一種用于高In組分InGaAs探測器的突變弛豫緩沖層的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于半導(dǎo)體光電子材料與器件領(lǐng)域，特別涉及一種用于高In組分InGaAs探測器的突變弛豫緩沖層。
【背景技術(shù)】
[0002]由于InGaAs材料為全組分直接帶隙材料，通過調(diào)節(jié)In組分，可覆蓋0.8?3.5 μπι波段。并且InGaAs探測器具有靈敏度高、響應(yīng)速度快、抗輻照特性良好、室溫工作等優(yōu)點，因此InGaAs是制備短波紅外波段探測器的理想材料。例如，室溫截止波長為1.7 μπι的Ina53Gaa47As探測器在光通訊領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用，材料主要生長在與其匹配的InP襯底上，然而隨著In組分繼續(xù)提高，InGaAs材料與InP襯底間失配會越來越大。當(dāng)In組分為83%時，Ina83Gaai7As與InP襯底間的失配增至+2.1%。由于缺乏晶格匹配的襯底，擴展波長InGaAs探測器材料中的缺陷密度成為造成其器件暗電流較大，制約其應(yīng)用的重要因素之一。鑒于InAs襯底帶隙較窄、制備困難等方面的限制，應(yīng)用其作為襯底生長高In組分InGaAs材料的可能性大大降低。與InP和InAs等襯底相比，GaAs襯底具有機械強度高、尺寸大且價格低廉等優(yōu)異性能，是研制低暗電流密度、大面陣InGaAs紅外焦平面器件的良好選擇之一。但是，由于InAs與GaAs間的失配度較大(+6.7% )，相對于InP和InAs等襯底，高In組分InxGahAs (0.53<χ<1)與GaAs襯底間存在更大的失配度，這將不利于高質(zhì)量材料外延生長。因此需要在襯底與外延層間生長一定結(jié)構(gòu)的緩沖層，以釋放較大的壓應(yīng)變，同時對位錯產(chǎn)生阻擋效果，以降低InGaAs吸收層中缺陷密度，降低器件暗電流。對于較大失配材料的生長，通常采用構(gòu)筑“虛擬襯底”的方法，即通過在傳統(tǒng)商用襯底上生長晶格常數(shù)遞變的緩沖層結(jié)構(gòu)，使之從與襯底晶格匹配逐漸過渡至與器件有源區(qū)材料晶格匹配，來降低外延層與襯底間的失配，通過該方法可以開拓失配襯底上的失配異變體系新結(jié)構(gòu)材料與器件的研宄。不過，目前在InP和GaAs等襯底上通過異變緩沖層結(jié)構(gòu)生長InGaAs材料時，基本都采用In組分逐漸遞增的InAlAs異變緩沖層結(jié)構(gòu)，即In組分是正向遞變方式，這也比較適合較低In組分時失配度較低的特點，而針對于高In組分時較大失配InGaAs材料的生長，還可以考慮采用In組分反向遞變的緩沖層結(jié)構(gòu)。
[0003]以GaAs襯底為例，若采用組分反向遞變的緩沖層結(jié)構(gòu)制備高In組分InGaAs探測器結(jié)構(gòu)材料時，由于InAs與GaAs間的失配度高達6.7%，因此InAs在GaAs襯底上的臨界厚度較薄，容易獲得高度弛豫的InAs材料，若在襯底與InAs層間界面處插入適當(dāng)周期的應(yīng)變補償超晶格，有望在遠離界面的頂層附近獲得結(jié)晶質(zhì)量較好的InAs層；此時，再采用常規(guī)含鋁砷化合物作為緩沖層時，可采用In組分逐漸遞減的方式，即In組分由InAs中的100%逐漸遞減至吸收層所需的組分。如采用InxAlhAs緩沖層時，則將In組分χ由I減少至y (y為InyGapyAs吸收層中的In組分)，而In組分相同的InAlAs與InGaAs間的晶格常數(shù)極為接近，從而實現(xiàn)晶格常數(shù)由InAs向InGaAs的逐漸過渡。相對于在GaAs襯底上生長In組分正向遞變的緩沖層結(jié)構(gòu)而言，一方面，由于大量的失配位錯主要產(chǎn)生在GaAs襯底與InAs層之間，生長在高度弛豫后的InAs層上的InAlAs緩沖層中的穿透位錯有望獲得降低；另一方面，對于生長高In組分的InGaAs材料來講，InGaAs與InAs間的失配度相對于GaAs要小很多，如Ina8Gaa2As與GaAs間的失配度為+5.73%，而與InAs間的失配度僅為-1.34%。