專利名稱：無(wú)應(yīng)變、無(wú)缺陷的外延失配異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及晶格失配異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)及在失配的襯底上外延生長(zhǎng)晶體材料層的方法。
迄今為止，很少見(jiàn)到光電子和高速固體器件是用具有以下性質(zhì)的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)制成的。這種結(jié)構(gòu)中不同材料的無(wú)應(yīng)變晶格常數(shù)不是近似相等，而結(jié)果卻等于一種很容易得到的襯底的晶格常數(shù)。對(duì)晶格匹配的要求嚴(yán)重地限制了材料的選擇，僅可采用兩種主要體系在GaAs襯底上生長(zhǎng)AlXGai-xAs-GaAs，和在InP襯底上生長(zhǎng)In0.4aGa0.47As-In0.52Al0.4aAs。
遺憾的是，對(duì)于許多器件來(lái)說(shuō)，要得到最佳材料參數(shù)所用的材料體系或合金組成都不與這些其它可以得到的體單晶襯底晶格匹配。因此，十分需要能夠在市場(chǎng)容易購(gòu)得的體單晶襯底(如GaAs)上制備具有任意晶格常數(shù)的外延層的器件。使用這一方法的條件是把傳播到器件的各層材料中的缺陷密度減少到最小。最近的研究已證明了在Si襯底上生長(zhǎng)GaAs器件的可能性，和兩種器件工藝集成化的可能性。對(duì)于使用GaAs-InxGa1-xAs體系的串聯(lián)太陽(yáng)能電池應(yīng)用來(lái)說(shuō)，非晶格匹配的方法也是有意義的。
盡管具有用各種不同的失配材料體系制造的異質(zhì)結(jié)的器件的潛在的使用前景令人鼓舞，但非晶格匹配材料之間的界面已被證明是產(chǎn)生結(jié)構(gòu)缺陷的源，這些缺陷的電子特性嚴(yán)重限制了這種材料的使用前景。這些缺陷包括刃型和60度失配位錯(cuò)和60度穿透位錯(cuò)(threadingdisclocafion)?！笆湮诲e(cuò)”指的是位錯(cuò)線或位錯(cuò)線的一部分在平行于襯底的平面內(nèi)，這種位錯(cuò)可容納襯底和外延層之間的部分晶格失配?！按┩肝诲e(cuò)”在嚴(yán)格意義上指的是起源于襯底并傳播到其上的外延層中去的位錯(cuò)，非正式含義指的是任何不平行于襯底平面并且以與生長(zhǎng)軸不垂直的某一角度傳播通過(guò)外延層的位錯(cuò)。在下文中用的術(shù)語(yǔ)“穿透位錯(cuò)”使用的是其非正式含義。60度位錯(cuò)是由滑移引起的，因此，它們可以有穿透和失配兩個(gè)部分。刃型位錯(cuò)可能通過(guò)兩個(gè)60度位錯(cuò)相互作用而形成，所以，所有未經(jīng)過(guò)相互作用的部分都可作為60度位錯(cuò)。刃型位錯(cuò)本身都是不能滑移的。已經(jīng)有報(bào)導(dǎo)說(shuō)刃型位錯(cuò)的光電激活性很小(Petroft等J.Micro.118，225(1975))。刃型位錯(cuò)由兩個(gè)60度位錯(cuò)組合成，因此，和單個(gè)60度位錯(cuò)相比，一個(gè)刃型位錯(cuò)可消除兩倍的失配。對(duì)于給定的失配消除量，其密度較小而且是不滑移的，所以，刃型位錯(cuò)比60度位錯(cuò)要好。60度失配位錯(cuò)是電激活性的，但由于它們位于或靠近失配界面，所以它們與連續(xù)的各層材料在空間上是隔開(kāi)的。各種電子學(xué)隔離技術(shù)(如p-n結(jié)隔離)能用來(lái)進(jìn)一步減少它們的影響。
在Si上生長(zhǎng)GaAs和在GaAs體系上生長(zhǎng)InGaAs的共同問(wèn)題是穿透位錯(cuò)的密度過(guò)高，這種穿透位錯(cuò)是由于依靠范性形變來(lái)容納大的晶格失配而產(chǎn)生的。已知穿透位錯(cuò)與輻射復(fù)合有關(guān)聯(lián)，而且，由于這些位錯(cuò)貫串器件各層材料，所以對(duì)用這種材料體系制造的光、電器件的性能有很不利的影響。
為了把位錯(cuò)的影響減到最小，一種現(xiàn)有技術(shù)的方法使用了非晶格匹配材料的
同型(pseudomorphic)生長(zhǎng)。在外延層和襯底間具有充分的吸引力而且失配足夠低的體系中，與襯底晶格失配的材料的初始外延生長(zhǎng)在兩個(gè)方向上進(jìn)行，該外延層與襯底的共平面(in-plane)晶格結(jié)構(gòu)一致，并且由彈性應(yīng)變?nèi)菁{失配。這種生長(zhǎng)稱為有公度(commensurate)的，因?yàn)樗前匆r底的晶格常數(shù)生長(zhǎng)的，而不是按外延層材料的無(wú)應(yīng)變體晶格常數(shù)生長(zhǎng)。只要層厚小于臨界厚度(對(duì)于約1～5%的失配，該厚度約為1～100nm)，這種有公度生長(zhǎng)就是
同型的，這種臨界厚度由在能量上有利于引入位錯(cuò)的應(yīng)變能確定。已經(jīng)制造出許多應(yīng)變層的厚度低于該臨界厚度的晶格失配器件。但是，許多電子或光電子器件需要厚度超過(guò)該
