一種硅基砷化鎵復(fù)合襯底的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種硅基砷化鎵復(fù)合襯底的制備方法，其特征在于所述的復(fù)合襯底以銻化物為中間層、上、下表面分別形成壓應(yīng)變AlSb/Si和張應(yīng)變GaAs/GaSb的界面失配位錯(cuò)陣列IMF，使應(yīng)變在兩個(gè)界面處得到釋放，解決了GaAs與Si之間晶格失配。所述Si襯底為向[110]晶向斜切5°。制備方法特征在于首先在Si襯底上生長AlSb/Si IMF陣列，然后生長GaSb緩沖層，然后在GaSb緩沖層上生長GaAs/GaSb IFM陣列，從而完成從Si襯底向GaAs材料層的過渡，獲得Si基GaAs復(fù)合襯底。本發(fā)明解決了Si襯底與GaAs外延層的晶格失配，不失為為Si基Ⅲ?Ⅴ材料光電耦合提供了一種可行性方案，為Ⅲ?Ⅴ族材料集成技術(shù)的發(fā)展提供了重要的實(shí)施途徑。
【專利說明】
一種硅基砷化鎵復(fù)合襯底的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明提供了一種制備Si基GaAs復(fù)合襯底的方法，屬于半導(dǎo)體材料，器件工藝技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]從20世紀(jì)50年代第一個(gè)晶體管的發(fā)明至今，集成電路的尺寸一直按照摩爾定律發(fā)展。隨著Si基集成電路芯片的集成度不斷提高，特征尺寸的不斷縮小，集成電路技術(shù)面臨著速度、功耗、集成度的嚴(yán)重挑戰(zhàn)[Liang D,Bowers J E.Recent progress in lasers onsi I icon [J].Nature Photonics , 2010,4(8):511-517.]。當(dāng)電路和器件特征尺寸接近原子尺度時(shí)，受到量子效應(yīng)限制，器件的可靠性降低。傳統(tǒng)的以電子為介質(zhì)的集成電路內(nèi)部通信方式是導(dǎo)致這一困境的主要原因。采用光互連技術(shù)可以有效的解決集成電路進(jìn)一步發(fā)展的尺寸限制同時(shí)可以極大的提高芯片間信息傳輸?shù)乃俣群皖l率。Si基光電子集成是實(shí)現(xiàn)集成電路光互聯(lián)的核心技術(shù)和重要研究方向[Ganesh Balakrishnan ,A.J.,Paul Rotella,Shenghong Huang,Arezou Khoshakhlagh,Abdenour Amtout,Sanjay Krishna(2006).〃Room-Temperature Optically Pumped(Al)GaSb Vertical-Cavity Surface-EmittingLaser Monolithically Grown on an Si (I 0 0)Substrate."Journal of SelectedTopics in Quantum Electronics 12(6).]。然而，Si因?yàn)槠溟g接帶系的特性很難作為發(fā)光材料[J.Noborisaka,K.Nishiguchi，A.Fujiwara(2014)."Electric tuning of direct-1ndirect optical transit1ns in silicon."Scientific Reports4(6950).]。而傳統(tǒng)m-V族材料如InP，GaAs，已經(jīng)在光電子器件領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。因此，Si基ΙΠ-V集成是實(shí)現(xiàn)Si基光電子的一種理想途徑?，F(xiàn)有的Si基m-v集成主要有晶片鍵合和直接外延兩種途徑。東京大學(xué)的K.Tanabe等人分別利用直接鍵合和金屬媒介鍵合的方法實(shí)現(xiàn)了 1.3umInAs/InGaAs講中量子點(diǎn)有源區(qū)激光器在Si襯底上的集成[K.Tanabe，Τ.Rae, K.Watanabe,and Y.Arakawa(2013).