InGaAs失配体系材料的界面特性及缺陷形成机制研究

Semiconductor material is an important foundation of the development of the modern information society and a very active and vital part in development process of semiconductor science. Structure of the hetero-interface and defect are the frontier subject in the field of semiconductor research. As the second-generation semiconductor material, ternary compound: InGaAs has become one of the important elemental materials of optoelectronic and electronic devices based on its excellent optical and electrical properties. This item devoted in studying of larger lattice mismatch of high In component hetero-epitaxial material. By the analysis of the interface structure and defect in mismatched epitaxial InGaAs, the forming mechanism of dislocation and other various defects will be described, the distribution of defects in the interface and epitaxial layer will be clarified, the relaxation of interface lattice constant and the predictability and controllability of stress will be verified.By in situ observation the effects of defects on the photoelectric properties of materials under the external field will be studied, the relationship between the interface structure and the misfit dislocations and material properties will be established. Through the study of wettability of In and GaAs, the interaction mechanism of In and GaAs will be explained. Finally, this item will provide a theoretical basis and a scientific foundation for the growth of high quality hetero-epitaxial material.

半导体材料是现代信息社会发展的重要基石，是半导体科学发展中非常活跃、极具生命力的部分，其中异质生长界面结构和缺陷是半导体研究领域的前沿课题。三元化合物InGaAs作为第二代半导体材料，以其优异的光学和电学性能，成为当今重要的光电子和电子器件的基础材料之一。本项目围绕高In组分异质生长材料的较大晶格失配问题，通过对失配状态下InGaAs外延生长中界面及缺陷的分析，阐述位错等各种不同缺陷的形成机制，明确缺陷在界面处、外延层中分布规律，验证界面晶格常数的弛豫与应力的可预测性和可控性；通过原位研究缺陷在外场作用下对材料光电性能的影响，建立界面及失配位错与材料性能之间的关系；对In与GaAs润湿性的研究，阐明In与GaAs的相互作用机理。最终，为获得高质量的异质外延生长材料提供理论依据和科学基础。

半导体材料是现代信息社会发展的重要基石，是半导体科学发展中非常活跃、极具生命力的部分，其中异质生长材料界面结构和缺陷是半导体研究领域的前沿课题。本项目针对不同失配体系异质外延生长中存在的晶格失配而导致的位错缺陷这一核心问题开展研究，形成了如下研究结果：（1）在失配体系界面处，成键的原子团簇呈无序状态聚集排列生长，失配位错在原子团簇聚集区产生，形成位错源。该位错聚集区长度尺寸按一定周期性排布，周期大小和晶格常数有关。（2）在外延层中，虽然原子团簇的无序度消失，按一定的晶格排列有序生长，但界面处产生的失配位错穿透界面延伸到外延层中，形成穿透位错，其继续向表面区域运动，在运动过程中位错之间相互作用，既有位错的湮灭，也有新的增殖位错的生成。这些位错的存在严重影响外延层的结晶质量和材料性能。（3）缓冲层的引入降低了失配应力以及外延层与衬底之间的界面无序度，改变了失配位错的运动方向，降低了穿透位错的数量，限制了位错之间相互作用，使外延层中位错源明显减少，显著改善了外延层的结晶质量，提高了材料性能。（4）熔融金属In与GaAs基体润湿性实验表明，In与GaAs基体之间的润湿性虽然很差，但In与GaAs基体之间却发生了反应，形成了薄膜状InxGa1-xAs产物，该产物以In0.5Ga0.5As为主要组成。（5）提出了一种在GaAs衬底上构建InxGa1-xAs薄膜的新方法，并在其上外延生长不同In组分的InxGa1-xAs外延层，得到了结晶质量较好的InxGa1-xAs外延层，并进一步探讨了In诱导GaAs表面InxGa1-xAs产物形成机理。（6）在GaAs基底上生长不同厚度的InP 外延层，发现在GaAs基底也产生位错（称为反向位错）。该位错的产生表明，如果控制好实验条件，外延层的位错会发生反向移动，这将极大减少外延层中的位错缺陷。（7）探讨了失配体系材料的位错缺陷表征方法，明确了位错与性能之间的关系。以上研究成果为异质外延生长材料提供了重要的基础理论指导和参考。