同型極限的非晶格匹配的外延層，或者對(duì)該層膜與襯底間的吸引力來(lái)說(shuō)失配太大而不允許二維成核的外延層。
第二種制造晶格失配材料的異質(zhì)結(jié)的現(xiàn)有技術(shù)的方法應(yīng)用了應(yīng)變層超晶格工藝，在這種工藝中，各外延層交替地處于壓縮和拉伸應(yīng)變下，而其平均晶格常數(shù)與襯底匹配。雖然超晶格中可能幾乎無(wú)失配位錯(cuò)，而材料的選擇仍然受到要使超晶格的平均晶格常數(shù)與襯底匹配的限制。限制因素還有要保持各外延層的厚度低于它們的臨界厚度和限制失配以保持二維生長(zhǎng)。
在另一個(gè)現(xiàn)有技術(shù)的方案中，采用階梯狀組分梯度生長(zhǎng)幾層厚度超過(guò)其臨界厚度的材料層能獲得所需要的晶格常數(shù)，這種方法把各界面處的晶格常數(shù)的變化限制在小于約1.5%(在InGaAs體系內(nèi))。晶格常數(shù)從襯底材料的值改變到最后一層材料的值是階梯狀的的，其各級(jí)變化都小到足以允許整個(gè)工藝過(guò)程中均能進(jìn)行可靠的二維生長(zhǎng)。該工藝的缺點(diǎn)是多層材料組合包含著足以引入額外的失配和穿透位錯(cuò)的總應(yīng)變能量，而對(duì)位錯(cuò)的最終進(jìn)入僅具有一些動(dòng)力學(xué)限制。因此，該結(jié)構(gòu)含有大量不希望有的穿透位錯(cuò)，它們?cè)谑褂弥须S時(shí)間引入更多的額外位錯(cuò)，從而引起電學(xué)和光學(xué)特性下降以及不可靠的操作。如此形成的缺陷是光電激活性的，也是強(qiáng)的散射中心。這樣就必須采用大的緩沖層和/或漂移場(chǎng)將該過(guò)渡材料與異質(zhì)結(jié)的有源區(qū)隔開(kāi)。
本發(fā)明涉及所研究的各種材料之間的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)及制備這些異質(zhì)結(jié)的方法，所述各種材料的無(wú)應(yīng)變時(shí)的體晶格常數(shù)具有很大的失配。本發(fā)明是通過(guò)在第一種半導(dǎo)體材料的襯底和由具有失配晶格常數(shù)的第二種半導(dǎo)體材料的外延層之間插入一層薄的中間層實(shí)現(xiàn)的。該中間層由第三種半導(dǎo)體材料構(gòu)成，這種材料的無(wú)應(yīng)變或體晶格數(shù)與襯底間的失配比襯底與其上的外延層間的失配要大。已知對(duì)于大的晶格失配，將存在一個(gè)材料層按部分弛豫的晶格常數(shù)生長(zhǎng)的生長(zhǎng)周期。導(dǎo)致部分弛豫的晶格常數(shù)所需的失配量取決于材料體系和生長(zhǎng)過(guò)程。本發(fā)明人已測(cè)定出對(duì)于InGaAs體系失配必需約為2.5%或更大。本發(fā)明人還測(cè)定出，在該生長(zhǎng)周期內(nèi)應(yīng)變基本因刃型位錯(cuò)的平面陣列而被部分地消除，該位錯(cuò)陣列是在薄膜成為三維時(shí)的短暫生長(zhǎng)周期內(nèi)被引入的。該陣列是相當(dāng)完整的，當(dāng)該層由于應(yīng)變的這種局部消除和產(chǎn)生的額外缺陷最小而使該材料層回復(fù)二維生長(zhǎng)時(shí)產(chǎn)生的穿透位錯(cuò)最少。根據(jù)本發(fā)明的方法，當(dāng)應(yīng)變被刃型位錯(cuò)部分消除而外延層基本以二維模式生長(zhǎng)時(shí)就停止生長(zhǎng)該中間層。當(dāng)該中間層接近由剩余應(yīng)變確定的第二臨界厚度就中斷其生長(zhǎng)，其中，應(yīng)變將由帶有穿透位錯(cuò)段的60度失配位錯(cuò)進(jìn)一步消除。此后，進(jìn)行中間層上面那層永料層的外延生長(zhǎng)。上部外延層的體晶格常數(shù)近似等于中間層的部分弛豫的共面晶格常數(shù)。因此，該上部外延層是無(wú)應(yīng)變的，它很穩(wěn)定，不易引入額外的缺陷，就好象生長(zhǎng)在晶格匹配的襯底上一樣。
重要的是，中間層的生長(zhǎng)不能厚到足以形成大量的光電激活的穿透位錯(cuò)。刃型位錯(cuò)的平面陣列局限于界面附近，不可能遷移到外延層中去，因此不會(huì)影響此毗鄰材料層的性質(zhì)。因此，本發(fā)明完全免除了如下工藝的必要性為了把有源區(qū)和范性形變區(qū)隔開(kāi)而在該異質(zhì)結(jié)構(gòu)內(nèi)增加大的緩沖層或漂移場(chǎng)。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，用分子束外延(MBE)在GaAs襯底上使用In0.9Ga0.1As中間層生長(zhǎng)出了無(wú)應(yīng)變，低缺陷的In0.72Ga0.28As外延層。該In0.9Ga0.1As中間層的厚度在3～10nm之間。在這一厚度范圍內(nèi)，在通常的砷穩(wěn)定條件下，近80%的晶格常數(shù)失配是由在In0.9Ga0.1As-GaAs界面外形成的刃型位錯(cuò)的平面陣列容納的。沒(méi)有形成大量的光電激活的穿透位錯(cuò)。從而，無(wú)應(yīng)變和相對(duì)無(wú)缺陷的生長(zhǎng)出In0.72Ga0.28As外延層，其體晶格常數(shù)近似等于80%弛豫的In0.9Ga0.1As的晶格常數(shù)。若穿透位錯(cuò)的密度對(duì)某個(gè)特殊應(yīng)用來(lái)說(shuō)太高了，那么，在文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)中有一種“應(yīng)變層超晶格”工藝對(duì)降低穿透位錯(cuò)密度是有效的。由現(xiàn)有技術(shù)中用于容納失配的方法而產(chǎn)生的高密度的穿透位錯(cuò)幾乎不能用該“應(yīng)變層超晶格”位錯(cuò)濾過(guò)技術(shù)處理，因?yàn)槟茉诟鱾€(gè)界面處“彎曲延伸”(bent out)出晶體的穿透位錯(cuò)數(shù)是很少的。