因此，采用In組分反向遞變的緩沖層結(jié)構(gòu)，在緩沖層厚度一定情況下，可將失配速率控制得盡可能地小，從而減少位錯在較大應(yīng)力作用下產(chǎn)生的滑移等現(xiàn)象，有利于使失配位錯煙滅在緩沖層中而不進入吸收層內(nèi)，從而有望獲得結(jié)晶質(zhì)量提高的InGaAs吸收層材料，降低器件暗電流密度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種用于高In組分InGaAs探測器的突變弛豫緩沖層，該探測器結(jié)構(gòu)可拓展半導(dǎo)體襯底上波長大于1.7μπι的InGaAs紅外探測器的研制方法，采用In組分反向遞變的含鋁砷化物異變緩沖層結(jié)構(gòu)，有望較好釋放較大失配InGaAs材料中的應(yīng)變，降低InGaAs吸收層中缺陷密度，提高器件性能。
[0005]本發(fā)明的一種用于高In組分InGaAs探測器的突變弛豫緩沖層，在半導(dǎo)體襯底上外延InAs突變弛豫層獲得平整的材料表面，隨后在InAs突變弛豫層上外延In組分反向遞變的砷化物異變結(jié)構(gòu)材料作為緩沖層，生長較大失配高In組分InGaAs探測器的緩沖層，從而實現(xiàn)晶格常數(shù)由InAs向InGaAs的逐漸過渡。
[0006]所述半導(dǎo)體襯底為GaAs、InP、Si或Ge等常見商用襯底。
[0007]所述InAs突變弛豫層的厚度為50nm?5 μm，以使其完全弛豫。
[0008]所述InAs突變弛豫層的In組分為100%。
[0009]所述砷化物異變結(jié)構(gòu)材料為三元的InAlAs或InGaAs，或者四元的InAlGaAs。
[0010]所述緩沖層中In組分由InAs中的100%反向遞變至與吸收層InGaAs中In組分相同。
[0011]所述反向遞變方式為連續(xù)或梯度。
[0012]有益效果
[0013](I)本發(fā)明提供的緩沖層結(jié)構(gòu)適用于半導(dǎo)體襯底上制備較高In組分的InGaAs紅外探測器，尤其適合波長大于1.7 μπι InxGa1^xAs(X)0.53)探測器的制備，提高了制備高In組分InGaAs探測器在襯底選擇上的自由度和結(jié)構(gòu)選擇上的多樣性。
[0014](2)與GaAs等襯底相比，由于高In組分InxGapxAs(XX).53)與InAs突變弛豫層間的失配度相對較低，使得外延層臨界厚度得到一定程度的增加，在維持緩沖層厚度不變的情況下，In組分反向遞變的緩沖層結(jié)構(gòu)的失配速率比正向遞變時的可以更低，通過低失配速率緩沖層的生長可以減少吸收層中穿透位錯密度，有望提高吸收層的結(jié)晶質(zhì)量，改善器件性能。
[0015](3)本發(fā)明提供的突變弛豫組分反向遞變緩沖層思想對于其他較大失配材料體系的生長同樣具有借鑒意義，具有很好的通用性，減小了失配材料生長對于襯底的束縛。
【附圖說明】
[0016]圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0017]圖2為實施例1的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0018]圖3為實施例2的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0019]下面結(jié)合具體實施例，進一步闡述本發(fā)明。應(yīng)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(yīng)理解，在閱讀了本發(fā)明講授的內(nèi)容之后，本領(lǐng)域技術(shù)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(quán)利要求書所限定的范圍。
[0020]實施例1
[0021]GaAs襯底上適合Inci 8Gatl 2As探測器的突變弛豫反向遞變緩沖層
[0022](I)采用[100]晶向的GaAs單晶材料作為襯底，采用常規(guī)分子束外延方法首先在襯底上生長厚度約為0.5 ym的InAs作為突變弛豫層，獲得較平整的表面；
