[发明专利]一种组分递变过渡层的气态源分子束外延材料生长方法

说明书

技术领域

本发明属于半导体光电子器件制备领域，特别涉及一种组分递变过渡层的气态源分子束外延材料生长方法。

背景技术

近年来，随着量子阱、超晶格等结构的研究，能带工程在半导体器件和光电子器件领域中发挥了重要作用，而能带工程的应用依赖异质结技术的完善。由于具有不同材料禁带宽度的异质结能够使得器件具有不同于同质结器件的功能，因而在异质结光电晶体管、异质结激光二极管和雪崩光电二极管(Avalanche Photodiode,APD)等器件设计中有重要的应用。但是，由于异质结界面两侧材料的晶格常数不同，容易造成界面畸变，形成位错和缺陷；另外，两种材料不同大小的禁带宽度，容易在异质结界面处产生带阶，产生能带尖峰效应，给载流子在异质结中的输运产生影响。不过，生长工艺技术的发展，为半导体异质结材料的完满生长提供了条件，如分子束外延技术在控制原子层尺度生长和动力学控制生长机制方面的优越性，为各种具有复杂结构设计的光电子器件提供了发展的基础。

例如，APD因具有倍增效应而比PN探测器具有更高的灵敏度和探测率，特别适用于微弱光信号的探测，获得了越来越多的重视和应用。从上世纪七十年代APD开始出现起，APD的结构经历了一个不断改进的发展过程。早期的APD结构仍采用PIN结构，工作于更高的反向电压下，器件噪声较高。为了降低器件噪声，研究人员设计了分离吸收区和增益区的结构，在吸收区外增加一个具有相对更宽禁带的倍增区形成吸收区和倍增区分离(Separated Absorption and Multiplication,SAM)的结构，宽禁带倍增区的引入可以降低器件暗电流与噪声，并且吸收区和倍增区结构可以相对独立地进行优化。但是能带的突变带来的带阶，增加了载流子的渡越时间，造成器件响应速度的降低，于是人们还在窄带隙吸收区和宽带隙倍增区之间引入过渡层以减小能带尖峰效应，构成吸收区和倍增区分离、具有过渡层(Separated Absorption Grading and Multiplication,SAGM)结构，进一步降低了器件的噪声，提高了器件的响应速度。再通过引入电荷区，构成所谓吸收区电荷区和倍增区分离、具有过渡层(Separated Absorption Grading Charge and Multiplication,SAGCM)结构，可以调制电场并调制载流子电离过程。

因此，单纯从材料生长角度上讲，APD外延层数多，对精确控制各层材料组分、限制外延层间界面互扩散有很高要求，同时每层掺杂浓度需精确控制，特别是低浓度的实现、charge层与其他层，及异质结界面间的相互扩散都要求可以精准控制。作为近年来材料生长领域的领先技术，分子束外延不仅能生长出完整的异质结界面，而且对异质结的组分、掺杂、各层厚度都能在原子量级的范围内精确控制。目前，对于只涉及单一V族气源元素材料体系的APD而言，经过对掺杂、器件结构、能带和电场等方面的优化，APD的研究已经取得了很大进展。不过，对于As、P混合体系材料的生长，仍存在较多问题，如以InP为倍增区的空穴倍增型的InGaAsP APD；甚至以InAlAs为倍增区的电子倍增型的InGaAsP APD，至今仍未见诸报道。其主要原因可能是均由材料生长困难造成的，考虑到两者为吸收区和倍增区分离的结构，且分别为含砷(As)和磷(P)的材料体系，因倍增区结构材料相比于吸收区结构材料而言，要求禁带宽度更大，这在器件设计中需引入含砷磷且组分递变的过渡层(Grading)起到递变作用，以减小能带尖峰效应，减少能带带阶对载流子的阻挡，从而提高APD的响应速度。

然而，由于白磷燃点仅40℃，易造成腔体污染，固态磷源给使用带来很大不便。而气态源分子束外延(GSMBE)技术在保持固态源分子束外延技术特点的同时，在磷源控制方面有显著的优点，它以AsH₃和PH₃为V族源，靠压力控制V族比例，其为制备优质InP基及含磷III-V族微结构材料与器件提供了有利条件。它也为研制分别作为吸收区和倍增区的砷(As)和磷(P)材料体系的SAGCM结构的APD器件提供了可能。即使如此，在采用GSMBE技术进行材料生长过程中，一般应减少As、P切换次数，这一方面是由于两者切换较为缓慢，时间间隔较长，切换过程易在界面位置产生位错和带阶；另一方面，AsH₃和PH₃为剧毒气体，尾气需谨慎处理，泵掉的部分也会造成浪费。因此，对于As、P混合体系材料的生长需要在生长工艺控制和参数设计等方面作较多的考虑。

发明内容