在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，生長(zhǎng)了兩層中間層。在該實(shí)施例中，用MBE生長(zhǎng)了約10nm厚的In0.9Ga0.1As中間層，在該中間層的三維生長(zhǎng)階段，在GaAs襯底界面處或界面附近引入刃型位錯(cuò)使原來(lái)的6.3%的失配中的大約80%被消除了。當(dāng)聚結(jié)形成了厚度為10nm的連續(xù)的、基本二維的薄膜時(shí)，該材料層沒(méi)有超過(guò)會(huì)產(chǎn)生額外的60度失配位錯(cuò)的臨界厚度(相對(duì)于1.3%的殘余晶格失配)。其共平面晶格常數(shù)近似等于無(wú)應(yīng)變In0.72Ga0.28As的晶格常數(shù)。為了進(jìn)一步保證不受由于因?qū)嶒?yàn)參數(shù)產(chǎn)生的失配所引起的應(yīng)變的影響，可以通過(guò)在生長(zhǎng)20nm厚的In0.63Ga0.37As來(lái)補(bǔ)償In0.9Ga0.1As中的殘余壓縮應(yīng)變。在以In0.72Ga0.28As的共平面晶格常數(shù)生長(zhǎng)時(shí)，這層In0.63Ga0.37A層中的凈殘余拉伸應(yīng)變能可以平衡In0.72Ga0.28As的凈壓縮應(yīng)變。此后，可以在這一襯底-雙中間層組合體之上生長(zhǎng)任意厚度、幾乎無(wú)缺陷和無(wú)應(yīng)變的In0.72Ga0.28As層。所述組合體中就是有凈的應(yīng)變能的話，也很小。已經(jīng)用常規(guī)MBE生長(zhǎng)速率進(jìn)行約兩分鐘的生長(zhǎng)，在生長(zhǎng)成的30nm厚的材料內(nèi)實(shí)現(xiàn)了這種晶格常數(shù)的轉(zhuǎn)換。
本發(fā)明的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)具有在失配的襯底上生長(zhǎng)的外延層，而沒(méi)有高密度的傳播(傾斜的)光電激活性晶體缺陷。因此，用與適用的襯底晶格不匹配的十分需要的材料體系，能制備一種新的光電陣列器件。這些體系包括GaAs上生長(zhǎng)InGaAs，Si生長(zhǎng)Ge-Si合金以及Si上生長(zhǎng)GaAs或InGaAs。
下面結(jié)合


本發(fā)明。
圖1為現(xiàn)有技術(shù)的一種異質(zhì)結(jié)構(gòu)的截面圖，這種異質(zhì)結(jié)構(gòu)是在具有大失配的襯底上的外延層，含有傳播缺陷。
圖2(a)～2(c)在GaAs上生長(zhǎng)不同厚度InAs的TEM照片。
圖3是本發(fā)明的異質(zhì)結(jié)構(gòu)的一個(gè)實(shí)施例的截面圖，在該異質(zhì)結(jié)構(gòu)中消除了傳播缺陷。
圖4為本發(fā)明另一實(shí)施例的具有兩層中間層的異質(zhì)結(jié)構(gòu)。
根據(jù)本發(fā)明，在第二種半導(dǎo)體材料的襯底上生長(zhǎng)成無(wú)應(yīng)變、基本無(wú)缺陷的外延層的異質(zhì)結(jié)構(gòu)。該異質(zhì)結(jié)構(gòu)中兩種材料的無(wú)應(yīng)變晶格常數(shù)之間存在著大的差異。這僅僅是用一薄層第三種半導(dǎo)體材料的中間層來(lái)完成的，這一薄層夾在襯底和上部外延層之間。本發(fā)明制造異質(zhì)結(jié)構(gòu)的獨(dú)特方法部分基于應(yīng)變層生長(zhǎng)和應(yīng)變弛豫過(guò)程的性質(zhì)。Munekata等人的論文(GaAs上InAs異質(zhì)外延的晶格弛豫，Jouvhal of Crystal Growth 81，237-242(1987))中說(shuō)明了在大失配材料層的生長(zhǎng)過(guò)程中應(yīng)變的弛豫作用。Munekata等人詳述了在各種不同的生長(zhǎng)條件下由MBE在GaAs上生長(zhǎng)InAs的情況。其中說(shuō)明了InAs外延層在GaAs襯底上的生長(zhǎng)首先是以與襯底晶格匹配的應(yīng)變層的共平面晶格常數(shù)的 同型方式進(jìn)行的。然后，隨著生長(zhǎng)的繼續(xù)，發(fā)生了InAs的逐漸的晶格弛豫以容納失配，直至達(dá)到100%的弛豫。
