[发明专利]一种晶格渐变缓冲层的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于半导体技术领域，涉及半导体器件的结构及制造方法，尤其是一种晶格渐变缓冲层的制备方法。

背景技术

自从20世纪70年代开始，随着液相外延(LPE)、金属有机化学气相沉积(MOCVD)和分子束外延(MBE)等外延设备的逐渐发展和成熟，当今的各种半导体器件都是在各种商业提供的外延衬底上采用外延生长的方式来制备的。这种生长方式决定了在绝大多数情况下，外延材料必须与外延衬底保持晶格匹配，否则会由于晶格失配产生内应力，造成晶体内部出现非常多的失配位错和穿透位错。由于位错破坏了晶体的平移对称性，在全部位错线上有大量的深能级态在带隙中存在，会对器件造成非常恶劣的影响，这种影响主要表现在如下三个方面：①穿透位错周围的材料是耗尽的，因为多数载流子都落入了深能级态；②通常，像深能级一样，穿透位错为少数载流子提供了一个有效的非辐射复合途径，会减小少子的寿命；③沿着穿透位错线，跳跃电导现象可能会发生，这会产生泄漏电流。然而，由于商业可以提供的衬底材料非常有限，导致了外延材料的选择也非常有限，远远不能满足器件的需求。

为了控制外延材料与衬底晶格失配对器件造成的影响，在外延生长中通常采用两种技术：应变补偿和晶格渐变。但是前者只限于在量子阱等薄膜型材料的应用中，在层厚较厚的材料中，则主要应用后者。晶格渐变一般由晶格单调增大的若干层材料组成，以实现晶格从衬底到外延材料的转变。但是，由于渐变层中残余压应变的存在，渐变层表面的晶格常数通常要小于所要控制达到的晶格常数，这样结构和器件表面的穿透位错密度仍然很大，不能很好地消除失配的影响；同时，当渐变层顶端材料与其上面材料不同时，异质结材料界面的差异也会对材料和器件的性能造成很大影响。

因此，现有晶格匹配的生长技术已不能满足未来以高效太阳电池为代表的各种新型半导体器件的需要，必须在晶格失配技术方面寻求技术创新。

发明内容

本发明的目的在于解决上述现有外延材料因与衬底晶格不匹配造成的器件性能恶化的影响，提出一种改进的、能有效控制器件表面的穿透位错密度的晶格渐变缓冲层的制备方法。

本发明的目的是通过以下方案来实现的：

一种晶格渐变缓冲层的制备方法，步骤是：

步骤(1)：以商用锗单晶、砷化镓单晶或磷化铟单晶为衬底；

步骤(2)：利用外延技术外延一层与衬底材料晶格匹配的材料作为成核层；

步骤(3)：在成核层外延生长晶格渐变层，该晶格渐变层由若干组份逐渐增大的砷化铟镓材料组成，直至顶层材料晶格达到理想晶格或略低于理想晶格；

步骤(4)：在晶格渐变层上外延一层晶格常数大于理想晶格的砷化铟镓材料作为晶格过冲层；

步骤(5)：外延一层晶格常数等于理想晶格的、与在其紧邻上层生长材料相同的材料作为晶格缓冲层。

而且，所述衬底包括砷化镓、磷化铟、磷化镓、氮化镓、锑化镓等；衬底表面可具有(100)、(110)或者(111)结晶学方向，或者其它指数面方向，以及包括在上述方向上向其它方向有0-15度的偏角。

而且，所述外延技术包括金属有机化学气相沉积(MOCVD)、分子束外延(MBE)和液相外延(LPE)。

而且，所述成核层、晶格渐变层、晶格过冲层和晶格缓冲层的各层材料为砷化铟镓，或者为磷化铟镓、砷化铟铝镓等各种III-V和II-VI族材料或者它们的组合。

而且，所述晶格渐变层的理想晶格的设定标准为：设晶格常数为a_i，其对应InGaAs材料铟(In)摩尔组份为4％-90％之间任意一固定值；晶格渐变层为晶格连续线性渐变，或者为晶格连续非线性渐变，或者为晶格线性阶跃渐变，或者为晶格非线性阶跃渐变，及以上各种情况的组合。

而且，所述晶格过冲层，设定方式为：设过冲层晶格常数为a_o，则a_o＞a_i，并且其失配

而且，所述晶格缓冲层的设定标准为：缓冲层晶格常数为a_b，则a_b＝a_i。

本发明的优点和积极效果是：

1、本发明所提出的渐变缓冲层技术，通过在外延衬底上构造晶格渐变层、晶格过冲层和晶格缓冲层来把衬底的晶格调整到任意想要的晶格，同时保证缓冲层表面的穿透位错密度保持在可控的范围内，以使在缓冲层上外延生长的器件的性能几乎不受穿透位错的影响，可以在商用衬底上形成一个具有任意晶格常数的虚拟衬底，同时其表面穿透位错密度可控，从而大大降低了半导体器件对商用衬底的依赖性。