專利名稱：精確控制四元系半導(dǎo)體直接帶隙材料組分的生長與表征方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬四元系半導(dǎo)體直接帶隙材料的生長制備領(lǐng)域，特別是涉及一種精確控制
四元系半導(dǎo)體直接帶隙材料組分的生長與表征方法。
背景技術(shù)：
四元系化合物半導(dǎo)體材料相對二元系和三元系材料可以提供更靈活的材料參數(shù) 調(diào)節(jié)，所以在半導(dǎo)體光電子及微電子器件中都有很廣泛的應(yīng)用，比如InP襯底上的InGaAsP 材料在短波紅外半導(dǎo)體激光器領(lǐng)域、GaSb襯底上InGaAsSb及AlGaAsSb材料在中紅外半導(dǎo) 體激光器領(lǐng)域都有重要的應(yīng)用。與此同時，四元系半導(dǎo)體材料的生長和表征過程相對二元 系和三元系材料會引入更多的新問題，比如在生長更多元材料時組分的精確控制具有更大 的難度，而組分控制的不準(zhǔn)確將會影響材料的晶格質(zhì)量和光學(xué)電學(xué)特性，從而進(jìn)一步影響 器件的光學(xué)和電學(xué)性能。 多元系半導(dǎo)體材料的組分表征一般采用x射線衍射儀測試，對三元系半導(dǎo)體材 料，外延層與襯底晶格失配度較小的情況，可通過測試樣品的(004)晶面對稱"/2 9搖擺 曲線得到，通過外延峰和襯底峰峰位的o角度差可以計算得到外延層與襯底的晶格失配 度，進(jìn)而得到三元系半導(dǎo)體材料中不同元素所包含的組分。通過這種方法可以得到外延層 與襯底完全應(yīng)變情況和完全弛豫情況下的兩個組分值，外延層與襯底晶格失配度較小的情 況可以近似認(rèn)為外延層完全應(yīng)變而采用完全應(yīng)變組分值，外延層與襯底晶格失配度較大 (大于1%)且外延層較厚(遠(yuǎn)大于臨界厚度，例如大于lym)的情況可以近似認(rèn)為外延層 完全弛豫而采用完全弛豫組分值。對于介于完全應(yīng)變和完全弛豫之間的情況，其組分可以 通過測試兩條入射方位角(P相差18(TC的(004)晶面對稱衍射搖擺曲線，以及(P相差18(TC分 別為掠入射和掠出射的兩次非對稱衍射搖擺曲線而得到。但是在采用此方法時，測試時具 有的(P角不同會使測試結(jié)果有所差別，更精確的結(jié)果需要測試三維兩軸倒易空間衍射圖得 到。 然而，對具有更多元素的四元系半導(dǎo)體材料而言，其元素組分具有兩個未知數(shù)，僅 通過x射線衍射測試將不能獲知材料中的元素組分。在分子束外延(MBE)生長過程中，為 了生長具有目標(biāo)組分的四元系半導(dǎo)體材料，一般先生長相應(yīng)的三元系半導(dǎo)體材料并通過x 射線衍射測試獲知其組分，然后再在相同的生長條件(束源爐溫度、生長溫度等)下生長四 元系半導(dǎo)體材料。例如，要生長AA—7型四元系半導(dǎo)體材料1%^。.#。.4 。.6，先生長 In。. 7Ga。. 3As。.4材料并通過x射線衍射測試確認(rèn)其元素組分，然后在相同的In和Ga束源爐溫 度及生長溫度下生長InGaAsP四元系半導(dǎo)體材料，在對所生長的InGaAsP材料的x射線衍 射測試中假定In組分為0. 7而對As組分進(jìn)行表征，獲得As組分為0. 4的In。.7Ga。.3As。.4P。.6 材料；要生長ABxCyD卜x—y型四元系半導(dǎo)體材料In。.4Ga。.35Al。.25AS，則是先生長In和Ga元素 比為0. 4/0. 35 = 1. 1的三元系材料In。.53Ga。.47As并通過x射線衍射測試確認(rèn)其元素組分， 然后在相同的In和Ga束源爐溫度及生長溫度下生長InGaAlAs四元系半導(dǎo)體材料，在對所生長的InGaAlAs材料的x射線衍射測試中假定In和Ga元素比為1. 1而對Al組分進(jìn)行表 征，獲得A1組分為O. 25的In?！笹a。jAl。.^As材料；然而，這種方法雖然是在相同的In和Ga 束源爐溫度及生長溫度下生長三元系化合物材料和四元系化合物材料，但加入的P或者Al 元素仍會影響材料In和Ga的元素比，所以最終所測得的組分結(jié)果會有所偏差。