對(duì)于無(wú)應(yīng)變晶格常數(shù)的大的失配，本發(fā)明人已確定在最初的平面 同型生長(zhǎng)之后，該層塌縮成三維島狀生長(zhǎng)。在此三維生長(zhǎng)期間，大部分應(yīng)變由于引入刃型位錯(cuò)的平面陣列而突然消除。對(duì)于InGaAs/GaAs界面，這發(fā)生在生長(zhǎng)了1～2nm之后。隨著生長(zhǎng)繼續(xù)到約10～20nm厚，生長(zhǎng)再次變成平面的。該刃型位錯(cuò)陣列是相當(dāng)完整的，使得在該材料層聚結(jié)恢復(fù)二維生長(zhǎng)時(shí)產(chǎn)生最少的穿透位錯(cuò)。在這一部分弛豫的生長(zhǎng)期間，也就是從層厚為1～2nm至10～20nm，生長(zhǎng)在適當(dāng)?shù)牧髁亢蜏囟葪l件下以部分弛豫的晶格常數(shù)繼續(xù)進(jìn)行，對(duì)于InGaAs/GaAs來(lái)說(shuō)，約80%弛豫。當(dāng)生長(zhǎng)超過(guò)這一點(diǎn)時(shí)，積累了足夠的應(yīng)變能量以誘發(fā)形成傳播進(jìn)入材料層的60度位錯(cuò)，并逐漸使材料弛豫成為無(wú)應(yīng)變狀態(tài)。
圖1示出一種現(xiàn)有技術(shù)的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)10的截面圖，該結(jié)構(gòu)是用常規(guī)的大晶格失配材料生長(zhǎng)得到的。異質(zhì)結(jié)構(gòu)10由無(wú)應(yīng)變晶格常數(shù)為aS的半導(dǎo)體材料的襯底12和無(wú)應(yīng)變晶格常數(shù)為aL的不同類型半導(dǎo)體材料的外延生長(zhǎng)層14構(gòu)成。晶格失配百分比∈L-S，可表示為△aL - Sas× 100 = ∈L - S( 1 )]]>它是由襯底和上部材料層的無(wú)應(yīng)變晶格常數(shù)之間的差產(chǎn)生的，其中△aL-S為aL-aS的絕對(duì)值。等式(1)中用差的絕對(duì)值，因?yàn)閷?duì)于層14所用的各種不同的材料來(lái)說(shuō)，其體晶格常數(shù)可能比aL大，也可能比aL小。當(dāng)∈L-S為2.5%或更大時(shí)，如圖1所示，層14生長(zhǎng)到厚度足以達(dá)到100%弛豫時(shí)就形成了刃型失配位錯(cuò)15和高密度的光電激活性的穿透位錯(cuò)16。這些缺陷使得圖1所示的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)不能有效地用于許多光電應(yīng)用。
根據(jù)本發(fā)明所提出的方法通過(guò)在中間層的形成是當(dāng)它以部分弛豫的共平面晶格常數(shù)生長(zhǎng)時(shí)中斷其生長(zhǎng)。本發(fā)明人已測(cè)定出在部分弛豫生長(zhǎng)期間，應(yīng)變通過(guò)刃型位錯(cuò)的平面陣列基本上得到了部分消除，而不產(chǎn)生明顯數(shù)量的穿透位錯(cuò)。在這時(shí)，開(kāi)始上部外延層的生長(zhǎng)。上部外延層的體晶格常數(shù)近似等于中間層的部分弛豫的共平面晶格常數(shù)，因此，上部外延層將會(huì)無(wú)應(yīng)變和無(wú)缺陷地生長(zhǎng)。該上部外延層與部分弛豫的中間層的共平面晶格常數(shù)晶格匹配，但與襯底晶格失配。因而，本發(fā)明提供了一種具有僅含有一薄中間層的與襯底有大的晶格失配的外延層的異質(zhì)結(jié)構(gòu)。
圖2(a)、2(b)和2(c)為生長(zhǎng)在GaAs上的各種厚度的InGaAs的TEM照片。圖2(a)為生長(zhǎng)進(jìn)行到約1nm之后的照片，它所表示的生長(zhǎng)基本上是平面和
同型的。圖2(b)示出在近5nm后的三維島狀生長(zhǎng)。字母E指出出現(xiàn)少量刃型位錯(cuò)。圖2(c)為生長(zhǎng)了10nm之后的情況，它說(shuō)明這時(shí)已回到平面生長(zhǎng)?；旧纤械娜毕荻际侨行臀诲e(cuò)，只有一個(gè)穿透位錯(cuò)由字母T標(biāo)出。所以，在部分弛豫的生長(zhǎng)階段內(nèi)，光電激活的穿透位錯(cuò)的密度非常小。這樣，中間層中的應(yīng)變?cè)谶@一生長(zhǎng)階段內(nèi)基本由刃型位錯(cuò)的平面陣列部分弛豫。
如圖3所示，本發(fā)明的異質(zhì)結(jié)構(gòu)20包括一體晶格常數(shù)為aS的第一種半導(dǎo)體材料襯底22。該異質(zhì)結(jié)構(gòu)20還包括一體晶格常數(shù)為aL2的第二種半導(dǎo)體材料的上部外延生長(zhǎng)層24。在層24和22之間插入的是第三種半導(dǎo)體材料的外延生長(zhǎng)層26。中間層26的體晶格常數(shù)為aL。
如上所述，層26的外延生長(zhǎng)開(kāi)始是
