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CN114232085A - 一种在InP衬底上外延生长InGaAs的方法 - Google Patents

一种在InP衬底上外延生长InGaAs的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种在InP衬底上外延生长InGaAs的方法，包括以下步骤：步骤1，测定InP衬底的氧化膜厚度；步骤2，测定Ga和In的生长速率；步骤3，对InP衬底进行预处理除气；步骤4，在步骤3的预处理完成后，对InP衬底进行氧化膜的脱附；步骤5，在步骤4中氧化膜的脱附完成之后，进行InP缓冲层外延；步骤6，在步骤5中InP缓冲层外延完成之后，P阀门关闭，As阀门开至所需束流位置；步骤7，在步骤6中P/As束流切换完成之后，进行InGaAs外延。通过本发明提供的方法可以避免通过高能电子衍射仪观察衬底表面再构带来的时长偏差，可以有效地减少InP缓冲层与InGaAs材料之间四元合金界面的形成，减少杂质缺陷，降低InGaAs载流子浓度，提高材料迁移率。

Description

一种在InP衬底上外延生长InGaAs的方法
技术领域
本发明属于半导体材料生长技术领域，特别涉及一种在InP衬底上外延生长InGaAs的方法。
背景技术
InGaAs材料是由二元材料InAs和GaAs组成的，InAs与GaAs都是直接带隙半导体，且均为闪锌矿结构，组成的InGaAs材料也是直接带隙半导体，当In组分不同时，InGaAs材料的禁带宽度在0.35-1.43eV内变化。当InGaAs材料中的In组分为0.53时，InGaAs材料和InP衬底晶格匹配，禁带宽度为0.74eV。
InGaAs和其他材料相比有很多优点，以它作为吸收材料可以得到响应速度和运行速度非常快的探测器。由InGaAs材料制成的PIN探测器在光纤传输中发挥重要的作用，其较高的内量子效率和较低的暗电流，摒弃了以往需要制冷设备才能够在室温下连续工作的探测器，使得这类探测器有良好的发展前景。所以应用InGaAs材料作为吸收层的高速光电探测器得到了极大的发展，出现了一系列不同工作方式的光电探测器，包括InGaAs雪崩光电探测器（APD），InGaAs PIN光电探测器，InGaAs 金属-半导体-金属光电探测器（MSM-PD）。
因此，利用固态源分子束外延系统，如何外延得到高迁移率InGaAs材料，成为InGaAs器件材料外延的重点研究方向，对InGaAs光电器件和微电器件材料外延生产有重要的意义。
发明内容
基于以上问题，本发明的主要目的在于提出一种在InP衬底上外延生长InGaAs的方法。
本发明采用如下技术方案：
一种在InP衬底上外延生长InGaAs的方法，包括以下步骤：
步骤1，测定InP衬底的氧化膜厚度；
步骤2，测定Ga和In的生长速率；
步骤3，对InP衬底进行预处理除气；
步骤4，在步骤3的预处理完成后，对InP衬底进行氧化膜的脱附，氧化膜的脱附时间根据t=-2.3h2+8.4h+2.2确定，其中t为氧化膜脱附时长，单位是min，h为步骤1得到的InP衬底氧化膜厚度，单位是nm；
步骤5，在步骤4中氧化膜的脱附完成之后，进行InP缓冲层外延；
步骤6，在步骤5中InP缓冲层外延完成之后，P阀门关闭，As阀门开至所需束流位置；
步骤7，在步骤6中P/As束流切换完成之后，进行InGaAs外延。
优选的，步骤1中使用椭圆偏振装置测定InP衬底氧化膜厚度。
优选的，步骤2中Ga和In的生长速率测定使用高能电子衍射仪装置。
优选的，步骤3中对InP衬底进行预处理的温度为350~400℃，预处理时间为1~2h，其中升温和降温速率均为15 ~25℃/min。
