本发明专利技术提供一种利用低粘滞度材料单片集成具有晶格失配的晶体模板及其制作方法，晶体模板的制作方法包括：提供具有第一晶格常数的第一晶体层；在第一晶体层上生长缓冲层；在缓冲层的熔点温度之下，在缓冲层上依序执行第二晶体层生长工艺和第一次模板层生长工艺生长第二晶体层和模板层、或者在缓冲层上直接执行第一次模板层生长工艺生长模板层；将缓冲层熔化并转化为非晶态，在高于缓冲层的玻璃化转变温度的生长温度下，在第一次模板层生长工艺中生长的模板层上执行第二次模板层生长工艺，继续生长模板层，直至模板层晶格完全弛豫。相较于现有技术，本发明专利技术具有制作简单、在同一衬底上实现多种晶格常数材料组合且位错密度低、晶体质量高等优点。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及半导体器件的制造领域，提供一种相对于大尺寸廉价衬底且利用低粘滞度材料单片集成具有不同晶格常熟的晶体模板及其制作方法。
技术介绍
当今世界正在演绎着一场光电子器件由分立转向集成的重大转折。由于受到材料，结构和工艺等方面的种种制约和束缚，要取得长足的进展，光电子集成必须解决一系列重要的基础科学问题。在一种材料衬底上生长各种不同的材料体系(即材料兼容)，集各种材料的优异性能为一体，是实现光电子集成的理想途径。例如硅(Si)晶体是最常用、最便宜的微电子材料；但是由于Si是间接带隙材料，无法用做发光材料。而III-V族化合物半导体材料，如砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)、氮化镓(GaN)等，是最常用的光电子材料。如果能实现硅材料与III-V族材料的集成，将二者结合起来，即在一块半导体芯片上，既做出微电子集成电路，又做出光电子器件，可望推进光电子集成技术的发展。现代异质外延生长技术，包括分子束外延技术(Molecular Beam Epitaxy，MBE)和金属有机化学气相外延技术(Metal-organic Chemical Vapor D印osition，MOVPE)，使制造各种晶体异质结构成为可能。尤其在半导体领域，晶体异质结构在信息和通信技术、能源、健康、娱乐、信息安全和日常生活中已经具有广泛应用。然而，由于各种晶体拥有各自不同的晶格常数，仅有很有限数量的化合物(除非晶格匹配)能够实现在特定商用衬底上外延生长至数十纳米而不生成大量缺陷(所述缺陷包括诸如位错、层错、界面和表面起伏寸乂 O对具有任意晶格常数的衬底的缺失导致人们无法尝试所有可能材料的组合，而被迫将器件结构的设计局限于现有衬底之上。例如，将通信激光器集成到硅衬底上一直是硅基光电子学领域的梦想，但最好的商用InGaAsP通信激光器通常生长于InP衬底上。商用 InGaAsP通信激光器具有较差的热稳定性从而需要外置制冷装置来稳定输出激光的波长， 因而增加了生产和使用成本和能耗。如果激光器可以设计并生长于Ina3Gaa7As三元衬底上，该问题就可以解决，然而此种衬底市场上并不存在。另外，InSb材料在室温下具有非常高的电子迁移率，利用InSb构造沟道的高电子迁移率晶体管可以在低功耗下具有很高的工作频率，然而，主要的问题也是缺乏合适的衬底。宽带隙III-IV材料是近来一个非常热门的研究课题，尤其在高功率/高温晶体管和从绿光到紫外波段的光发射器件领域中具有非常大的应用前景，再一次，高质量的衬底或者模板仍然是提高此类器件性能的瓶颈所在。在其他应用中，一些功能器件会由多个具有不同晶格常数的异质结构组成。例如，多结太阳能电池在聚焦光伏发电应用中具有非常高的转换效率，通常情况下，其中每个单结会有不同的晶格常数。另外一个例子是垂直腔面发射激光器(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser, VCSEL)。人们通常需要将GaAs/Al (Ga) As分布布拉格反射镜集成到晶格失配的衬底上，例如InP和GaSb。因此，对于能够在单一外延生长过程中(单片集成)从一个晶格常数切换到另外的晶格常数的高质量薄模板的需求广泛存在。上述问题在相关领域中众所周知，近年来，对于衬底模板质量的提高和对克服晶格失配的尝试取得了持续进展，其中，最成功的策略之一是采用异变缓冲层来改变晶格常数。该策略通过阶跃式地或者连续地改变多元化合物中的元素组分来从与衬底相同的晶格常数改变到所需要的晶格常数。近来，一些基于该方法的光电子器件已经研制成功，例如 GaAs 衬底上 1. 58 μ m InGaAs 激光器[I. Tangring et al. Appl. Phys. Lett. 91, 221101 (2007)]，使用化合物组分渐变的异变生长技术可以将穿透位错密度降低到大约 106cm-2,同时表面上通常会存在不利于生长平整界面的交叉图形。另外一种方法是“界面失配位错(IMF)阵列”，在特定的生长条件下，界面失配位错阵列会在存在巨大晶格失配的两个晶体的界面生长[S. H. Huang et al. Appl. Phys. Lett. 88，131911 (2006)]，产生非常低的穿透位错密度(105cnT2，[A. Jallipalli et alNanoscale Res. Lett. 4，1458 (2009)]) 和平坦的表面，但是这种方法迄今只对于二元化合物有效。