同型生長(zhǎng)，并產(chǎn)生應(yīng)變成為襯底的晶格常數(shù)aS。在生長(zhǎng)到達(dá)第一臨界厚度后，該應(yīng)變逐漸由這些刃型位錯(cuò)而得到部分消除，然后層26以一個(gè)部分弛豫的共平面晶格常數(shù)aL1生長(zhǎng)。層26繼續(xù)以該部分弛豫的共平面晶格常數(shù)生長(zhǎng)到一預(yù)定的厚度，這取決于生長(zhǎng)條件和所用的材料。當(dāng)層26按此晶格常數(shù)aL1生長(zhǎng)時(shí)，使層26的生長(zhǎng)中止。因此，層26和22之間的失配百分比定義為∈L 1 - s=△aL - Sas× 100 ( 2 )]]>其中△aL1-S＝aL1-aS的絕對(duì)值。
由∈L-S定義的InGaAs/GaAs體系的層26和22間的體晶格失配應(yīng)大于2.5%，典型的數(shù)據(jù)應(yīng)在3%～7.5%的范圍內(nèi)。對(duì)InAs中止生長(zhǎng)時(shí)，應(yīng)變近似有80%被消除，因此，結(jié)構(gòu)20的∈L1-S就近似為∈L-S的80%。該部分弛豫值，或換句話說(shuō)就是殘余應(yīng)變百分比∈L1定義為∈L 1=△aLaL× 100 ( 3 )]]>其中△aL等于aL1-aL1的絕對(duì)值。對(duì)InGaAs80%弛豫的共平面晶格常數(shù)的部分弛豫值∈L1大約為1～2%。對(duì)層24和26選擇材料，以使層26的體晶格常數(shù)aL2近似等于層24的部分弛豫的晶格常數(shù)aL1。因此，層24與層26晶格匹配地生長(zhǎng)，并沒(méi)有應(yīng)變和缺陷。
在上面∈L1-S的定義中使用絕對(duì)值是因?yàn)榫Ц癯?shù)aL1可能比aS大，也可能比它小。唯一的要求是層26的無(wú)應(yīng)變體晶格常數(shù)aL應(yīng)與aS至少有2.5%的差。層24的體晶格常數(shù)將始終在aL和aS值之間，這里aL大于或小于aS。此外，層26的厚度必須小于第2臨界厚度，厚度超過(guò)該臨界厚度時(shí)，剩下的應(yīng)變就由60度穿透位錯(cuò)而消除了。對(duì)于在GaAs襯底上生長(zhǎng)InGaAs來(lái)說(shuō)，InGaAs以80%的弛豫共平面晶格常數(shù)生長(zhǎng)時(shí)的厚度在3～10nm之間。
經(jīng)過(guò)本發(fā)明的實(shí)施，已用MBE法在GaAs襯底上外延生長(zhǎng)了一層In0.72Ga0.28As，其間夾著一層厚度小于10nm的In0.9Ga0.1As中間層。該In0.9Ga0.1As層包含有穩(wěn)定和局域的損傷，這是消除該體系內(nèi)的應(yīng)變所必須的。而且，該種損傷主要由限制在界面平面處的缺陷構(gòu)成，它們對(duì)毗鄰材料層中的光學(xué)性質(zhì)或遷移率只有很小的影響或沒(méi)有影響。因此，在該異質(zhì)結(jié)構(gòu)中不需要有將激活的載流子與該受損傷的區(qū)域隔開(kāi)的緩沖層或漂移場(chǎng)。
本發(fā)明的構(gòu)思能用于具有無(wú)應(yīng)變晶格常數(shù)的大失配度的其它體系以顯著降低應(yīng)變?nèi)毕莸挠绊?，這類體系的例子包括在Si襯底上生長(zhǎng)GaInAs中間層，其上部外延層可以是GaAs，也可以是GaAlAs。在這兩個(gè)體系中，GaInAs的組分必須包含至少15～20%的In，以保證足夠的∈L-S。
另一種體系包括在GaAs襯底上的GaInAs中間層。其上部外延層也可以由GaInAs構(gòu)成，只要中間層的In濃度大于上部外延層的In濃度。AlInAs也可以被用來(lái)作為GaInAs/GaAs組合襯底上的外延層。
還有一個(gè)體系，在GaAs襯底上使用AlInAs中間層。上部外延層可以用AlInAs，只要中間層的In濃度大于上部外延層的In濃度。GaInAs也可以被用來(lái)作為AlInAs/GaAs組合襯底上的外延層。
再有一體系包括插入在GaAs襯底和In0.8Ga0.2As上部外延層之間的InAs材料層。正如上面提到過(guò)的Munekata等人曾證明的InAs在(100)晶面的GaAs襯底上發(fā)生逐步弛豫過(guò)程。此外，在Munekata等人研究的三種生長(zhǎng)條件中(低生長(zhǎng)溫度和高的As4/In比;中等溫度和中等的As4/In比;高溫和低As4/In比)，對(duì)于InAs/GaAs體系，高生長(zhǎng)溫度和低的As4/In比可能是最適于生長(zhǎng)本發(fā)明的中間層的條件。大家都知道，這樣一種生長(zhǎng)條件提供較好的表面擴(kuò)散和高的遷移率，這也是所希望的。
在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，生長(zhǎng)了兩層中間層。該實(shí)施例示于圖4。用MBE生長(zhǎng)一層約厚10nm的In0.9Ga0.1As中間層30，在其三維生長(zhǎng)階段，通過(guò)在它和GaAs襯底34的界面處和界面附近引入刃型位錯(cuò)32，中間層原有的6。3%的失配消除了80%。該In0.9Ga0.1As聚結(jié)成一10nm厚的連續(xù)和實(shí)際上是兩維的薄膜，該膜不超過(guò)由滑移產(chǎn)生額外的60度失配位錯(cuò)所需的臨界厚度(對(duì)于1.3%的殘余晶格失配而言)。