“High-Temperature 1.3um InAs/GaAs Quantum Dot Lasers onSi Substrates Fabricated by wafer bonding.''Applied Physics Express 6(082703).]。加州大學(xué)的John E.Bowers課題組利用鍵合方法將1.55um InP基量子阱激光器在Si襯底的集成，并且實(shí)現(xiàn)了光場在Si介質(zhì)光波導(dǎo)中的親合[Park，H.,Fang,A.ff.，Kodama,S.&Bowers，J.E(2005).“Hybrid silicon evanescent laser fabricated with asi I icon waveguide and II1-V off set quantum wells ,Optical Express 13，(9460).]。雖然上述通過鍵合獲得的Si基發(fā)光器件的性能良好，但由于需要采用m-v族襯底外延生長增加了器件制備的成本并且產(chǎn)量也受到襯底尺寸的限制，無法實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)。鍵合的工藝流程也與傳統(tǒng)的Si工藝不相匹配。然而，直接外延生長提供了一種實(shí)現(xiàn)Si基光電集成的更為簡單有效的途徑。MIT的J.F.Liu等人利用Si襯底上外延生長Ge薄膜的熱膨脹系數(shù)不同在Ge外延層中引入張應(yīng)變，并進(jìn)一步通過η型摻雜填充L能谷最終得到電栗浦的Si基Ge激光器。但其性能依然無法達(dá)到實(shí)際應(yīng)用水平[Liu J,Kimerling L C1MichelJ.Monolithic Ge—on—Si lasers for large-scale electronic-photonic integrat1n[J].Semiconductor Science and Technology，2012，27(9): 094006.]。倫敦大學(xué)學(xué)院的
H.Y.Liu教授課題組利用Ge作為中間層在Si襯底上外延生長并制備了室溫連續(xù)激射的InAs/InGaAs講中量子點(diǎn)有源區(qū)激光器[Lee A, Jiang Q1Tang M,et al.Continuous-waveInAs/GaAs quantum-dot laser d1des monolithically grown on Si substrate withlow threshold current densities[J].0ptics express,2012,20(20):22181-22187.]0Ge與Si可以無限互溶并且與GaAs的晶格常數(shù)幾乎相同，Ge中間層有效的解決了 Si襯底上外延生長GaAs的晶格失配問題。然而，上述方法的可靠性依然需要進(jìn)一步的改善。H.Y.Liu教授課題組同時(shí)也Si襯底上直接外延生長并制備InAs/InGaAs阱中量子點(diǎn)有源區(qū)激光器，其中利用應(yīng)變弛豫的大厚度的GaAs緩沖層和InGaAs/AlGaAs應(yīng)變超晶格位錯(cuò)過濾層減少有源區(qū)的位錯(cuò)密度[Tang M, Chen S ,Wu J, et al.1.3-μπι InAs/GaAs quantum-dot lasersmonolithically grown on Si substrates using InAlAs/GaAs dislocat1n filterlayers [J].0ptics express, 2014,22( 10): 11528-11535.]。這同時(shí)也增加了器件制備的工藝復(fù)雜程度和光場耦合的難度。
