本發(fā)明屬于大晶格失配外延材料緩沖層結(jié)構(gòu)及其制備領(lǐng)域，特別涉及一種在階梯漸變緩沖疊層之間生長線性漸變緩沖層的結(jié)構(gòu)及其制備方法。

背景技術(shù)：

隨著半導(dǎo)體能帶工程的發(fā)展和材料外延技術(shù)的進步，異質(zhì)外延材料得到了更廣泛的重視。在襯底上外延晶格失配的材料時，在失配外延層足夠薄的情況下，外延層的晶格常數(shù)在因晶格失配而產(chǎn)生的形變能的作用下會與襯底的晶格常數(shù)保持一致，以免產(chǎn)生位錯。然而，當外延厚度超過一定厚度(稱為臨界厚度)時，晶格失配外延層的晶格常數(shù)將自發(fā)恢復(fù)到其固有的晶格常數(shù)，從而產(chǎn)生失配位錯和降低材料質(zhì)量。臨界厚度的大小與兩種材料間的晶格失配度大小有關(guān)，一般而言，晶格失配度越大，臨界厚度越??；晶格失配度越小，臨界厚度越大。對于與襯底具有較大晶格失配度的異質(zhì)外延材料，材料的高質(zhì)量生長面臨著很大的困難，材料生長成為了材料應(yīng)用于更廣泛領(lǐng)域和器件性能進一步提高的一個瓶頸。例如，截止波長大于1.7μm的所謂波長擴展InGaAs探測器在空間遙感與成像等方面有著重要的應(yīng)用，通過增加In_xGa_1-xAs中In的組分x，可以將In_xGa_1-xAs探測器的截止波長向長波方向擴展，但這同時會引起In_xGa_1-xAs材料和InP襯底間的晶格失配。例如，要將InGaAs探測器的截止波長從1.7μm擴展到2.5mm，就需要使In組分從0.53增加到0.8，這會使InGaAs與InP襯底間的晶格失配達到+1.8％，如此大的晶格失配很容易使材料中產(chǎn)生缺陷及位錯，限制器件性能的進一步提高，所以亟需發(fā)展提高晶格失配外延材料質(zhì)量的材料結(jié)構(gòu)和生長方法。

為解決此問題，人們在大晶格失配外延材料和襯底之間生長相應(yīng)的緩沖層，試圖將失配位錯和缺陷限制在緩沖層中而改善大晶格失配外延材料的材料質(zhì)量。例如，要生長x＝0.8的In_xGa_1-xAs材料，其組分值x由與InP晶格匹配的0.53通過階梯漸變的方式變化到0.8，組分漸變的In_xGa_1-xAs緩沖層可以釋放晶格失配產(chǎn)生的應(yīng)力，減少In_0.8Ga_0.2As材料中產(chǎn)生的缺陷及位錯。

然而，在階梯漸變的緩沖疊層的每一個單組分緩沖層的界面處會產(chǎn)生大量的位錯，如果這些位錯不能得到有效的控制，新生成的位錯將大大超過緩沖層釋放應(yīng)力過程中融合的位錯，使得生長得到的階梯漸變的緩沖疊層產(chǎn)生極大的不完整性，不能形成較好的晶格結(jié)構(gòu)，從而影響緩沖層上大晶格失配外延材料的晶格質(zhì)量。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

(一)要解決的技術(shù)問題

本發(fā)明提供了一種包含緩沖層的外延結(jié)構(gòu)，改善了階梯漸變緩沖疊層界面產(chǎn)生的位錯密度，增加位錯融合幾率，提高材料晶體的質(zhì)量。

(二)技術(shù)方案

本發(fā)明提供了一種包含緩沖層的外延結(jié)構(gòu)，包括襯底、基本緩沖層和階梯漸變緩沖疊層，所述基本緩沖層和階梯漸變緩沖疊層自下而上生長在襯底上，所述階梯漸變緩沖疊層由多個單組分緩沖層構(gòu)成，各單組分緩沖層的成分在外延生長方向上呈現(xiàn)階梯狀的單調(diào)變化；