优选的，步骤4中使用P束流作为衬底保护气，将衬底加热器升温至衬底的RHEED图案出现×4再构条纹，此时温度为Tc，将Tc设置为基准温度。
优选的，步骤5中，氧化膜脱附完成之后，将衬底温度降为Tc以下30℃~50℃进行InP缓冲层外延。
优选的，步骤5中使用固态磷源裂解炉进行InP缓冲层的外延，其中P与In束流的V/III比为5~20。
优选的，步骤6中 P阀门关闭的时长不超过2分钟；As阀门开至所需束流位置的时长不超过2分钟。
优选的，步骤7中，InGaAs的外延温度为Tc以下50℃~100℃。
优选的，步骤7中，InGaAs的外延V/III比为10~25。
本发明的有益效果：
本文提出的一种InGaAs高迁移率材料的外延方法，具有以下有益效果：
（1）通过椭圆偏振测试得到InP衬底氧化膜厚度，通过厚度值并根据经验公式设定衬底氧化膜脱附时长，可以有效的量化氧化膜厚度与脱附时长的关系，避免通过高能电子衍射仪观察衬底表面再构带来的时长偏差。
（2）P/As束流的切换工艺可以有效地减少InP缓冲层与InGaAs材料之间四元合金界面的形成，减少杂质缺陷，降低InGaAs载流子浓度，提高材料迁移率。
（3）本发明还可以推广到其他的III-V族砷化物和磷化物材料的生长，可以用于多种体系材料的半导体器件的制备，具有很好的通用性。
附图说明
图1是本发明在InP衬底上外延生长InGaAs的方法外延结构的示意图。
附图标记说明：101、InP衬底；102、InP缓冲层；103、InGaAs外延层。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步的描述，实施例仅用于对本发明进行说明，并不构成对权利要求范围的限制，本领域技术人员可以想到的其他替代手段，均在本发明权利要求范围内。
本发明提供一种在InP衬底上外延生长InGaAs的方法，包括以下步骤：
步骤1，测定InP衬底101的氧化膜厚度，可以使用椭圆偏振装置测定InP衬底101氧化膜厚度。
步骤2，测定Ga和In的生长速率，可以使用高能电子衍射仪装置进行测定。
步骤3，对InP衬底101进行预处理除气，预处理的温度为350~400℃，预处理时间为1~2h，其中升温和降温速率均为15 ~25℃/min。
步骤4，在步骤3的预处理完成后，对InP衬底101进行氧化膜的脱附，氧化膜的脱附时间根据t=-2.3h2+8.4h+2.2确定，其中t为氧化膜脱附时长，单位是min，h为步骤1得到的InP衬底氧化膜厚度，单位是nm；使用P束流作为衬底保护气，将衬底加热器升温至RHEED图案出现×4再构条纹，此时温度为Tc，将Tc设置为基准温度。
步骤5，在步骤4中氧化膜的脱附完成之后，将衬底温度降为Tc以下30℃~50℃进行InP缓冲层102外延，可以使用固态磷源裂解炉进行InP缓冲层102的外延，其中P与In束流的V/III比为5~20。
步骤6，在步骤5中InP缓冲层102外延完成之后，P阀门关闭，As阀门开至所需束流位置，并控制P阀门关闭的时长不超过2分钟，As阀门开至所需束流位置的时长不超过2分钟。
步骤7，在步骤6中P/As束流切换完成之后，进行InGaAs外延层103的生长，InGaAs的外延温度为Tc以下50℃~100℃，InGaAs的外延V/III比为10~25。
根据厚度测试值设定氧化膜脱附时长，避免传统方法中通过观察衬底表面再构带来的时长偏差，InP缓冲层生长完成后采用的P/As切换工艺，避免了InP缓冲层与InGaAs材料之间出现四元合金界面。工艺简单可重复，适合大批量生产。
实施例1
步骤1，测定InP衬底的氧化膜厚度，使用椭圆偏振装置测定InP衬底氧化膜厚度为0.8nm。
步骤2，测定Ga和In的生长速率，使用高能电子衍射仪装置进行测定，其中Ga生长速率与In生长速率比例为47/53。
步骤3，对InP衬底进行预处理除气，预处理的温度为350℃，预处理时间为1h，其中升温和降温速率均为25℃/min。