[0003]與GaAs等II1-V族材料不同，在Si襯底上外延生長Sb化物(尤其是AlSb)會(huì)在界面處自組裝形成周期分布的壓應(yīng)變90度刃位錯(cuò)陣列(MF)，位錯(cuò)線在生長界面內(nèi)傳播，異質(zhì)外延晶格失配應(yīng)力在界面處就得到釋放，不需要大厚度的緩沖層[Huang S H ,Ba IakrishnanG,Khoshakhlagh A,et al.Simultaneous interfacial misfit array format1n andantiphase domain suppress1n on miscut silicon substrate[J].Applied PhysicsLetters，2008，93(7): 71102.]。同時(shí)AlSb與Si襯底也具有較GaAs更小的熱失配等優(yōu)點(diǎn)。同樣的張應(yīng)變MF也可以在GaSb襯底上外延生長GaAs時(shí)得到，GaAs/GaSb界面的張應(yīng)變失配應(yīng)力在界面處得到釋放，位錯(cuò)密度降低到106/cm2甚至更低[Huang S H,Balakrishnan G,Mehta M,et al.Epitaxial growth and format1n of interfacial misfit array fortensile GaAs on GaSb[J].Applied physics letters,2007,90(16):161902.]0
[0004]通過以上異質(zhì)外延生長模式的分析，可以得到一種解決Si與GaAs之間晶格失配問題的方法，從而形成本發(fā)明的構(gòu)思。本發(fā)明擬利用GaSb/AlSb結(jié)構(gòu)作為中間層，通過分別在AlSb/Si界面和GaAs/GaSb界面形成壓應(yīng)變和張應(yīng)變MF，使Si襯底與GaAs外延層之間的晶格失配得到釋放最終獲得Si基GaAs復(fù)合襯底。因此，本發(fā)明為Si基ΙΠ-V光電耦合提供了一種新的可行性方案。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種硅基砷化鎵復(fù)合襯底的制備方法，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種用于制備Si基GaAs復(fù)合襯底的方法。通過將Sb化物(AlSb/GaSb)作為中間層，將壓應(yīng)變和張應(yīng)變MF結(jié)合解決Si襯底與GaAs外延層之間晶格失配問題。
[0006]由此可見，本發(fā)明的特征之一在于:利用產(chǎn)生兩層頂F陣列的方法解決Si與GaAs材料體系的晶格失配冋題；
[0007]本發(fā)明的特征之二在于:利用的頂F陣列中包含在Si襯底上生長AlSb形成AlSb/Si界面頂F陣列；
[0008]本發(fā)明的特征之三在于:利用的IMF陣列中包含在GaSb表面生長GaAs形成GaAs/GaSb界面頂F陣列；
[0009]本發(fā)明的特征之四在于:基于分子束外延方法首先在Si襯底上生長AlSb/SiIMF陣列，然后生長GaSb緩沖層，然后在GaSb緩沖層上生長GaAs/GaSb IFM陣列，從而完成從Si襯底向GaAs材料層的過渡，獲得Si基GaAs復(fù)合襯底。
[0010]本發(fā)明提供一種利用分子束外延(MBE)技術(shù)制備硅Si基砷化鎵GaAs復(fù)合襯底及其制備方法。該方法通過將銻Sb化物作為中間層，并在其上下表面分別形成壓應(yīng)變AlSb/Si和張應(yīng)變GaAs/GaSb的界面失配位錯(cuò)陣列MF使應(yīng)變在兩個(gè)界面處得到釋放并且不會(huì)隨厚度繼續(xù)增加產(chǎn)生位錯(cuò)，從而解決GaAs與Si之間的晶格失配問題，最終得到硅基砷化鎵復(fù)合襯底。本發(fā)明對于Si基m-v材料集成技術(shù)的發(fā)展提供了重要的實(shí)施途徑。
[0011]上述的復(fù)合結(jié)構(gòu)可以利用常規(guī)的分子束外延生長方法實(shí)現(xiàn)，操作工藝簡單，易控制。
[0012]本發(fā)明所述的方法將AlSb/Si界面和GaAs/GaSb界面的壓應(yīng)變和張應(yīng)變頂F結(jié)合到同一結(jié)構(gòu)中，解決了Si襯底與GaAs外延層的晶格失配問題；由于晶格失配在兩個(gè)界面處得到釋放，可以顯著降低所需緩沖層的厚度，從而為Si基光電耦合提供便利;可以用常規(guī)的分子束外延方法生長，操作簡單，易控制。本發(fā)明為m-v族材料集成技術(shù)的發(fā)展提供了重要的實(shí)施途徑。