作為一種優(yōu)選地實施方式，所述階梯漸變緩沖疊層的各單組分緩沖層之間生長了線性漸變緩沖層，所述線性漸變緩沖層的組分沿外延生長方向呈現(xiàn)線性變化；

作為一種優(yōu)選地實施方式，所述基本緩沖層和襯底的材料相同；

作為一種優(yōu)選地實施方式，所述線性漸變緩沖層的兩端組分與其相鄰的單組分緩沖層的組分相同；

作為一種優(yōu)選地實施方式，所述線性漸變緩沖層的厚度為在0～50nm；

作為一種優(yōu)選地實施方式，所述階梯漸變緩沖疊層的每個單組分緩沖層的厚度大于50nm；

作為一種優(yōu)選地實施方式，所述襯底的材料為InP或GaAs；

作為一種優(yōu)選地實施方式，所述基本緩沖層的材料為InP或GaAs；

作為一種優(yōu)選地實施方式，所述階梯漸變緩沖疊層的每個單組分緩沖層的材料為InAs_xP_1-x或In_xAl_1-xAs，x范圍為0到1；

作為一種優(yōu)選地實施方式，所述性漸變緩沖層的材料為InAs_xP_1-x或In_xAl_1-xAs，x范圍為0到1；

本發(fā)明還提供了一種包含緩沖層的外延結(jié)構(gòu)的制備方法，包括如下步驟：

S1：在襯底上生長基本緩沖層；

S2：在基本緩沖層上生長至少一個單組分緩沖層和線性漸變緩沖層組成的組合層；

S3：在所述組合層上再生長一個單組分緩沖層后，進行目標外延層的生長。

(三)有益效果

本發(fā)明提供的包含緩沖層的外延結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)中的線性漸變緩沖層的存在起到了抑制位錯延伸，增加位錯融合幾率的作用，改善材料晶體質(zhì)量，能使大晶格失配外延材料在階梯漸變緩沖疊層中快速有效的發(fā)生弛豫釋放應(yīng)力，減少緩沖層位錯密度，不需要在界面處進行源切換的中斷，有利于在生長過程中保持源流量的穩(wěn)定，提高材料的生長質(zhì)量，并且降低源消耗，進而降低生產(chǎn)成本。

附圖說明

圖1是本發(fā)明包含緩沖層的外延結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明提供的包含緩沖層的外延結(jié)構(gòu)的失配度變化的示意圖；

圖3是本發(fā)明包含緩沖層的外延結(jié)構(gòu)的制備方法的流程圖。

具體實施方式

本發(fā)明的包含緩沖層的外延結(jié)構(gòu)，包括襯底、基本緩沖層和階梯漸變緩沖疊層，如圖1所示，基本緩沖層和階梯漸變緩沖疊層自下而上生長在襯底上，階梯漸變緩沖疊層由多個單組分緩沖層構(gòu)成，各單組分緩沖層的成分在外延生長方向上呈現(xiàn)階梯狀的單調(diào)變化；階梯漸變緩沖疊層的各單組分緩沖層之間生長了線性漸變緩沖層，線性漸變緩沖層的組分沿外延生長方向呈現(xiàn)線性變化。

圖2是本發(fā)明提供的包含緩沖層的外延結(jié)構(gòu)的失配度變化的示意圖。隨著外延層的生長，單組分緩沖層晶格常數(shù)從襯底晶格常數(shù)變化到目標外延層的晶格常數(shù)，因此晶格失配度也在逐漸增加，其晶格失配度的變化如圖2所示。在整個生長過程中，隨著生長厚度的增加，外延層晶格失配按圖中所示變化，在生長階梯緩沖層疊層過程中，每一個單組分緩沖層疊層內(nèi)晶格失配度保持不變，而與線性漸變緩沖層相鄰的兩個單組分緩沖層的晶格失配度呈階梯變化。該線性漸變緩沖層可以有效的降低每一個單組分緩沖層界面處位錯的產(chǎn)生，使得在每一個單組分緩沖層界面處的位錯通過線性漸變進行融合，有利于應(yīng)力的釋放和晶格完整性的提高。

圖3是本發(fā)明的包含緩沖層的外延結(jié)構(gòu)的制備方法的流程圖，如圖所不：

外延In_0.8Ga_0.2As大晶格失配材料的一種包含緩沖層的外延結(jié)構(gòu)的制備方法，具體步驟如下：

S1：在正式生長之前先采用不同As和P組分，確定晶格緩沖層材料生長的源流量及生長溫度；在InP襯底上外延生長In_0.8Ga_0.2As異變探測器材料，需要先在InP襯底上生長約200nmInP基本緩沖層。

S2：采用常規(guī)金屬有機化合物化學(xué)氣相沉積方法在基本緩沖層上生長至少一個高摻雜N型InAs_xP_1-x單組分緩沖層和線性漸變緩沖層組成的組合層，其中x從與InP晶格匹配變化到0.6。每個單組分緩沖層由不同x的InAs_xP_1-x組成，x的取值分別為0.12、025、0.37、0.49，0.6，生長時間約1800s，每個單組分緩沖層的厚度為300nm。

在每個單組分緩沖層的界面處，通過線性漸變將相應(yīng)組分連續(xù)變化到與其相鄰的上層，該外延層可以同時作為下接觸層。

S3：在InAs_0.12P_0.88單組分緩沖層的界面生長線性漸變緩沖層，在線性漸變緩沖層生長過程中，不做源的切換及停止，直接通過流量控制器(MFC)對As源及P源進行變換，調(diào)整As/P流量，整個過程持續(xù)約50-300s；重復(fù)S2的操作直到頂層為InAs_0.6P_0.4為止，進行InGaAs材料的生長，材料生長厚度約為1um。

以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進行了進一步詳細說明，應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。