在衬底上生长异变缓冲层的方法

摘要

一种在衬底上生长异变缓冲层的方法，包括如下步骤：步骤1：取一衬底；步骤2：在衬底上生长缓冲层；步骤3：在缓冲层上生长异变缓冲层；步骤4：在异变缓冲层生长外延层，形成基片；步骤5：对基片进行降温处理，完成在衬底上生长异变缓冲层的制备。

权利要求

1.一种在衬底上生长异变缓冲层的方法，包括如下步骤：步骤1：取一衬底；

步骤2：在衬底上生长缓冲层；

步骤3：在缓冲层上生长异变缓冲层，该异变缓冲层为多周期结构，每一周期包括：一InGaAs层和在其上生长的薄层，该异变缓冲层各周期结构中的InGaAs层的铟组份从下至上递增，递增幅度为0.02-0.05，每一周期的生长温度为500-350℃，各周期的生长温度随着铟组份的增加而逐渐降低0-15℃；

步骤4：在异变缓冲层生长外延层，形成基片；

步骤5：对基片进行降温处理，完成在衬底上生长异变缓冲层的制备。

2.根据权利要求1所述的在衬底上生长异变缓冲层的方法，其中所述的衬底的材料为砷化镓或磷化铟。

3.根据权利要求1所述的在衬底上生长异变缓冲层的方法，其中当衬底为砷化镓时，缓冲层的材料与衬底的材料相同；当衬底为磷化铟时，缓冲层的材料为磷化铟或与磷化铟晶格匹配的InGaAs。

4.根据权利要求1所述的在衬底上生长异变缓冲层的方法，其中异变缓冲层的周期数为5-20。

5.根据权利要求1所述的在衬底上生长异变缓冲层的方法，其中薄层的材料为砷化镓或砷化铝。

6.根据权利要求1所述的在衬底上生长异变缓冲层的方法，其中InGaAs层的厚度为

100-300nm。

7.根据权利要求1所述的在衬底上生长异变缓冲层的方法，其中薄层的厚度为

1.5-5nm。

8.根据权利要求1所述的在衬底上生长异变缓冲层的方法，其中外延层的材料为InGaAs、InAlAs或者InAlGaAs。

说明书

在衬底上生长异变缓冲层的方法

技术领域

[0001] 本发明属于半导体材料与器件技术领域，涉及一种InGaAs异变缓冲层的生长方法，特别是关于一种在衬底上生长异变缓冲层的方法

背景技术

[0002] 由于受到晶格匹配与能带带隙的限制，目前1.31-1.55μm波段近红外半导体光电器件主要采用InGaAsP/InP材料体系，但是这个材料体系的能带导带阶小载流子限制弱、器件特征温度低、成本较高等缺点，研发稳定性好、易于集成的光电器件受到严重困难。因此，近十多年来寻求新一代高特征温度、更廉价的其他基底近红外材料成为重要研究课题。近红外材料的另外一大体系是GaAs基材料，其成本较低、导带带阶较大、可以采用GaAs/AlGaAs分布式布拉格反射镜(DBR)实现垂直集成器件，因此GaAs基1.31-1.55微米光电材料和器件研究受到广泛重视。

[0003] GaAs基有源层材料主要是低In组分InGaAs/GaAs应变量子阱(量子阱层厚和In组分小于应力释放的临界值)、或自组织InAs/GaAs量子点(量子点尺度决定其发光波长)，同样受到晶格匹配条件限制，目前获得的发光波长也仅仅处于1.31微米波段，很难达到1.55μm波段。要进一步拓展InGaAs/GaAs量子阱、InAs/GaAs量子点的发光波长，必须克服晶格匹配的限制。也就是在GaAs基上实现禁带宽度大、晶格常数大的大In组分InxGa1-xAs异变外延层(外延层厚和In组分大于应力释放临界值)，使得外延层的晶格常数从GaAs材料过渡到InxGa1-xAs材料。这种方案的技术难点在于如何获得高平整度、位错缺陷密度小、同时将失配位错尽量限制在过渡层之内的InxGa1-xAs异变外延层，以最大限度地降低异变层上生长的量子阱、量子点有源层的位错密度(非辐射复合中心)。因此，能否在GaAs衬底上获得高质量InxGa1-xAs异变层是实现GaAs基1.55μm波段InGaAs量子阱或InAs量子点的技术关键。

[0004] 这种晶格失配InGaAs/GaAs异变材料除了可以应用于发光波长拓展的长波长光通信器件之外，还在近年来兴起的半导体多结高效太阳能电池研究中发挥关键作用。采用多个不同禁带宽度的异质结子电池串联结构，分别吸收不同波段太阳光谱的多结太阳能电池近年来发展迅速，其中采用了InGaAs异变结为一节子电池的三节太阳能电池的光电转换效率已达到目前最高的35％以上(非聚光条件下)，其InGaAs异变结材料质量是决定性因素之一。

[0005] 因此，InGaAs异变材料结构设计生长技术，是各类光通信器件、太阳能电池器件等多方面具有非常重要应用价值的关键技术。

发明内容

[0006] 本发明的目的在于，提供一种在衬底上生长异变缓冲层的方法，该方法可以有效的限制外延层与衬底由于晶格失配产生的位错，减少外延层的缺陷密度，提高外延层质量。

