一種半導體材料過濾位錯的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種半導體材料過濾位錯的方法，提供第一晶體層，在所述第一晶體層上依次外延生長內(nèi)嵌有金屬顆粒的過濾層和器件層，利用嵌入在半導體材料內(nèi)部的金屬顆粒過濾位錯。本發(fā)明操作工藝簡單，易控制，可有效地過濾穿透位錯，具有良好的應用前景。
【專利說明】一種半導體材料過濾位錯的方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于半導體電子與光電子材料領域，特別涉及一種半導體材料過濾位錯的方法。
【背景技術】
[0002]晶格失配與熱膨脹系數(shù)失配一直是制約半導體異質(zhì)結構設計的重要因素。高質(zhì)量、大尺寸、低價格的商用襯底種類只有有限幾種，或者特定情況下襯底材料已被選定(例如II1-V與硅基集成)，在這些襯底之上構建電子或光電子器件的時候?qū)Σ牧系倪x擇只能被局限在與襯底匹配或者極小的可容忍的失配的材料體系中，否則將引起應力弛豫并導致很高的穿透位錯密度，大幅度降低器件性能。這極大的限制了對器件設計的自由度。為了打破該限制，生長一個緩沖層來改變晶格常數(shù)成為了一種廣泛的做法。然而，雖然科研界經(jīng)過數(shù)十年的努力嘗試各種緩沖層的設計和優(yōu)化，此類方法制作出的襯底模板仍然具有過高的穿透位錯密度，在此之上制造出的器件，尤其是光電子器件，尚無法與普通商用襯底上的器件進行競爭，更不用說超越其性能。因此，對于穿透位錯的過濾或者說阻擋一直是研究熱點。目前已經(jīng)實驗過的方法包括使用應變補償超晶格、量子點、稀氮材料來過濾位錯等。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0003]本發(fā)明所要解決的技術問題是提供一種半導體材料過濾位錯的方法，該方法操作工藝簡單，易控制，可有效地過濾穿透位錯，具有良好的應用前景。
[0004]本發(fā)明的一種半導體材料過濾位錯的方法，提供第一晶體層，在所述第一晶體層上依次外延生長內(nèi)嵌有金屬顆粒的過濾層和器件層，利用嵌入在半導體材料內(nèi)部的金屬顆粒過濾位錯。所述第一晶體層中的穿透位錯進入過濾層后在遇到半導體/金屬顆粒界面時滑移停止，終止于所述過濾層中。其上繼續(xù)外延生長的器件層具有相比于第一晶體層低的穿透位錯密度。
[0005]所述半導體材料襯底為商用半導體襯底。
[0006]所述第一晶體層、過濾層和器件層為C、S1、Ge、Sn 二元及多元半導體、氧化物中的一種或多種。
[0007]所述第一晶體層、過濾層和器件層為單層或多層結構。
[0008]所述金屬顆粒為單一金屬兀素或者多種金屬的合金。
[0009]所述金屬顆粒在生長時為液態(tài)或固態(tài)。
[0010]米用分子束外延、金屬有機化學氣相外延技術、液相外延或熱壁外延形成所述第一晶體層、過濾層和器件層。
[0011]有益.效果
[0012]本發(fā)明操作工藝簡單，易控制，可有效地過濾穿透位錯，具有良好的應用前景。
【專利附圖】
【附圖說明】[0013]圖1為本發(fā)明制備得到的半導體材料的結構剖面圖；
[0014]圖2為實施例1制備得到的半導體材料的結構剖面圖；
[0015]圖3為實施例1中Ina25Gaa75As層上生長1.5nm Ga形成金屬液滴的原子力顯微鏡照片。
[0016]圖4為實施例2制備得到的半導體材料的結構剖面圖。
【具體實施方式】
[0017]下面結合具體實施例，進一步闡述本發(fā)明。應理解，這些實施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍。此外應理解，在閱讀了本發(fā)明講授的內(nèi)容之后，本領域技術人員可以對本發(fā)明作各種改動或修改，這些等價形式同樣落于本申請所附權利要求書所限定的范圍。
[0018]需要說明的是，本實施例中所提供的圖示僅以示意方式說明本發(fā)明的基本構想，遂圖式中僅顯示與本發(fā)明中有關的組件而非按照實際實施時的組件數(shù)目、形狀及尺寸繪制，其實際實施時各組件的型態(tài)、數(shù)量及比例可為一種隨意的改變，且其組件布局型態(tài)也可能更為復雜。
[0019]實施例1
[0020]以GaAs襯底上實現(xiàn)1.3 μ m通信激光器為例說明利用在半導體材料內(nèi)部嵌入金屬顆粒來過濾位錯的方法和步驟。這些方法和制備步驟可以直接推廣到其他類型的材料體系。以下提到的生長方法包含但不限于分子束外延(MBE)和金屬有機化合物化學氣相沉淀(M0CVD)，具體結構和制備步驟如下，如圖2所示:
[0021](I)在 GaAs(IOO)襯底上，500°C 下，生長 IOOOnm Intl25Gatl75As,應變充分弛豫，弛豫過程會生成高密度的穿透位錯(>lxl08cm_2);上述GaAs襯底和Ina25Gaa75As層共同構成了第一晶體層；
[0022](2)在關閉As的情況下在Ina25Gaa75As層上生長1.5nm Ga,所述Ga會在表面形成金屬液滴，如圖3所示。
[0023](3)在低砷壓(能夠維持Intl 25Gatl 75As正常生長而保證正確原子配比的臨界砷壓)的情況下快速生長50nm Ina25Gaa75As,從而將Ga液滴埋入Ina25Gaa75As中，在此過程中Ga液滴部分會結晶成GaAs。
[0024](4)步驟(2)與(3)重復10次，完成過濾層的生長。
[0025](5)隨著過濾層的生長，第一晶體層中生成的穿透位錯在遇到Ga金屬液滴的時候會終止于Ga金屬與Ina25Gaa75As半導體的界面，停止滑移和向上穿透，從而被過濾；過濾層頂端的穿透位錯密度將小于5X106cm_2。
[0026](6)在過濾層之上繼續(xù)生長與Ina25Gaa75As晶格常數(shù)匹配的激光器結構，該激光器中的穿透位錯密度不會增加。
[0027]實施例2
[0028]以Si襯底上實現(xiàn)GaAs基II1-V材料與Si集成為例說明利用在半導體材料內(nèi)部嵌入金屬顆粒來過濾位錯的方法和步驟。這些方法和制備步驟可以直接推廣到其他類型的材料體系。以下提到的生長方法包含但不限于分子束外延(MBE)和金屬有機化合物化學氣相沉淀(M0CVD),具體結構和制備步驟如下,如圖4所示:[0029](I)在Si(IOO)襯底(包含精確的(100)和具有幾度傾角的Si (100)襯底)上，450-700 °C下，生長IOOOnm Ge，應變充分弛豫，弛豫過程會生成高密度的穿透位錯OlxlO8Cm 2)。
[0030](2)在上述Ge層上生長50nm GaAs0上述GaAs層，Ge層和襯底共同構成了第一晶體層；
[0031](3)在關閉As的情況下在GaAs層上生長1.5nm Ga或者Al，所述Ga或Al會在表面形成金屬液滴。
[0032](4)在低砷壓(能夠維持GaAs正常生長而保證正確原子配比的臨界砷壓)的情況下快速生長50nm GaAs,從而將Ga或Al液滴埋入GaAs中，在此過程中Ga或Al液滴部分會結晶成GaAs或AlAs。
[0033](5)步驟(3)與(4)重復10次，完成過濾層的生長。
[0034](6)隨著過濾層的生長，第一晶體層中生成的穿透位錯在遇到Ga或Al金屬液滴的時候會終止于Ga或Al金屬與GaAs半導體的界面，停止滑移和向上穿透，從而被過濾；過濾層頂端的穿透位錯密度將小于5xl06cm_2。
[0035](7)在過濾層之上繼續(xù)生長與GaAs晶格常數(shù)匹配的電子或光電子器件結構，該器件結構中的穿透位錯密度不會增加。
【權利要求】
1.一種半導體材料過濾位錯的方法，其特征在于: 提供第一晶體層，在所述第一晶體層上依次外延生長內(nèi)嵌有金屬顆粒的過濾層和器件層，利用嵌入在半導體材料內(nèi)部的金屬顆粒過濾位錯。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種半導體材料過濾位錯的方法，其特征在于:所述第一晶體層、過濾層和器件層為C、S1、Ge、Sn 二元及多元半導體、氧化物中的一種或多種。
3.根據(jù)權利要求1所述的一種半導體材料過濾位錯的方法，其特征在于:所述第一晶體層、過濾層和器件層為單層或多層結構。
4.根據(jù)權利要求1所述的一種半導體材料過濾位錯的方法，其特征在于:所述金屬顆粒為單一金屬元素或者多種金屬的合金。
5.根據(jù)權利要求1所述的一種半導體材料過濾位錯的方法，其特征在于:所述金屬顆粒在生長時為液態(tài)或固態(tài)。
6.根據(jù)權利要求1所述的一種半導體材料過濾位錯的方法，其特征在于:采用分子束外延、金屬有機化學氣相外延技術、液相外延或熱壁外延形成所述第一晶體層、過濾層和器件層。
【文檔編號】H01L21/02GK103794472SQ201410023924
【公開日】2014年5月14日 申請日期:2014年1月20日 優(yōu)先權日:2014年1月20日
【發(fā)明者】宋禹忻, 王庶民 申請人:中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所