這時(shí)，其共平面晶格常數(shù)與無(wú)應(yīng)變的In0.72Ga0.28As的相近，為了進(jìn)一步保證防止由因?qū)嶒?yàn)參量產(chǎn)生的失配所引起的應(yīng)變的影響，可以通過(guò)生長(zhǎng)一層20nm厚的In0.63Ga0.37As層36來(lái)補(bǔ)償In0.9Ga0.1As中的殘余壓縮應(yīng)力，該材料層36在以In0.72Ga0.28As的共平面晶格常數(shù)生長(zhǎng)時(shí)具有凈拉伸應(yīng)變，可以平衡10nm厚的In0.9Ga0.1As層30中的凈殘余壓縮應(yīng)變能。在該襯底-雙中間層組合的上部能生長(zhǎng)任意厚度的上部In0.72Ga0.28As層38，該層38無(wú)應(yīng)變并幾乎無(wú)缺陷。在上述襯底-雙中間層組合的頂部含有很少的凈應(yīng)變能(如果有的話)。這種晶格常數(shù)的轉(zhuǎn)換可以在30nm厚的生長(zhǎng)過(guò)程中完成，用常規(guī)的MBE生長(zhǎng)速率，只需兩分鐘左右。
這里已具體描述了本發(fā)明的最佳實(shí)施例，本領(lǐng)域的有經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)人員應(yīng)該理解，在不偏離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以進(jìn)行各種形式上的變更，本發(fā)明的范圍由附屬的權(quán)利要求限定。
權(quán)利要求
1.一種單晶異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，其特征在于包括由具有單晶結(jié)構(gòu)和第1體晶格常數(shù)的第一種半導(dǎo)體材料構(gòu)成的襯底；由第二種無(wú)應(yīng)變外延生長(zhǎng)的半導(dǎo)體材料構(gòu)成的外延層，該材料具有與所述第1體晶格常數(shù)不同的第二體晶格常數(shù)。夾在所述襯底和所述第二種半導(dǎo)體材料構(gòu)成的層之間的由第三種半導(dǎo)體材料外延生長(zhǎng)構(gòu)成的外延層，第二種半導(dǎo)體材料層因在所述襯底上生長(zhǎng)而含有部分應(yīng)變，并且其部分馳豫的共平面晶格常數(shù)基本上等于第二體晶格常數(shù)。
2.如權(quán)利要求1的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，其中，第三種半導(dǎo)體材料層的體晶格常數(shù)與第一種半導(dǎo)體材料的體晶格常數(shù)相差較大，則第一和第三材料層之間失配百分比至少為2.5%。
3.如權(quán)利要求1的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，其中，第三種半導(dǎo)體材料中的應(yīng)變基本上通過(guò)第一和第三種半導(dǎo)體材料間界面處的刃型位錯(cuò)平面陣列得到部分消除。
4.如權(quán)利要求1的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，其中，第一種半導(dǎo)體材料為GaAs。
5.如權(quán)利要求4的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，其中，第三種半導(dǎo)體材料為In0.9Ga0.1As。
6.如權(quán)利要求5的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，其中，部分馳豫的共平面晶格常數(shù)為約80%弛豫的。
7.如權(quán)利要求5的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，其中，第二種半導(dǎo)體材料層為In0.7Ga0.28As。
8.如權(quán)利要求4的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，其中，GaAs為(100)晶面結(jié)構(gòu)。
9.如權(quán)利要求5的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，其中，第三種半導(dǎo)體材料層的厚度在3～10nm之間。
10.如權(quán)利要求4的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，其中，第三種半導(dǎo)體材料層為GaInAs，第二種半導(dǎo)體材料層為AlInAs。
11.如權(quán)利要求4的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，其中，第三種半導(dǎo)體材料層為AlInAs，第二種半導(dǎo)體材料層為GaInAs。
12.如權(quán)利要求4的異質(zhì)結(jié)構(gòu)，其中，第二和第三種半導(dǎo)體材料層均由AlInAs構(gòu)成，而第三種半導(dǎo)體材料中的In濃度大于第二種半導(dǎo)體材料中的In濃度。
13.如權(quán)利要求4的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，其中，第二和第三種半導(dǎo)體材料層均由GaInAs構(gòu)成，而第三種半導(dǎo)體材料中In的濃度大于第二種半導(dǎo)體材料中的In濃度。