另一方面， 這種方法需要先對三元系材料進(jìn)行生長和表征，然后才能對四元系材料進(jìn)行生長和表征， 在時間和資源上都比較浪費(fèi)。 針對具有目標(biāo)組分的四元系化合物半導(dǎo)體材料生長和表征過程中存在的問題，有 必要研究一種更準(zhǔn)確和經(jīng)濟(jì)的方案，可以方便有效地生長具有目標(biāo)組分的四元系半導(dǎo)體直 接帶隙材料。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種精確控制四元系半導(dǎo)體直接帶隙材料組 分的生長與表征方法，該方法無需預(yù)先生長相應(yīng)的三元系半導(dǎo)體材料，可以直接在襯底上 生長四元系半導(dǎo)體直接帶隙材料，在節(jié)約成本的同時，對所需材料的組分進(jìn)行了準(zhǔn)確有效 地指導(dǎo)生長。 本發(fā)明的一種精確控制四元系半導(dǎo)體直接帶隙材料組分的生長與表征方法，包 括 (1)采用常規(guī)分子束外延方法在襯底上生長AA—,CyD卜y或AB,(yVx—y型四元系半導(dǎo) 體材料； 所述的,CyD卜y或AB,CyD卜x—y型四元系半導(dǎo)體材料，其中A、 B、 C、 D代表不同元 素，AxBpxCyD卜y中A和B為同族元素，C和D為同族元素，O <x<l，0<y<l ;AB,yD卜x—y 中B、C、D為同族元素，A為不同族元素，(Xx〈 l，0<y< l，0<x+y< 1 ;
(2)采用高分辨率x射線衍射對四元系半導(dǎo)體材料的室溫晶格常數(shù)進(jìn)行測試
對于外延層與襯底晶格失配度較大或較小的情況，即認(rèn)為外延層近似完全弛豫或 完全應(yīng)變下，可通過測試樣品的(004)晶面對稱"/2 9搖擺曲線，利用外延峰和襯底峰峰 位的o角度差A(yù) co得到外延層與襯底的晶格失配度，從而得到四元系半導(dǎo)體外延材料的 晶格常數(shù)；在外延層完全弛豫的情況下，有 <formula>formula see original document page 4</formula>(1)其中，e B為襯底峰的布拉格角，即襯底峰2 e值的一半，&和as分別為外延層和
襯底的晶格常數(shù)； 在外延層完全應(yīng)變的情況下，則有
<formula>formula see original document page 4</formula>(2) 其中v為外延材料的泊松比，與材料組分有關(guān)。 對外延材料處于完全應(yīng)變和完全弛豫之間時，精確的結(jié)果需要通過測試x射線三 維兩軸倒易空間衍射圖(RSM)得到，通過掃描樣品的(004)晶面對稱和(224)晶面非對稱 RSM圖，從(224)晶面非對稱RSM圖中提取外延層在垂直于襯底方向的失配值f i和平行于 襯底方向的失配值f〃，則有
<formula>formula see original document page 5</formula> (3)采用室溫光致熒光測試獲得四元系半導(dǎo)體直接帶隙材料的室溫禁帶寬度
在室溫光致發(fā)光譜測試中，采用Ar離子激光器或He-Cd激光器作激發(fā)光源，樣品 產(chǎn)生的光致發(fā)光譜經(jīng)過透鏡匯聚利用傅立葉紅外光譜儀或光柵光譜儀進(jìn)行檢測；在四元系 半導(dǎo)體直接帶隙材料的室溫光致發(fā)光譜中一般只存在一個發(fā)光峰，這個發(fā)光峰即是自由載 流子直接輻射復(fù)合的帶間躍遷發(fā)光峰；發(fā)光峰能量對應(yīng)著直接帶隙半導(dǎo)體材料禁帶寬度的 大小； (4)根據(jù)半導(dǎo)體材料室溫晶格常數(shù)和禁帶寬度與材料組分的關(guān)系進(jìn)行計算得出材 料組分；將式(1)、 (2)或(3)中外延層的晶格常數(shù)^根據(jù)Vegard定律表示成二元系材料 的室溫晶格常數(shù)及材料組分的關(guān)系式 對,CyD卜y型和AB,CyD卜x—y型材料的晶格常數(shù)分別為 々B'- 'y (x,力=，f + x(1 —力< + (1 —力《+ (卜—力《
