一种硅基III-V族半导体材料的制备方法

技术特征：
1.一种硅基iii-v族半导体材料的制备方法，其特征在于，包括：在硅衬底上至少两次重复生长iii-v族半导体基本外延结构单元，形成重复生长外延结构；在所述重复生长外延结构上继续外延生长iii-v族半导体材料和/或iii-v族半导体器件结构；其中，所述重复生长外延结构包括两个或两个以上的iii-v族半导体基本外延结构单元；所述基本外延结构单元的生长过程，包括：(1)在第一温度条件下生长低温层；(2)在第二温度条件下，在所述低温层上生长中温层，所述第二温度条件高于第一温度条件；(3)在第三温度条件下，在所述中温层上外延生长高温层，所述第三温度条件高于第二温度条件；(4)在所述高温层外延生长过程中暂停高温层外延生长，进行热循环退火，随后继续高温层外延生长。2.根据权利要求1所述的硅基iii-v族半导体材料的制备方法，其特征在于，所述重复生长外延结构是指两个基本外延结构单元或n个基本外延结构单元，其中n为大于2的整数；自下而上将重复生长外延结构中的基本外延结构单元依次标记为第一单元、第二单元，直至第n单元；所述热循环退火使得所述iii-v族半导体基本外延结构单元的低温层顶部区域与低温层底部区域发生弱关联的晶化，同时使得所述iii-v族半导体基本外延结构单元的高温层连同中温层的顶部区域与中温层底部区域实现彼此弱关联的晶态纯化；所述顶部区域是指低温层，或中温层，或高温层的厚度2/3以上的区域；所述底部区域是指低温层，或中温层，或高温层的厚度1/3以下的区域；其中，所述晶化是指低温层由非晶体态转变成晶态，即低温层由杂乱无序的晶格排列重塑为较为规整的晶格排列；所述弱关联的晶化是指在所述热循环退火中在低温层中顶部区域与底部区域中的晶化过程同时进行、无先后顺序，两个区域彼此的关联性降低，从而中断了穿透位错在低温层向上传播的部分途径；所述晶态纯化是指中温层与高温层得到进一步晶化，即中温层以及高温层由较为规整的晶格排列重塑出极为规整的晶格排列；所述弱关联的晶态纯化是指在热循环退火中所述高温层连同中温层顶部区域与以及中温层与低温层的界面底部区域处的晶态纯化也是同时进行、无先后顺序，彼此的关联性降低，从而提升了高温层晶体质量。3.根据权利要求1所述的硅基iii-v族半导体材料的制备方法，其特征在于，所述硅衬底为：无偏角的硅衬底，晶面方向为100；或者，有偏角的硅衬底，晶面方向为100。4.根据权利要求1所述的硅基iii-v族半导体材料的制备方法，其特征在于，所述硅衬底的图形为“v”型、孔型、方形或条形。5.根据权利要求1所述硅基iii-v族半导体材料的制备方法，其特征在于，所述第一温度条件下生长低温层的条件为：温度范围350-550℃，v族源与iii族源的流量比或束流比范
围20-1000，生长厚度范围是5-50nm；所述第二温度条件下生长中温层的条件为：温度范围550-650℃，v族源与iii族源的流量比或束流比范围50-1000，生长厚度范围是50-500nm；所述第三温度条件下外延生长高温层的条件为：温度范围650-750℃，v族与iii族的流量比或束流比范围50-1000，生长厚度范围是100-2500nm。6.根据权利要求1所述的硅基iii-v族半导体材料的制备方法，其特征在于，所述热循环退火为原位退火，退火温度范围为300-800℃，所述热循环退火的次数为一次或多次；所述基本外延结构单元的生长过程，还包括：(5)在所述高温层外延生长结束后，进行热循环退火。7.根据权利要求1所述的硅基iii-v族半导体材料的制备方法，其特征在于，所述低温层、中温层以及高温层均使用同一种材料。8.根据权利要求1所述的硅基iii-v族半导体材料的制备方法，其特征在于，所述外延生长采用金属有机化学气相沉积mocvd和/或分子束外延mbe。9.根据权利要求1所述的硅基iii-v族半导体材料的制备方法，其特征在于，所述iii-v半导体材料为gap系、gaas系、inp系以及gasb系半导体材料中的一种或多种。10.根据权利要求1-9中任一项所述的硅基iii-v族半导体材料的制备方法，其特征在于，所述iii-v族半导体器件结构包括但不局限于iii-v族半导体激光器、iii-v族超辐射发光二极管、iii-v族发光二极管、iii-v族光放大器、iii-v族光探测器以及iii-v族无源器件。

技术总结
本发明提供一种硅基III-V族半导体材料的制备方法，该方法包括在硅衬底上至少两次重复生长以弱关联晶化为特征的III-V族半导体基本外延结构单元。每个基本外延结构单元自下而上都包括低温层、中温层和高温层三层，且在高温层生长过程中须插入热循环退火。该方法使得低温层的顶部与底部区域实现彼此弱关联的晶化，同时使得高温层连同中温层的顶部区域与中温层底部区域实现彼此弱关联的晶态纯化，从而实现高温层晶体质量的优化。基于类似的机理，该基本外延结构单元的重复生长可进一步提高目标外延层(即完整结构顶部外延层)的晶体质量。采用本方法可制备穿透位错密度极低的硅基III-V族半导体材料。V族半导体材料。V族半导体材料。


技术研发人员：任晓敏 韦欣 王琦 王俊 刘昊 刘凯 张翼东 李健 江晨 王臻 刘倬良 杨一粟 黄永清 蔡世伟 李川川
受保护的技术使用者：中国科学院半导体研究所
技术研发日：2022.03.08
技术公布日：2022/6/28