14.如權(quán)利要求4的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，其中，第二種半導(dǎo)體材料為InGaAs，第三種半導(dǎo)體材料為InAs。
15.如權(quán)利要求14的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，其中，第二種半導(dǎo)體材料為In0.3Ga0.2As。
16.如權(quán)利要求1的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，其中，第三種半導(dǎo)體材料的厚度小于部分應(yīng)變由60度穿透位錯(cuò)進(jìn)一步消除時(shí)的厚度。
17.如權(quán)利要求2的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，其中，第一和第三種材料層間的失配百分比在3～7.5%之間。
18.如權(quán)利要求1的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，其中，第一種半導(dǎo)體材料為Si。
19.如權(quán)利要求18的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，其中，第三種半導(dǎo)體材料為GaInAs。
20.如權(quán)利要求19的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，其中，第二種半導(dǎo)體材料為GaAs。
21.如權(quán)利要求19的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，其中，第二種半導(dǎo)體材料為GaAlAs。
22.如權(quán)利要求19的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，其中，GaInAs材料含有15～20%的In。
23.如權(quán)利要求1的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，其特征在于夾在所述第二和第三種半導(dǎo)體材料層之間的第四種半導(dǎo)體材料層，所述第四層半導(dǎo)體材料具有因在所述第三層半導(dǎo)體材料上生長(zhǎng)時(shí)產(chǎn)生的部分應(yīng)變，其部分弛豫的共平面晶格常數(shù)基本等于第二體晶格常數(shù)。
24.如權(quán)利要求23的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，其中，第四層半導(dǎo)體材料為In0.03Ga0.37As，所述第三層半導(dǎo)體材料為In
Ga0.1As，所述第二層半導(dǎo)體材料為In0.72Ga0.28As，而所述襯底為GaAs。
25.如權(quán)利要求24的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，其中，第三層半導(dǎo)體材料約厚10nm，第四層半導(dǎo)體材料約厚20nm。
26.一種提供無(wú)應(yīng)變半導(dǎo)體層的方法，其特征在于包括下列步驟提供一由具有單晶結(jié)構(gòu)和第1體晶格常數(shù)的第一種半導(dǎo)體材料構(gòu)成的襯底;在所述襯底上外延生長(zhǎng)一層由第二種半導(dǎo)體材料構(gòu)成的中間層，該層具有與所述第1體晶格常數(shù)不同的第2體晶格常數(shù)，并具有因在所述襯底上生長(zhǎng)而產(chǎn)生的部分應(yīng)變和部分弛豫的共平面晶格常數(shù);外延生長(zhǎng)一層由第三種半導(dǎo)體材料構(gòu)成的無(wú)應(yīng)變上部材料層，其晶格常數(shù)基本等于所述部分弛豫的共平面應(yīng)變晶格常數(shù)。
27.如權(quán)利要求26的方法，其中，中間層的體晶格常數(shù)與襯底的體晶格常數(shù)相差較大，以使所述襯底和中間層之間的失配百分比至少為2.5%。
28.如權(quán)利要求26的方法，其中，中間層的應(yīng)變通過(guò)所述襯底和中間層的界面處的刃型位錯(cuò)的平面陣列基本上得到部分消除。
29.如權(quán)利要求26的方法，其中，襯底由GaAs構(gòu)成。
30.如權(quán)利要求29的方法，其中，中間層由InAs構(gòu)成。
31.如權(quán)利要求30的方法，其中，部分弛豫的共平面晶格常數(shù)為約80%弛豫的。
32.如權(quán)利要求30的方法，其中，中間層的厚度約在3～10nm之間。
33.如權(quán)利要求30的方法，其中，上部材料層由InGaAs組成。
34.如權(quán)利要求29的方法，其中，中間層由GaInAs和AlInAs中的一種構(gòu)成。
35.如權(quán)利要求34的方法，其中，上部材料層由GaInAs和AlInAs中的一種構(gòu)成，而中間層中的In濃度大于上部材料層中的In濃度。
36.如權(quán)利要求26的方法，其中，襯底由Si構(gòu)成。
37.如權(quán)利要求36的方法，其中，中間層由GaInAs構(gòu)成。