[0023](2)再生長In組分反向遞變的梯度緩沖層，分別為:厚度0.4 μπι的Ina9AlaiAs層，厚度0.4 μ m的In0 85A10.15As層，厚度0.4 μ m的In0 8A10 2As層，即為所需的適合Ina8Gaa2As探測器的突變弛豫反向遞變緩沖層結(jié)構(gòu)。
[0024]實施例2
[0025]InP襯底上適合Inci 8Gatl 2As探測器的突變弛豫反向遞變緩沖層
[0026](I)采用[100]晶向的InP單晶材料作為襯底，采用常規(guī)分子束外延方法首先在襯底上生長厚度約為I ym的InAs作為突變弛豫層，獲得較平整的表面；
[0027](2)接著生長厚度 0.1 μ m 的 In。.95A10.05As 層；
[0028](3)再生長厚度2 μπι的In組分反向連續(xù)遞變的InxAlhAs緩沖層，其中χ由0.95反向遞變至0.8，其失配速率約為0.67% / μπι，該結(jié)構(gòu)即為InP襯底上適合Ina8Gaa2As探測器的突變弛豫反向遞變緩沖層結(jié)構(gòu)。
【主權(quán)項】
1.一種用于高In組分InGaAs探測器的突變弛豫緩沖層，其特征在于:在半導(dǎo)體襯底上外延InAs突變弛豫層，隨后在InAs突變弛豫層上外延In組分反向遞變的砷化物異變結(jié)構(gòu)材料作為緩沖層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于高In組分InGaAs探測器的突變弛豫緩沖層，其特征在于:所述半導(dǎo)體襯底為GaAs、InP、Si或Ge。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于高In組分InGaAs探測器的突變弛豫緩沖層，其特征在于:所述InAs突變弛豫層的厚度為50nm?5 μπι。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于高In組分InGaAs探測器的突變弛豫緩沖層，其特征在于:所述InAs突變弛豫層的In組分為100%。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于高In組分InGaAs探測器的突變弛豫緩沖層，其特征在于:所述砷化物異變結(jié)構(gòu)材料為三元的InAlAs或InGaAs，或者四元的InAlGaAs。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于高In組分InGaAs探測器的突變弛豫緩沖層，其特征在于:所述緩沖層中In組分由InAs中的100%反向遞變至與吸收層InGaAs中In組分相同。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種用于高In組分InGaAs探測器的突變弛豫緩沖層，其特征在于:所述反向遞變方式為連續(xù)或梯度。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種用于高In組分InGaAs探測器的突變弛豫緩沖層，在半導(dǎo)體襯底上外延InAs突變弛豫層，隨后在InAs突變弛豫層上外延In組分反向遞變的砷化物異變結(jié)構(gòu)材料作為緩沖層。本發(fā)明的探測器結(jié)構(gòu)可拓展半導(dǎo)體襯底上波長大于1.7μm的InGaAs紅外探測器的研制方法，采用In組分反向遞變的砷化物異變緩沖層結(jié)構(gòu)，有望較好釋放較大失配InGaAs材料中的應(yīng)變，降低InGaAs吸收層中缺陷密度，提高器件性能；本發(fā)明在波長大于1.7μm的InGaAs紅外探測器的結(jié)構(gòu)設(shè)計等方法引入了更大的自由度，具有廣泛的應(yīng)用前景。
【IPC分類】H01L31-101, H01L31-0304
【公開號】CN104576785
【申請?zhí)枴緾N201410728282
【發(fā)明人】陳星佑, 顧溢, 張永剛, 奚蘇萍
【申請人】中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所
【公開日】2015年4月29日
【申請日】2014年12月4日