步骤4，在步骤3的预处理完成后，对InP衬底进行氧化膜的脱附，氧化膜的脱附时间根据t=-2.3h2+8.4h+2.2确定，其中t为氧化膜脱附时长，单位是min，h为步骤1得到的InP衬底氧化膜厚度，单位是nm，得到氧化膜脱附时长为7.26min，使用P束流作为衬底保护气，将衬底加热器升温至RHEED图案出现×4再构条纹，此时温度为Tc，为580℃，将Tc设置为基准温度。
步骤5，在步骤4中氧化膜的脱附完成之后，将衬底温度降为Tc以下30℃，即550℃进行InP缓冲层外延，可以使用固态磷源裂解炉进行InP缓冲层的外延，其中P与In束流的V/III比为12。
步骤6，在步骤5中InP缓冲层外延完成之后，P阀门以step的方式降低至0%，并维持30s，As阀门以2%/s的速度开至所需束流位置，并维持2min。
步骤7，在步骤6中P/As束流切换完成之后，进行InGaAs外延，InGaAs的外延温度为Tc以下50℃，即530℃，InGaAs的外延V/III比为17。
应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种在InP衬底上外延生长InGaAs的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，测定InP衬底的氧化膜厚度；
步骤2，测定Ga和In的生长速率；
步骤3，对InP衬底进行预处理除气；
步骤4，在步骤3的预处理完成后，对InP衬底进行氧化膜的脱附，氧化膜的脱附时间根据t=-2.3h2+8.4h+2.2确定，其中t为氧化膜脱附时长，单位是min，h为步骤1得到的InP衬底氧化膜厚度，单位是nm；
步骤5，在步骤4中氧化膜的脱附完成之后，进行InP缓冲层外延；
步骤6，在步骤5中InP缓冲层外延完成之后，P阀门关闭，As阀门开至所需束流位置；
步骤7，在步骤6中P/As束流切换完成之后，进行InGaAs外延。
2.根据权利要求1所述的在InP衬底上外延生长InGaAs的方法，其特征在于，步骤1中使用椭圆偏振装置测定InP衬底氧化膜厚度。
3.根据权利要求1所述的在InP衬底上外延生长InGaAs的方法，其特征在于，步骤2中Ga和In的生长速率测定使用高能电子衍射仪装置。
4.根据权利要求1所述的在InP衬底上外延生长InGaAs的方法，其特征在于，步骤3中对InP衬底进行预处理的温度为350~400℃，预处理时间为1~2h，其中升温和降温速率均为15~25℃/min。
5.根据权利要求1所述的在InP衬底上外延生长InGaAs的方法，其特征在于，步骤4中使用P束流作为衬底保护气，将衬底加热器升温至衬底的RHEED图案出现×4再构条纹，此时温度为Tc，将Tc设置为基准温度。
6.根据权利要求5所述的在InP衬底上外延生长InGaAs的方法，其特征在于，步骤5中，氧化膜脱附完成之后，将衬底温度降为Tc以下30℃~50℃进行InP缓冲层外延。
7.根据权利要求1所述的在InP衬底上外延生长InGaAs的方法，其特征在于，步骤5中使用固态磷源裂解炉进行InP缓冲层的外延，其中P与In束流的V/III比为5~20。
8.根据权利要求1所述的在InP衬底上外延生长InGaAs的方法，其特征在于，步骤6中 P阀门关闭的时长不超过2分钟；As阀门开至所需束流位置的时长不超过2分钟。
9.根据权利要求5所述的在InP衬底上外延生长InGaAs的方法，其特征在于，步骤7中，InGaAs的外延温度为Tc以下50℃~100℃。
10.根据权利要求1所述的在InP衬底上外延生长InGaAs的方法，其特征在于，步骤7中，InGaAs的外延V/III比为10~25。
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