"，AD'-" 力=+ ^^c + (1 — x —力《d (4) 二元系材料的室溫晶格常數(shù)可以通過查找手冊得到。 對于四元系半導(dǎo)體外延材料的泊松比v，可以用彈性模量表示為
尺 V= 二2 (5)
All + A12 其中，彈性模量Ku和K12可以根據(jù)Vegard定律表示成二元系材料的彈性模量以 及材料組分的關(guān)系式，而較粗略的計算則可以近似將四元系半導(dǎo)體材料的泊松比直接根據(jù) Vegard定律表示成二元系材料的泊松比和材料組分的關(guān)系式。 四元系半導(dǎo)體直接帶隙材料的室溫禁帶寬度也可以用二元系材料的室溫禁帶寬
度及材料組分的關(guān)系式表示
,AxCyD 二 x(l -力[y五，(x) + (1—力《朋(x)〗+ Kl—力[^fD OP + (1 —
五abad一 "力=W五r (") + W _ X —力五fD (V) + X(l — X — ^￡，D )(W) ( 6 )
g , ^ + y(l - X -力+ X(l — X -力 將四元系半導(dǎo)體直接帶隙材料晶格常數(shù)和泊松比的表達(dá)式(4)和(5)代入x射線 衍射測試的表達(dá)式(1)、(2)或(3)，將其與禁帶寬度的表達(dá)式(6)聯(lián)列組成方程組，求解此 方程組就可以得到四元系半導(dǎo)體直接帶隙材料的組分； (5)通過調(diào)節(jié)固態(tài)源束源爐溫度或氣態(tài)源束源氣壓等生長條件，重復(fù)操作步驟 (1) (4)直到材料組分與目標(biāo)組分相符，即完成四元系半導(dǎo)體直接帶隙材料的生長。
有益效果 本發(fā)明提供的方法無需預(yù)先生長相應(yīng)的三元系半導(dǎo)體材料，可以直接在襯底上生 長四元系半導(dǎo)體直接帶隙材料，在節(jié)約成本的同時，對所需材料的組分進(jìn)行了準(zhǔn)確有效地 指導(dǎo)生長。


圖1是本發(fā)明提供的一種用于精確控制四元系半導(dǎo)體直接帶隙材料組分的生長 與表征方法思路示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。應(yīng)理解，這些實(shí)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。 實(shí)施例1 精確控制,CyD卜y型四元系半導(dǎo)體直接帶隙材料InGaAsP組分的生長與表征方 法 (1)需要在InP襯底上生長目標(biāo)組分為In。.7Ga。」As。.4P。.e的四元系半導(dǎo)體直接帶隙 材料(以此材料和組分為例，其他材料和組分可類推)； (2)采用常規(guī)分子束外延方法在InP襯底上生長InxGai—,ASyP^y四元系半導(dǎo)體材 料； (3)采用高分辨率x射線衍射儀測試樣品的室溫晶格常數(shù)，先利用前面沒有分析 儀的探測器測試樣品的(004)晶面對稱"/2 e掃描搖擺曲線，通過式(1)或(2)可以得出 外延層完全弛豫或完全應(yīng)變下的晶格常數(shù)，外延峰與襯底峰相距很遠(yuǎn)且外延層較厚(遠(yuǎn)大 于臨界厚度)時可以近似認(rèn)為外延層完全弛豫而采用式(l)，搖擺曲線中外延峰與襯底峰 很接近時可以近似認(rèn)為外延層完全應(yīng)變而采用式(2)。當(dāng)處于這兩種情況之間時則需要利 用前面有分析儀的探測器測試樣品的x射線三維兩軸倒易空間衍射圖(RSM)，在RSM測試后 再根據(jù)式(3)得出外延層材料的晶格常數(shù)； (4)采用紅外波段光致發(fā)光譜測試系統(tǒng)測試樣品的室溫光致發(fā)光譜，采用Ar離子 激光器(A = 513. 