再有一种很有希望的方法是由 Lo 提出的柔性衬底(Compliant Substrate, CS)的概念[Y. H. Lo, Appl. Phys. Lett. 59， 2311 (1991)]，如果柔性衬底模板足够薄，之后生长在其上的存在晶格失配的材料层就不会出现位错，如果柔性衬底模板超过了临界厚度，生成的穿透位错将会穿入柔性衬底模板而不是外延层。在此，关键的步骤是创造一个柔性衬底模板与下层支撑层的界面(或者缓冲层)，使柔性衬底模板可以在该界面上自由滑动。有几种方法可以实现该种缓冲层/界面， 在属于专利技术人Lo的美国专利US5294808(专利技术名称为=Pseudomorphic and dislocation free hetero印itaxial structures)中，柔性衬底模板由一个很薄的膜结构或者台型结构构成，但该方法需要复杂的制造工艺而且尺寸很难做大。而在专利技术人Lo的另外一个美国US5981400( ^BJ^^^j =Compliant universal substrate for epitaxial growth) 中提出一种更通用的方法，扭转键合，该方法可以处理非常大的晶格失配，但是需要在生长之前进行键合和蚀刻，由于键合工艺非常复杂、很难实现大面积的制备，而且残余应力和薄层表面起伏较大。专利技术人Thorton等人在美国专利US6372356(专利技术名称为=Compliant substrates for growing lattice mismatched films) Φ Ι #IhSΤ^ Ι 底之下，其实现方法是首先生长一个盖层(例如AlAs)继之实行光刻和氧化，该方法已经被用于GaN相关异质结构生长在GaAs衬底上。而在美国专利US6746777 (专利技术名称为 Alternative substrates for epitaxial growth)中，专利技术人 Hwang 使用了金属界面键合层，这些金属在室温下呈固态，但是在生长温度下转化成液态，该方法需要生长前的键合和蚀刻。在美国申请专利US2004/0140479(专利技术名称为Compliant substrate for a heteroepitaxial structure and method for making same)中，专利技术入 Akatsu 贞用了离子注入来构造一种弱化了的缓冲层从而实现柔性衬底。但所有上述方案都必须进行外部处理来实现柔性生长条件，而且它们都不可能在同一次外延生长过程中进行重复。还有另外一种策略是首先通过生成许多位错来完全驰豫晶格失配层，然后利用新方法来降低缺陷密度。专利技术人Shchukin和Ledentzov在美国专利US6784074 (专利技术名称为 D本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种利用低粘滞度材料单片集成具有晶格失配的晶体模板，其特征在于，包括第一晶体层，具有第一晶格常数；位于所述第一晶体层之上的缓冲层，所述缓冲层在其熔点温度之上熔化并转化为非晶态；位于所述缓冲层之上的模板层，具有与所述第一晶体层的所述第一晶格常数不同的第二晶格常数；所述模板层的晶格在高于所述缓冲层的玻璃化转变温度的生长中完全弛豫。2.如权利要求1所示的晶体模板，其特征在于，还包括位于所述缓冲层和所述模板层之间的第二晶体层，所述第二晶体层存在相对于所述缓冲层的晶格失配并部分弛豫应变。3.如权利要求2所述的晶体模板，其特征在于，所述第二晶体层选自具有任意晶面取向的C、Si、Ge、Sn、二元及多元半导体、氧化物、无机晶体中的任一种。4.如权利要求1或2所述的晶体模板，其特征在于，所述第一晶体层为具有任意晶面取向的半导体衬底、异质结构材料或由异质结构材料构成的功能器件。5.权利要求4所述的晶体模板，其特征在于，所述第一晶体层选自具有任意晶面取向的C、Si、Ge、Sn、二元及多元半导体、氧化物、无机晶体中的任一种。6.如权利要求1或2所述的晶体模板，其特征在于，所述缓冲层的熔点温度低于晶体模板中所述第一晶体层、所述第二晶体层和所述模板层中的任一层的熔点温度。7.如权利要求1所述的晶体模板，其特征在于，所述缓冲层的厚度为纳米量级，相对于所述第一晶体层是应变的、部分或者完全驰豫的。8.如权利要求1所述的晶体模板，其特征在于，所述模板层的厚度要大于所述缓冲层的厚度。9.如权利要求2所述的晶体模板，其特征在于，所述第二晶体层和所述模板层的总厚度要远大于所述缓冲层的厚度。10.如权利要求9所述的晶体模板，其特征在于，所述第二晶体层的厚度应满足小于相对于所述无限厚模板层的临界厚度或者保证使得在所述第二晶体层和所述模板层界面上产生的位错朝向所述第二晶体层弯曲。11.如权利要求1所述的晶体模板，其特征在于，所述模板层选自具有任意晶面取向的 C、Si、Ge、Sn、二元及多元半导体、氧化物、无机晶体中的任一种。12.一种利用低粘滞度材料单片集成具有晶格失配的晶体模板的制作方法，其特征在于，包括提供具有第一晶格常数的第一晶体层；在所述第一晶体层上生长缓冲层，所述缓冲层是在其熔点温度之下生长在...
【专利技术属性】
技术研发人员：王庶民，宋禹忻，
申请(专利权)人：中国科学院上海微系统与信息技术研究所，
类型：发明
国别省市：
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