[发明专利]砷化镓/磷化铟异质气相外延技术

说明书

本发明为一种在InP衬底上生长GaAs单晶薄膜的VPE技术。

由于光纤通讯技术的发展和实用化，光电单片集成技术引起了人们的极大兴趣，与其密切相关的晶格失配材料间的异质外延技术得到了广泛的研究。有些国家已采用MBE或MOCVD技术在InP衬底上生长出GaAs单晶薄膜，以期把与InP晶格常数匹配的光学器件（如1.1-1.5μm波长的In GaAsP/InP DH激光器）和与GaAs晶格常数匹配的电子学器件（如GaAs MESFET）集成在一个晶片上，制备长距离光纤通讯用的高可靠性、高速、大容量的光电集成化器件，如集成光发射机，光中继器和光接收机等。但是，MBE和MOCVD技术需要昂贵的设备，材料以及复杂的工艺。而且由于金属有机源的毒性很大，易燃易爆，还需要严格的安全保护措施。然而，到目前为止，没有人采用氯化物VPE技术，在InP衬底上生长GaAs，主要原因有两个：一是GaAs的晶格常数（a₀＝5.653）与InP的晶格常数（a₀＝5.869）之间，晶格失配f（＝△a₀/a₀）为3.7%。按传统的VPE技术，会在外延层中引入10⁸cm^-2以上的位错，无法制做器件。二是GaAs的外延生长温度为700-750℃，InP的外延生长温度为600-650℃，在GaAs的生长温度下，InP衬底会发生热分解，产生严重的热损伤。本发明改进了氯化物VPE设备与技术，克服了上述两个问题，在InP衬底上生长出GaAs单晶薄膜。外延片表面如镜面光亮，经扫描电子显微镜二次电子能谱分析表明，外延层组份的化学计量比基本为1∶1。X-射线（200），（400），（600）面晶体衍射如附图1所示，表明GaAs外延层残余失配应力很小，无反相失序。X-射线双晶回摆曲线如附图2所示，GaAs峰的半峰宽（FWHM）小于120孤度秒。10K下光萤光光谱与标准GaAs谱接近如附图3所示。在GaAs/InP复合衬底上制备的GaAs        MESFET，输出I-V特性如附图4所示。这些结果表明，采用本技术，在InP衬底上生长的GaAs外延层，已达到器件应用水平。

本技术经国际联机检索美国DIALOG与国际联机检索系统数据库“英国科学文摘”查明属国内外首创。

在一般VPE技术中，都要求炉温在衬底与Ga源位置有一定长度的恒温区。生长过程中，尽量使载气H₂流量保持稳定。本发明恰恰相反，使外延炉在衬底位置附近有较大的温度梯度分布，通过改变衬底在炉体中的位置，方便，迅速，准确地改变衬底的温度。为防止InP衬底的热损伤，衬底背面用介质膜保护;升温过程采用分步预热法，减少衬底在高温区的时间;生长过程的初始阶段，采用低温快速生长，在InP衬底表面沉积一薄的GaAs层，可有效地抑止InP衬底的热分解。GaAs/InP间3.7%的晶格失配会产生大量位错，这些位错主要有两种，一是其柏格矢平行于界面的失配位错，这种位错不会延伸进入外延层，又能有效地释放失配应力。另一种位错其柏格矢与界面成60°角的斜位错，它会延伸进入整个外延层，释放的失配应力也小于失配位错。为提高外延层的晶体质量，应尽可能地将斜位错转变为失配位错、本技术采用衬底温度与载气H₂流量耦合调制法，形成多界面的过渡区-应力释放层。这些界面有效地将斜位错转变为失配位错，终止于界面，得到高质量的GaAs外延层。

本发明采用的外延设备为具有傍路气体管道的AsCl₃-Ga-H₂水平滑动式气相外延炉，炉温分布如附图5所示。在距炉体前沿30-40cm范围内，温度梯度为12-15℃，为放置InP衬底的范围。AsCl₃源温控制在13±2℃。（100）InP衬底经双面抛光，一面用SiH₄热分解法，在450℃沉积3000左右的SiO₂做为保护膜。另一面进行外延生长。经严格的化学清洁处理后，用1%的Br₂∶CH₃OH腐蚀液腐蚀一分钟，去掉机械损伤层。在热去离子水中冲洗干净，装入反应管，通H₂加以保护。若晶片尺寸大于1cm，应与水平方向成60°-70°角斜放在石英托上，以减少衬底温度的不均匀性。

典型的外延生长工艺过程举例如下：