬底的温度为480℃，并在生长室压力在1.0×10

在上述一方面提供的在GaP/Si衬底上外延生长InGaAs薄膜的方法的一个示例中，所述在所述InP缓冲层上生长形成InGaAs薄膜的方法包括：使所述GaP/Si衬底的温度为480℃，并在生长室压力为2.0×10

根据本发明的实施例的一方面提供的InGaAs薄膜，其由上述的方法外延生长而成。

附图说明

通过结合附图进行的以下描述，本发明的实施例的上述和其它方面、特点和优点将变得更加清楚，附图中：

图1是根据本发明的实施例的在GaP/Si衬底上外延生长InGaAs薄膜的方法的流程图；

图2是由图1所示的方法外延生长的InGaAs薄膜的示意图；

图3是根据本发明的实施例的外延生长的InGaAs薄膜的透射电镜图；

图4是根据本发明的实施例的外延生长的InGaAs薄膜的(004)面的X射线摇摆曲线；

图5是根据本发明的实施例的外延生长的InGaAs薄膜的原子力显微镜扫描图。

具体实施方式

以下，将参照附图来详细描述本发明的具体实施例。然而，可以以许多不同的形式来实施本发明，并且本发明不应该被解释为限制于这里阐述的具体实施例。相反，提供这些实施例是为了解释本发明的原理及其实际应用，从而使本领域的其他技术人员能够理解本发明的各种实施例和适合于特定预期应用的各种修改。

如本文中使用的，术语“包括”及其变型表示开放的术语，含义是“包括但不限于”。术语“基于”、“根据”等表示“至少部分地基于”、“至少部分地根据”。术语“一个实施例”和“一实施例”表示“至少一个实施例”。术语“另一个实施例”表示“至少一个其他实施例”。术语“第一”、“第二”等可以指代不同的或相同的对象。下面可以包括其他的定义，无论是明确的还是隐含的。除非上下文中明确地指明，否则一个术语的定义在整个说明书中是一致的。

图1是根据本发明的实施例的在GaP/Si衬底上外延生长InGaAs薄膜的方法的流程图；图2是由图1所示的方法外延生长的InGaAs薄膜的示意图。

参照图1和图2，根据本发明的实施例的在GaP/Si衬底上外延生长InGaAs薄膜的方法包括：制程S110、制程S120、制程S130以及制程S140。

具体地，在制程S110中，在GaP/Si衬底200上生长形成GaP缓冲层210。

在本实施例中，所述GaP/Si衬底200是预先在Si(100晶面)上制作形成了预定厚度的GaP薄膜。当然，这样的GaP/Si衬底可以通过商购获得。而作为本发明的其他实施方式，可以选用单独的Si衬底，从而在单独的Si衬底上直接生长形成GaP缓冲层210。

在本实施例中，在执行制程S110之前，可以先执行制程S101(未图示)。具体地，制程S101包括：对GaP/Si衬底200进行丙酮、异丙醇超声清洗5分钟，而后用去离子水清洗GaP/Si衬底200，并用氮气吹干，以去除GaP/Si衬底200表面的有机物；接着，将GaP/Si衬底200按顺序置于第一RCA溶液中水浴加热15分钟、第二RCA溶液中水浴加热15分钟、浓度为2.5％的氢氟酸中浸泡2分钟，然后经氢氟酸和去离子水去除GaP/Si衬底200的表面氧化物和有机物，最后用氮气吹干。其中，第一RCA溶液由325ml去离子水、65ml NH

在本实施例中，在执行制程S101之后，且在执行制程S110之前，还可以执行制程S102(未示出)。具体地，制程S102包括：将经清洗后的GaP/Si衬底200送入分子束外延装置的进样室中预除气15～30分钟，然后再送入所述分子束外延装置的预处理室中在300℃的温度下除气1～2小时(优选1.5小时)，完成除气后送入所述分子束外延装置的生长室；接着，将GaP/Si衬底200的温度升至650℃，并高温烘烤10～25分钟(优选15分钟)，以除去GaP/Si衬底200的表面的氧化膜层。需要说明的是，在本发明的其他实施方式中，制程S102可以被省略。

在本实施例中，制程S110中在GaP/Si衬底200上生长形成GaP缓冲层210的一个示例性方法包括：使GaP/Si衬底200温度为630℃，并在生长室压力为1.0×10

此外，在执行完制程S110之后，且在执行制程S120之前，关闭Ga源，继续保持通入P源，P的束流压力可以为7.61×10

在制程S120中，在GaP缓冲层210上生长形成层叠的若干InP/InGaAs超晶格结构缓冲层220。

在本实施例中，每一InP/InGaAs超晶格结构缓冲层220沿远离GaP缓冲层210的方向顺序包括层叠的InP缓冲层221和InGaAs缓冲层222。这里，在图2中优选地示出了十组InP/InGaAs超晶格结构缓冲层220，但本发明并不限制于此，两组、三组、四组、五组、六组、七组、八组、九组、十一组或者更多组都可以。

在本实施例中，制程S120中在GaP缓冲层210上生长形成其中一组InP/InGaAs超晶格结构缓冲层220的示例性方法包括制程S121(未示出)和制程S122(未示出)。需要说明的是，根据事先设定好的InP/InGaAs超晶格结构缓冲层220的组数，循环执行相应次数制程S121和制程S122即可。例如，需要形成两组InP/InGaAs超晶格结构缓冲层220，那么制程的执行顺序为制程S121、制程S122、制程S121、制程S122。