[0007] 本发明提供一种在衬底上生长异变缓冲层的方法，包括如下步骤：

[0008] 步骤1：取一衬底；

[0009] 步骤2：在衬底上生长缓冲层；

[0010] 步骤3：在缓冲层上生长异变缓冲层；

[0011] 步骤4：在异变缓冲层生长外延层，形成基片；

[0012] 步骤5：对基片进行降温处理，完成在衬底上生长异变缓冲层的制备。

[0013] 其中所述的衬底的材料为砷化镓或磷化铟。

[0014] 其中当衬底为砷化镓时，缓冲层的材料与衬底的材料相同；当衬底为磷化铟时，缓冲层的材料为磷化铟或与磷化铟晶格匹配的InGaAs。

[0015] 其中异变缓冲层为多周期结构，其周期数为5-20。

[0016] 其中异变缓冲层的每一周期包括：

[0017] 一InGaAs层和在其上生长的薄层。

[0018] 其中薄层的材料为砷化镓或砷化铝。

[0019] 其中异变缓冲层各周期结构中的InGaAs层的铟组份从下至上递增，递增幅度为0.02-0.05，每一周期的生长温度为500-350℃，各周期的生长温度随着铟组份的增加而逐渐降低0-15℃。

[0020] 其中InGaAs层的厚度为100-300nm。

[0021] 其中薄层的厚度为1.5-5nm。

[0022] 其中外延层的材料为InGaAs、InAlAs或者InAlGaAs。

附图说明

[0023] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合实施例及附图，对本发明进一步详细说明，其中：

[0024] 图1是本发明的结构示意图。

具体实施方式

[0025] 请参阅图1所示，本发明提供一种在衬底上生长异变缓冲层的方法，包括如下步骤：

[0026] 步骤1：取一衬底10，所述的衬底10的材料为砷化镓或磷化铟；

[0027] 步骤2：在衬底10上生长缓冲层11，其中当衬底10为砷化镓时，缓冲层11的材料与衬底10的材料相同；当衬底10为磷化铟时，缓冲层11的材料为磷化铟或与磷化铟晶格匹配的InGaAs；

[0028] 步骤3：在缓冲层11上生长异变缓冲层12，该异变缓冲层12为多周期结构，其周期数为5-20，该异变缓冲层12的每一周期包括：

[0029] 一InGaAs层121和在其上生长的薄层122，该InGaAs层121的厚度为100-300nm，该薄层122的材料为砷化镓或砷化铝，该薄层122的厚度为1.5-5nm；

[0030] 其中该异变缓冲层12各周期结构中的InGaAs层121的铟组份从下至上递增，递增幅度为0.02-0.05，每一周期的生长温度为500-350℃，各周期的生长温度随着铟组份的增加而逐渐降低0-15℃，降低InGaAs层121的生长温度有利于提高InGaAs层121的表面平整度；

[0031] 采用分子束外延生长该异变缓冲层12的过程中，该异变缓冲层12的每一周期生长结束后，生长停顿5-10分钟，在该生长停顿时间内，调整生长温度至下一周期所需要的生长温度，调整铟组份至下一周期中InGaAs层121的铟组份；

[0032] 其中该异变缓冲层12每一周期中薄层122的作用是在生长停顿之前覆盖该周期中的InGaAs层121，避免生长停顿过程中铟原子从InGaAs层121表面解吸附；

[0033] 其中该异变缓冲层12的周期数根据InGaAs层121的铟组份递增幅度和异变缓冲层12中最后一周期InGaAs层121与第一周期InGaAs层121的铟组份之差来确定；

[0034] 步骤4：在异变缓冲层12生长外延层13，形成基片；

[0035] 异变缓冲层12的最后一周期生长结束后，生长停顿5-10分钟，在该生长停顿时间内，调整生长温度至外延层13所需要的生长温度，调整铟组份至外延层13的铟组份；

[0036] 外延层13的材料为InGaAs、InAlAs或者InAlGaAs，该外延层13材料的铟组份比异变缓冲层12中最后一周期InGaAs层121的铟组份低0-0.1；

[0037] 异变缓冲层12的作用是过滤外延层13和衬底10之间因为晶格失配产生的位错，减少外延层13材料中的位错密度、提高外延层13材料的晶体质量。

[0038] 该基片可以用来生长和制备与外延层13材料晶格匹配的材料及器件。

[0039] 步骤5：对基片进行降温处理，完成在衬底上生长异变缓冲层的制备。

[0040] 实例

[0041] 请再参阅图1所示，本发明提供一种在衬底上生长异变缓冲层的方法，包括如下步骤：

[0042] 步骤1：取一衬底10，所述的衬底10的材料为砷化镓；

[0043] 步骤2：在衬底10上生长缓冲层11，其中衬底10为砷化镓，缓冲层11的材料与衬底10的材料相同；

[0044] 步骤3：在缓冲层11上生长异变缓冲层12，该异变缓冲层12为多周期结构，其周期数为10，该异变缓冲层12的每一周期包括：

[0045] 一InGaAs层121和在其上生长的薄层122，该异变缓冲层12的最上面一层再生长一层InGaAs层121，该InGaAs层121的厚度为200nm，该薄层122的材料为砷化铝，该AlAs薄层122的厚度为2nm；

[0046] 其中该异变缓冲层12各周期结构中的InGaAs层121的铟组份从下至上递增，递增幅度为0.02，每一周期的生长温度为500-350℃，各周期的生长温度随着铟组份的增加而逐渐降低0-15℃；

[0047] 步骤4：在异变缓冲层12生长外延层13，形成基片；

[0048] 步骤5：对基片进行降温处理，完成在衬底上生长异变缓冲层的制备。

[0049] 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。