2nm)作激發(fā)光源，樣品產(chǎn)生的光致發(fā)光譜經(jīng)過透鏡匯聚利用傅立葉紅外 光譜儀進(jìn)行檢測，發(fā)光峰能量對應(yīng)InxGai—^SyP卜y材料的禁帶寬度； (5)將InxGai—,ASyP卜y四元系材料的晶格常數(shù)和泊松比根據(jù)A,B卜y情形下的式 (4)和式(5)表示成二元系材料參數(shù)與材料組分的表達(dá)式，將InxGai—,ASyP卜y四元系材料的 室溫禁帶寬度根據(jù)A,B^,CyD卜/瞎形下的式(6)也表示成二元系材料室溫禁帶寬度與材料組 分的關(guān)系式，聯(lián)列這兩個關(guān)系式組成的方程組即可以得出所生長In,Ga卜,ASyP卜y四元系材料 中的組分x和y ; (6)如果材料組分x和y與目標(biāo)材料In。. 7Ga。. 3As。.4P。.6存在差距，可以在此基礎(chǔ)上 進(jìn)一步調(diào)整固態(tài)源束源爐溫度或氣態(tài)源束源氣壓，最終生長出In。.7Ga。.3As。.4P。.6四元系半
導(dǎo)體材料。 實(shí)施例2 精確控制ABx(yVx—y型四元系半導(dǎo)體直接帶隙材料InGaAlAs組分的生長與表征方 法 (1)需要在InP襯底上生長目標(biāo)組分為In。.4Ga。.35Al。.25AS的四元系半導(dǎo)體直接帶 隙材料(以此材料和組分為例，其他材料和組分可類推)；
(2)采用常規(guī)分子束外延方法在InP襯底上生長InGaAlAs四元系半導(dǎo)體材料；
(3)采用高分辨率x射線衍射儀測試所生長的In,GayAl卜x—yAs四元系半導(dǎo)體材料樣 品的室溫晶格常數(shù)，先測試樣品的(004)對稱"/2 e掃描搖擺曲線，通過式(1)或(2)可得 出外延層完全或完全應(yīng)變弛豫下的晶格常數(shù)，外延峰與襯底峰相距很遠(yuǎn)且外延層較厚(遠(yuǎn) 大于臨界厚度)時近似認(rèn)為外延層完全弛豫而采用式(l)，外延峰與襯底峰很接近時近似 認(rèn)為外延層完全應(yīng)變而采用式(2)。當(dāng)處于這兩種情況之間時則再測試樣品的x射線RSM， 根據(jù)式(3)得出外延層材料的晶格常數(shù)； (4)采用紅外波段光致發(fā)光譜測試系統(tǒng)測試樣品的室溫光致發(fā)光譜，發(fā)光峰能量 對應(yīng)In,GayAl卜x—yAs材料的禁帶寬度； (5)將IrixGayAl卜x—yAs四元系材料的晶格常數(shù)和泊松比根據(jù)AB,(yVx—y情形下的式 (4)和式(5)表示成二元系材料參數(shù)與材料組分的表達(dá)式，將In,GayAl卜x—yAs四元系材料的 室溫禁帶寬度根據(jù)AB,CyD卜x—/瞎形下的式(6)表示成二元系材料室溫禁帶寬度與材料組分 的關(guān)系式，聯(lián)列這兩個表達(dá)式組成的方程組即可以得出所生長In,GayAlx—yAs四元系材料 中的組分x和y ; (6)如果材料組分x禾P y與目標(biāo)材料In。. 4Ga。. 35A1。. 25As存在差距，可以在此基礎(chǔ)上 進(jìn)一步調(diào)整固態(tài)源束源爐溫度或氣態(tài)源束源氣壓，最終生長出In。.7Ga。.3As。.4P。.6四元系半 導(dǎo)體材料。
權(quán)利要求
一種精確控制四元系半導(dǎo)體直接帶隙材料組分的生長與表征方法，包括(1)采用常規(guī)分子束外延方法在襯底上生長AxB1-xCyD1-y或ABxCyD1-x-y型四元系半導(dǎo)體材料；(2)采用高分辨率x射線衍射，判斷外延材料與襯底間的失配情況，以計算出四元系半導(dǎo)體材料的室溫晶格常數(shù)；(3)采用室溫光致發(fā)光譜測試獲得四元系半導(dǎo)體直接帶隙材料的室溫禁帶寬度；(4)根據(jù)半導(dǎo)體材料室溫晶格常數(shù)和禁帶寬度與材料組分的關(guān)系進(jìn)行計算得出材料組分；(5)通過調(diào)節(jié)固態(tài)源束源爐溫度或氣態(tài)源束源氣壓生長條件，重復(fù)操作步驟(1)～(4)直到材料組分與目標(biāo)組分相符，即完成四元系半導(dǎo)體直接帶隙材料的生長。