38.如權(quán)利要求37的方法，其中，上部材料層由GaAs和GaAlAs中的一種構(gòu)成。
39.如權(quán)利要求37的方法，其中，中間層含有15～20%的In。
40.如權(quán)利要求29的方法，其中，GaAs襯底具有(100)晶面結(jié)構(gòu)。
41.如權(quán)利要求35的方法，其中，中間層由In0.9Ga0.1As構(gòu)成，上部材料層由In0.72Ga0.28As構(gòu)成。
42.如權(quán)利要求30的方法，其特征在于下列步驟在所述由第二種半導(dǎo)體材料構(gòu)成的中間層上外延生長(zhǎng)由第四種半導(dǎo)體材料構(gòu)成的第二中間層，該層具有因其在所述第二種半導(dǎo)體材料層上生長(zhǎng)所產(chǎn)生的部分應(yīng)變和部分弛豫的共平面晶格常數(shù)。
43.如權(quán)利要求42的方法，其中，第一種半導(dǎo)體材料為GaAs，第二種半導(dǎo)體材料為In0.9Ga0.1As，第三種半導(dǎo)體材料為In0.72Ga0.28As，而第四種半導(dǎo)體材料為In0.6Ga0.28As。
44.一種提供無(wú)應(yīng)變半導(dǎo)體層的方法，其特征在于包括下列步驟在由第二種半導(dǎo)體材料構(gòu)成的襯底上外延生長(zhǎng)由第一種半導(dǎo)體材料構(gòu)成的中間層;在應(yīng)變晶格常數(shù)得到部分弛豫時(shí)中止所述中間層的生長(zhǎng);在所述中間層上外延生長(zhǎng)由第三種半導(dǎo)體材料構(gòu)成的無(wú)應(yīng)變，無(wú)缺陷的上部材料層。
45.如權(quán)利要求44的方法，其中，襯底和中間層具有失配的體晶格常數(shù)，其失配百分比至少為2.5%。
46.如權(quán)利要求45的方法，其中，上部材料層的體晶格常數(shù)基本等于中間層的所述部分弛豫的應(yīng)變晶格常數(shù)。
47.如權(quán)利要求44的方法，其中，襯底為GaAs。
48.如權(quán)利要求47的方法，其中，中間層為InAs。
49.如權(quán)利要求48的方法，其中，部分弛豫的應(yīng)變晶格常數(shù)為約80%弛豫的。
50.如權(quán)利要求48的方法，其中，中間層的厚度在3～10nm之間。
51.如權(quán)利要求48的方法，其中，上部材料層為InGaAs。
52.如權(quán)利要求47的方法，其中，中間層由InAs、GaInAs和AlInAs中的一種構(gòu)成。
53.如權(quán)利要求52的方法，其中，上部材料層由GaInAs和AlInAs中的一種構(gòu)成，且中間層的In濃度大于上部材料層中的In濃度。
54.如權(quán)利要求44的方法，其中，襯底由Si構(gòu)成。
55.如權(quán)利要求54的方法，其中，中間層由GaInAs構(gòu)成。
56.如權(quán)利要求55的方法，其中，上部材料層由GaAs和GaAlAs中的一種構(gòu)成。
57.如權(quán)利要求56的方法，其中，中間層含有15～20%的In。
58.如權(quán)利要求47的方法，其中，GaAs襯底為(100)晶面結(jié)構(gòu)。
59.如權(quán)利要求53的方法，其中，中間層為In0.9Ga0.1As，上部材料層為In0.72Ga0.28As。
60.如權(quán)利要求41的方法，其特征在于如下步驟在所述由第二種半導(dǎo)體材料構(gòu)成的中間層上外延生長(zhǎng)由第四種半導(dǎo)體材料構(gòu)成的第二中間層，所述第四種半導(dǎo)體材料具有因在第二種半導(dǎo)體材料上生長(zhǎng)而產(chǎn)生的部分應(yīng)變和部分弛豫的共平面晶格常數(shù)。
61.如權(quán)利要求60的方法，其中，第一種半導(dǎo)體材料為GaAs，第二種半導(dǎo)體材料為In0.9Ga0.1As。第三種半導(dǎo)體材料為In0.72Ga0.28As和第四種半導(dǎo)體材料為In0.6aGa0.28As。
全文摘要
在襯底和上部外延層間具有大晶格失配的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)及形成有薄中間層結(jié)構(gòu)的方法?？啃纬删钟虻暮凸怆姸栊缘娜行臀诲e(cuò)來(lái)部分消除中間層和襯底間晶格失配產(chǎn)生的應(yīng)變。中間層在其厚度達(dá)到剩余應(yīng)變會(huì)被60度穿透位錯(cuò)消除前中止生長(zhǎng)。此后，以無(wú)應(yīng)變和無(wú)缺陷條件在中間層上生長(zhǎng)上部外延層。該外延層無(wú)應(yīng)變晶格常數(shù)約與中間層部分弛豫應(yīng)變晶格常數(shù)相等。已在GaAs襯底上生長(zhǎng)出有3-10nm的InAs中間層的無(wú)應(yīng)變，無(wú)缺陷的InGaAs外延層。
文檔編號(hào)C30B29/40GK1042273SQ8910625
公開(kāi)日1990年5月16日 申請(qǐng)日期1989年7月31日 優(yōu)先權(quán)日1988年8月3日
發(fā)明者馬修·佛朗西斯·卡索姆, 彼特·丹尼爾·可西尼, 愛(ài)倫·克拉克·沃倫, 杰尼·邁克佛瑞森·伍德?tīng)?申請(qǐng)人:Ibm國(guó)際商業(yè)機(jī)器公司