【附圖說明】
[0013]圖1是AlSb/Si和GaAs/GaSb界面的壓應(yīng)變和張應(yīng)變頂F原子結(jié)構(gòu)示意圖。
[0014]圖2是GaSb/AlSb為中間層的Si基GaAs復(fù)合襯底的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0015]下面結(jié)合具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。應(yīng)理解，本實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍。此外應(yīng)理解，在閱讀了本發(fā)明講述的內(nèi)容后，本領(lǐng)域技術(shù)人員可對本發(fā)明做相應(yīng)改動(dòng)或修改，這些等價(jià)形式同樣落于本申請所附權(quán)利要求書所限定的范圍。
[0016]實(shí)施例1
[0017]以下描述為利用分子束外延生長方法制備Si基GaAs復(fù)合襯底的步驟，步驟中所提及的溫度均為實(shí)際溫度(非熱偶直接讀數(shù))，這些步驟以及溫度對于具體的生長設(shè)備可以做相應(yīng)的優(yōu)化。采用的Si (100)襯底均為向[110]晶向斜切5°，先前研究表明5°斜切的襯底表面可以最大程度形成雙原子層臺(tái)階，從而更好的消除外延生長過程中反相疇的產(chǎn)生。具體制備步驟如下:
[0018](I)將Si襯底浸潤在氫氟酸溶液中，除去表面的S12氧化層。
[0019](2)將Si襯底傳至預(yù)處理室，在真空環(huán)境下加熱到500°C除去表面氫鍵及雜質(zhì)。
[0020](3)將Si襯底傳至生長室，襯底溫度加熱至800°C脫去表面剩余氧化層并通過觀察高能電子束衍射出現(xiàn)(2 X 2)再構(gòu)表明完全脫氧。襯底溫度保持800°C10分鐘使襯底表面充分形成雙原子層臺(tái)階以防止反相疇的產(chǎn)生。
[0021 ] (4)將襯底溫度將至500°C，打開Al束源爐快門并控制時(shí)間使表面襯底1.04原子層厚度的Al并關(guān)閉Al束源爐快門。隨后，打開Sb束源爐的快門使表面在Sb氛圍下浸潤10秒鐘。隨即打開Al束源爐快門控制時(shí)間生長5nm厚度的AlSb并關(guān)閉Al束源爐快門。此時(shí)在Si/AlSb界面已經(jīng)形成周期排列的壓應(yīng)變MF陣列，如圖1所示。
[0022](5)保持襯底溫度不變，打開Ga束源爐快門，生長10nm厚度的GaSb層并關(guān)閉Ga束源爐。
[0023](6)將襯底溫度升至580°C，關(guān)閉Sb束源爐快門產(chǎn)生富Ga表面，此過程中高能電子束衍射由(1X3)再構(gòu)變?yōu)?2X4)。隨即打開As束源爐快門。
[0024](7)為使得表面形成完整Ga-As鍵的同時(shí)防止腐蝕坑的產(chǎn)生，在As束源爐快門打開后隨即打開Ga束源爐快門。使表面在As2氛圍中的浸潤時(shí)間短至0.1秒鐘。保持襯底溫度不變生長500nm厚度GaAs外延層，此時(shí)在GaAs/GaSb界面已經(jīng)形成周期排列的張應(yīng)變IMF陣列，如圖1所示。最終得到表面平整的Si基GaAs復(fù)合襯底，結(jié)構(gòu)如圖2所示。
[0025]由圖1可知，刃位錯(cuò)延界面?zhèn)鞑ブ芷诜植夹纬蒊MF陣列。Si襯底表面雙原子層臺(tái)階，配合在生長初期表面首先沉積一層Al原子層，這使得后續(xù)在臺(tái)階兩側(cè)生長的AlSb和GaSb有相同的ΙΠ族和V族原子層排序，從而防止了反相疇的產(chǎn)生。
[0026]由圖2可知壓應(yīng)變和張應(yīng)變IMF陣列在同一結(jié)構(gòu)中結(jié)合，解決了Si襯底與GaAs外延層之間的晶格失配問題。