具体地，制程S121包括：使GaP/Si衬底200温度为480℃，并在生长室压力为1.0×10

在制程S121结束之后，且在制程S122开始之前，关闭P源，打开As源，As的束流压力是1.39×10

制程S122包括：使GaP/Si衬底200温度为480℃，并在生长室压力为1.0×10

此外，在每次执行完制程S122之后，关闭In源、Ga源、As源，关闭时间均为5s；然后通入P源炉，P的束流压力是8.9×10

另外，在最后一次执行完制程S122之后，且在执行制程S130之前，关闭In源、Ga源、As源，然后通入P源，P的束流压力是8.9×10

在制程S130中，在所述若干InP/InGaAs超晶格结构缓冲层220(最后一层InGaAs缓冲层222)上生长形成InP缓冲层230。

在本实施例中，制程S130中在最后一层InGaAs缓冲层222上生长形成InP缓冲层230的一个示例性方法包括：使GaP/Si衬底200的温度为480℃，并在生长室压力在1.0×10

此外，在执行完制程S130之后，且在执行制程S140之前，关闭In源、P源，关闭持续时间为5s。之后，通入As源，As源的束流压力是1.39×10

在制程S140中，在InP缓冲层230上生长形成InGaAs薄膜240。在一个示例中，InGaAs薄膜240可以是In

制程S140中在InP缓冲层230上生长形成InGaAs薄膜240的一个示例性方法包括：使GaP/Si衬底200的温度为480℃，并在生长室压力为2.0×10

此外，在执行完制程S140之后，将GaP/Si衬底200温度由480℃降温至100℃，降温速度1.5℃/s，降温持续时间为480s。同时，关闭In源、Ga源，In源、Ga源分别降温至保温温度300℃、400℃；As源不关闭，As的束流压力降低至7.6110

需要说明的是，在本实施例中，可以使用分子束外延装置来执行上述各制程和/或过程。当然，本发明并不限制于此，也可以使用其他的薄膜沉积装置。

根据本发明的另一实施例还提供了一种由图1所示在GaP/Si衬底上外延生长InGaAs薄膜的方法外延生长形成的InGaAs薄膜，其具体结构可以参照图2所示。

图3是根据本发明的实施例的外延生长的InGaAs薄膜的透射电镜图。

参照图3，外延生长的GaP缓冲层210与GaP/Si衬底200界面清晰，且没有产生新的位错。超晶格SLs(即若干InP/InGaAs超晶格结构缓冲层220)的底部没有出现特别明显的衬度对比，对位错的限制效应明显，且通过张/压应变可以改善界面，InP缓冲层230进一步减少了穿透位错。因此，在本实施例中，采用多周期多层缓冲层结合原位退火的工艺技术，可以获得表面平整、高晶体质量的缓冲层，该缓冲层可以有效过滤衬底与外延层(即InGaAs薄膜)之间由于晶格失配引起的位错，较好的释放应力。

图4是根据本发明的实施例的外延生长的InGaAs薄膜的(004)面的X射线摇摆曲线。参照图4，InGaAs薄膜的(004)面X射线摇摆曲线半峰宽为0.00564°，表明InGaAs外延薄膜中应力得到有效地释放，证明超晶格SLs(即若干InP/InGaAs超晶格结构缓冲层220)可提高缓冲能力，进而降低InGaAs薄膜的位错密度，提高InGaAs薄膜的晶体质量。

图5是根据本发明的实施例的外延生长的InGaAs薄膜的原子力显微镜扫描图。参照图5，在1×1μm

综上所述，根据本发明的实施例，通过在GaP/Si衬底上外延生长GaP缓冲层、InP/InGaAs超晶格结构缓冲层以及InP缓冲层，可以获得高晶体质量的缓冲层，解决了Si衬底与InGaAs薄膜的晶格匹配问题，有效过滤衬底与外延层(即InGaAs薄膜)之间由于晶格失配引起的位错，较好的释放应力。此外，根据本发明的实施例的方法而外延生长的InGaAs薄膜晶体质量好，表面平整，对半导体光电器件的制备有着积极的促进意义。

上述对本发明的特定实施例进行了描述。其它实施例在所附权利要求书的范围内。

在整个本说明书中使用的术语“示例性”、“示例”等意味着“用作示例、实例或例示”，并不意味着比其它实施例“优选”或“具有优势”。出于提供对所描述技术的理解的目的，具体实施方式包括具体细节。然而，可以在没有这些具体细节的情况下实施这些技术。在一些实例中，为了避免对所描述的实施例的概念造成难以理解，公知的结构和装置以框图形式示出。

以上结合附图详细描述了本发明的实施例的可选实施方式，但是，本发明的实施例并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的实施例的技术构思范围内，可以对本发明的实施例的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的实施例的保护范围。

本说明书内容的上述描述被提供来使得本领域任何普通技术人员能够实现或者使用本说明书内容。对于本领域普通技术人员来说，对本说明书内容进行的各种修改是显而易见的，并且，也可以在不脱离本说明书内容的保护范围的情况下，将本文所定义的一般性原理应用于其它变型。因此，本说明书内容并不限于本文所描述的示例和设计，而是与符合本文公开的原理和新颖性特征的最广范围相一致。