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種精確控制四元系半導(dǎo)體直接帶隙材料組分的生長與表征方法，其特征在于其中A、 B、 C、 D代表不同元素，4B卜,CyVy中A和B為同族元素，C和D為同族元素，(Xx〈 l，0<y< 1 ;AB,CyD卜x—y中B、C、D為同族元素，A為不同族元素，(Xx< l，O < y < l，O < x+y < 1。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種精確控制四元系半導(dǎo)體直接帶隙材料組分的生長與表征方法，其特征在于所述的AA—y型四元系半導(dǎo)體材料為In。.7Ga。.3As。.4P。.6的四元系半導(dǎo)體直接帶隙材料。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種精確控制四元系半導(dǎo)體直接帶隙材料組分的生長與表征方法，其特征在于所述的AB,CyD卜x—y型四元系半導(dǎo)體材料為In。.4Ga。.35Al。.25AS的四元系半導(dǎo)體直接帶隙材料。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種精確控制四元系半導(dǎo)體直接帶隙材料組分的生長與表征方法，其特征在于所述步驟(2)中的高分辨率x射線衍射為(004)晶面對稱co/2 e掃描搖擺曲線測試和(224)晶面非對稱三維兩軸倒易空間衍射測試；外延層材料與襯底晶格間的失配情況為外延層完全馳豫、外延層完全應(yīng)變或外延層處于完全馳豫和完全應(yīng)變之間。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1和3所述的一種精確控制四元系半導(dǎo)體直接帶隙材料組分的生長與表征方法，其特征在于先通過比較(004)晶面對稱9掃描搖擺曲線中外延峰與襯底峰的情況，判斷外延層材料與襯底晶格間的失配情況，當(dāng)外延材料處于完全馳豫或完全應(yīng)變時，直接通過計算得到半導(dǎo)體材料的室溫晶格常數(shù)；若外延層處于完全馳豫和完全應(yīng)變之間時，則需再進(jìn)行(224)晶面非對稱三維兩軸倒易空間衍射圖的測試。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種精確控制四元系半導(dǎo)體直接帶隙材料組分的生長與表征方法，其特征在于所述步驟(3)中的四元系半導(dǎo)體直接帶隙材料的室溫禁帶寬度的測試是在室溫光致發(fā)光譜測試中，采用Ar離子激光器或He-Cd激光器作激發(fā)光源，樣品產(chǎn)生的光致發(fā)光譜經(jīng)過透鏡匯聚利用傅立葉紅外光譜儀或光柵光譜儀進(jìn)行檢測，發(fā)光峰能量對應(yīng)著直接帶隙半導(dǎo)體材料禁帶寬度的大小。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種精確控制四元系半導(dǎo)體直接帶隙材料組分的生長與表征方法，包括采用常規(guī)分子束外延方法在襯底上生長四元系半導(dǎo)體材料；分別測試四元系半導(dǎo)體材料的室溫晶格常數(shù)和室溫禁帶寬度；根據(jù)半導(dǎo)體材料室溫晶格常數(shù)和禁帶寬度與材料組分的關(guān)系進(jìn)行計算得出材料組分；通過調(diào)節(jié)生長條件，重復(fù)操作直到材料組分與目標(biāo)組分相符，即完成四元系半導(dǎo)體直接帶隙材料的生長。該方法無需預(yù)先生長相應(yīng)的三元系半導(dǎo)體材料，可以直接在襯底上生長四元系半導(dǎo)體直接帶隙材料，在節(jié)約成本的同時，對所需材料的組分進(jìn)行了準(zhǔn)確有效地指導(dǎo)生長。
文檔編號C30B25/02GK101698962SQ20091019825
公開日2010年4月28日 申請日期2009年11月3日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月3日
發(fā)明者張永剛, 顧溢 申請人:中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所