[0027]必須強(qiáng)調(diào)的上面所述真空環(huán)境下加熱到500°C，800°C脫去表面剩余氧化層等均為選用最佳實(shí)施溫度或時(shí)間，具體可以在本領(lǐng)域所屬的技術(shù)人員熟知的一定溫度或時(shí)間內(nèi)實(shí)施本發(fā)明，顯然也屬于本發(fā)明所欲保護(hù)的范圍。同時(shí)，Ga束源爐，As束源爐快門開啟時(shí)間及溫度以及生成GaAs、GaSb、AlSb等厚度也屬于本領(lǐng)域所所屬的技術(shù)人員可以依本發(fā)明特點(diǎn)方便地選用和調(diào)配。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種硅基砷化鎵復(fù)合襯底，其特征在于所述的復(fù)合襯底以銻化物為中間層、上、下表面分別形成壓應(yīng)變AlSb/Si和張應(yīng)變GaAs/GaSb的界面失配位錯(cuò)陣列IMF，使應(yīng)變在兩個(gè)界面處得到釋放，解決了 GaAs與Si襯底之間晶格失配。2.按權(quán)利要求1所述的復(fù)合襯底，其特征在于所述Si襯底為向[110]晶向斜切5°。3.按權(quán)利要求2所述的復(fù)合襯底，其特征在于斜切的襯底表面最大程度形成雙原子層臺(tái)階，以利于消除外延生長過程中反相疇的產(chǎn)生。4.按權(quán)利要求1所述的復(fù)合襯底，其特征在于形成的復(fù)合襯底不會(huì)隨厚度的繼續(xù)增加而產(chǎn)生位錯(cuò)。5.制備如權(quán)利要求1-4中任一項(xiàng)所述的復(fù)合襯底的方法，其特征在于首先在Si襯底上生長AlSb/Si頂F陣列，然后生長GaSb緩沖層，最后在GaSb緩沖層上生長GaAs/GaSb IFM陣列，從而完成從Si襯底向GaAs材料層的過渡，獲得Si基GaAs復(fù)合襯底。6.按權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于具體步驟是: (1)將Si(100)襯底浸潤在氫氟酸溶液中，除去表面的Si02氧化層； (2)將Si(10)襯底傳至預(yù)處理室，在真空環(huán)境下加熱到500°C除去表面氫鍵及雜質(zhì)； (3)將Si(10)襯底傳至生長室，襯底溫度加熱至8(KTC脫去表面剩余氧化層并通過觀察高能電子束衍射出現(xiàn)(2 X 2)再構(gòu)表明完全脫氧。襯底溫度保持800 0C1分鐘使襯底表面充分形成雙原子層臺(tái)階以防止反相疇的產(chǎn)生； (4)將襯底溫度將至500°C，打開Al束源爐快門并控制時(shí)間使表面襯底1.04原子層厚度的Al并關(guān)閉Al束源爐快門。隨后，打開Sb束源爐的快門使表面在Sb氛圍下浸潤10秒鐘。隨即打開Al束源爐快門控制時(shí)間生長5nm厚度的AlSb并關(guān)閉Al束源爐快門，在Si/AlSb界面已經(jīng)形成周期排列的壓應(yīng)變IMF陣列； (5)保持襯底溫度不變，打開Ga束源爐快門，生長10nm厚度的GaSb層并關(guān)閉Ga束源爐； (6)將襯底溫度升至580°C，關(guān)閉Sb束源爐快門產(chǎn)生富Ga表面，此過程中高能電子束衍射由(I X 3)再構(gòu)變?yōu)?2 X 4)，隨即打開As束源爐快門； (7)為使得表面形成完整Ga-As鍵的同時(shí)防止腐蝕坑的產(chǎn)生，在As束源爐快門打開后隨即打開Ga束源爐快門，使表面在As2氛圍中的浸潤時(shí)間縮短，保持襯底溫度不變生長500nm厚度GaAs外延層，在GaAs/GaSb界面形成周期排列的張應(yīng)變IMF陣列，最終得到表面平整的Si基GaAs復(fù)合襯底;Si (100)襯底為向[100]晶向斜切5°。7.按權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于步驟(7)所述表面As氣氛中浸潤時(shí)間短至0.1秒。
【文檔編號】H01L29/06GK105826169SQ201610153371
【公開日】2016年8月3日
【申請日】2016年3月17日
【發(fā)明人】王朋, 龔謙, 曹春芳, 丁彤彤
【申請人】中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所