[发明专利]外延生长方法、外延结构及光电器件

说明书

本发明揭示了一种外延生长方法、外延结构及光电器件，所述方法包括：S1、对硅衬底表面进行处理；S2、采用迁移增强外延法，在380～510℃低温条件下交替通入/关断ⅢA族源和ⅤA族源，在硅衬底上外延生长III‑V族化合物形核层。本发明在初始形核阶段采用低温生长，能够有效抑制界面的起伏，获得光滑平整的界面，提高外延薄膜的结晶质量；能够抑制异质生长阶段的反相畴，减少孪晶、堆垛层错，降低位错密度。

技术领域

本发明属于半导体工艺技术领域，具体涉及一种外延生长方法、外延结构及光电器件。

背景技术

目前硅基光电子技术得到了长足的发展，在人工智能、通信、高性能计算、传感、数据中心、自动驾驶等领域均有应用。硅基光电集成有几个比较明显的优势：

(1)低成本，Si材料在地球上的储量很丰富，意味着原材料成本价格低廉；

(2)高集成度，Si的折射率较大，弯曲半径小，能够实现很小的器件尺寸，所以能够实现很高的集成度；

(3)大面积制备工艺成熟，制作工艺与成熟的CMOS工艺相兼容，制作成本低，同时也有助于实现光学器件、光电转换器件和电学器件的混合集成。

而III-V族光电器件的特点包括：(1)容量大(2)高速信号传输(3)多种材料类型(4)集成度低，难度大。将Si基光电子学与III-V族光电器件制备相结合，就可以将二者的优势结合起来，发挥二者优势，同时又避免了二者的短处。

但是，在硅基上直接生长高质量III-V族材料十分困难，主要由以下几个因素：

(1)反相畴问题，由于Si材料是非极性的，而III-V材料是极性的，所以在初始随机成核过程中III族原子和V族原子与Si原子结合没有确定性，很容易出现反相畴，破坏晶体完整性，影响外延材料迁移率；

(2)热失配，由于材料的热膨胀系数不同，生长完成后降低到室温的过程中会产生应力，残余应力会引入位错；

(3)晶格失配，GaAs与InP和Si之间的失配度分别为4％、7.5％，如此大的晶格失配会导致高达1E10cm^-2量级的位错，而在晶格匹配的衬底上生长的位错密度约1E6cm^-2。

在所有的Ⅲ-Ⅴ族化合物中GaP与Si的晶格失配度最小，仅为0.37％，所以以Si为衬底制备光电器件，GaP是作为缓冲层最为适合的Ⅲ-Ⅴ族化合物。高质量Si基GaP模板是III-V族材料生长及相关器件制备的基础。

但GaP作为缓冲层仍存在一定的失配度、热膨胀差别，因此也会存在一定的问题。主要是：

(1)反相畴与反相晶界，由于Si材料是非极性的，而III-V族材料是极性的，所以在初始随机成核过程中III族原子和V族原子与Si原子结合没有确定性，很容易出现反相畴，破坏晶体完整性，影响外延材料迁移率；

(2)堆积层错、微孪晶和位错；

(3)晶格失配，Si与GaP的晶格为0.37％，仍然存在一定的晶格失配度；

(4)热失配，Si与GaP的热膨胀系数不同，二者之间的失配度为4.75％，生长完成后降低到室温的过程中会产生应力，残余应力会引入位错；

(5)Si从衬底向外延层自动掺杂。

通过互扩散自动掺杂，当异质外延系统被充分加热，以充分激发组成原子以使其在晶格内移动时，会发生跨异质界面的原子互扩散。由于Ga和P在Si中分别是常见的p和n型掺杂剂，而Si在GaP中充当n型掺杂剂，因此GaP/Si之间的相互扩散会导致一种称为自动掺杂的效应。自动掺杂会产生不希望有的掺杂分布，从而阻碍器件性能，因此需要将将界面处的扩散保持在最小厚度。