本發(fā)明屬于半導(dǎo)體材料領(lǐng)域，具體涉及一種在硅襯底上生長銻化銦單晶薄膜的方法，特別是利用分子束外延設(shè)備在Si(111)襯底上采用依次生長超薄Bi與InSb的低溫雙緩沖層法生長InSb(111)In極性單晶外延薄膜的方法。

背景技術(shù)：

InSb是一種由Ⅲ族元素In和Ⅴ族元素Sb組成的直接帶隙極性半導(dǎo)體材料。InSb的電子有效質(zhì)量較小，與其他Ⅲ-Ⅴ族化合物材料相比，InSb具有最大的電子遷移率，在77K和300K下的電子遷移率分別可以達到1.2×10⁶cm²V^-1s^-1和7.8×10⁴cm²V^-1s^-1，在電場作用下所表現(xiàn)出的優(yōu)異的電子輸運性能可使其作為高頻前端的核心器件材料。InSb還具有較小的禁帶寬度，在室溫下的禁帶寬度為0.18eV，是制作3～5μm紅外探測器和成像系統(tǒng)的重要材料。

一直以來，在Si襯底上通過不同的方法制備InSb薄膜得到了廣泛的重視和研究，目的是將Si材料成熟的微電子集成工藝和InSb優(yōu)良光電性能結(jié)合起來。但是在Si襯底上直接生長高質(zhì)量的InSb薄膜在材料工程學(xué)方面主要存在下面兩方面的問題，包括：第一、Si和InSb之間的晶格失配非常大，約為19％；第二、Si和InSb材料之間還存在較大的熱膨脹系數(shù)差異。因此，在Si襯底上外延InSb薄膜極易形成大量的失配位錯和應(yīng)力，從而影響薄膜的質(zhì)量。

通常在硅表面外延生長InSb薄膜需要生長緩沖層，這樣可將失配應(yīng)力在薄膜生長的前期過程中進行釋放，以克服Si和InSb之間比較高的晶格失配，保證在后續(xù)生長階段能生長出質(zhì)量較好的InSb薄膜。但是上述方法生長工藝復(fù)雜，需要生長的緩沖層厚度比較大才能達到充分釋放生長應(yīng)力的目的；而且在Si(111)襯底上生長InSb時，In以及Sb原子在Si襯底表面進行吸附的優(yōu)先性差異不明顯，因此InSb薄膜在Si表面傾向于同時以Si-In-Sb-…-In-Sb-(即Sb極性，其特征為沿外延生長方向的In-Sb鍵取向是由In指向Sb)和Si-Sb-In-…-Sb-In-(即In極性，其特征為沿外延生長方向的In-Sb鍵取向是由Sb指向In)兩種堆垛次序進行外延生長，從而導(dǎo)致薄膜內(nèi)出現(xiàn)In極性和Sb極性倒反疇共存的現(xiàn)象。

基于此，研究并開發(fā)設(shè)計一種在硅襯底上生長銻化銦薄膜的方法。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是：現(xiàn)有在硅襯底上直接生長InSb薄膜的方法，受制于Si襯底和InSb外延薄膜之間晶格常數(shù)與熱膨脹系數(shù)失配過大，需要生長較厚的緩沖層以充分釋放生長應(yīng)力；Si襯底上直接外延InSb薄膜極易出現(xiàn)In極性和Sb極性倒反疇共存的情況，影響薄膜質(zhì)量。本發(fā)明的目的在于：提供一種在硅襯底上生長In極性銻化銦薄膜的方法，通過依次沉積一層超薄鉍緩沖層與超薄銻化銦低溫形核層，再提高生長溫度實現(xiàn)單一In極性銻化銦薄膜的外延，解決了現(xiàn)有生長InSb薄膜方法中需要采用大厚度緩沖層，且薄膜內(nèi)容易出現(xiàn)In極性和Sb極性倒反疇共存的技術(shù)問題。

本發(fā)明通過下述技術(shù)方案實現(xiàn)：

一種在硅襯底上生長銻化銦薄膜方法，包括以下操作步驟：

步驟1)：采用晶面取向為(111)硅襯底制備獲得Si(111)-7×7再構(gòu)表面；

步驟2)：升溫Bi束流源，在步驟1)制得的Si(111)-7×7再構(gòu)表面上沉積生長Bi緩沖層；

步驟3)：待步驟2)中生長出Bi緩沖層后，分別升高銦束流源與銻裂解束流源溫度，開始InSb形核層的生長；

步驟4)：待步驟3)InSb形核層生長后，開始InSb外延薄膜的生長，即得。

現(xiàn)有在Si表面外延生長InSb薄膜的方法，一般需要生長較厚的緩沖層，以充分釋放Si與InSb之間的晶格與熱膨脹系數(shù)失配帶來的生長應(yīng)力，但是存在生產(chǎn)工藝復(fù)雜，外延膜內(nèi)In極性和Sb極性倒反疇缺陷密度高的問題。

發(fā)明人針對在硅襯底外延生長InSb薄膜需克服晶格與熱膨脹系數(shù)失配，易形成大量的失配位錯和倒反疇等技術(shù)難點，創(chuàng)造性的提出采用與InSb晶格匹配的Bi超薄單晶層作為緩沖層。在室溫條件就能在Si表面獲得結(jié)晶性良好且與InSb晶格常數(shù)匹配的Bi單晶緩沖層，在Bi緩沖層上僅需較低溫度生長厚度為10nm InSb形核層后，適當(dāng)提高生長溫度進行InSb外延層的生長，即可獲得高表面平整度且為單一In極性的InSb薄膜，整個工序簡單，在外延膜內(nèi)不會產(chǎn)生Sb極性倒反缺陷。

進一步地，所述步驟1)中具體操作方法為：將硅襯底置于超高真空分子束外延系統(tǒng)中后，加熱至400—500℃，加熱去氣，至背景真空度優(yōu)于5×10^-10mbar量級，將硅襯底快速加熱至1250℃后維持5～10秒時間，然后將溫度降低到室溫，即得Si(111)-7×7再構(gòu)表面，硅襯底升溫至1250℃的升溫速率大于10℃/秒。

進一步地，所述步驟1)所述晶面取向為(111)硅襯底偏離(111)晶軸斜切角度小于2°，即襯底晶片實際切割表面的法線方向與理想Si(111)面法線取向夾角小于2°。研究表明，當(dāng)在斜切角度小于2°的Si(111)基片上，才能生長出符合外延生長要求的Bi單晶緩沖層結(jié)構(gòu)。

進一步地，所述步驟2)具體操作方法為：將硅襯底溫度降低至室溫，升溫Bi束流，待Bi束流等效壓強達到2×10^-8_20×10^-8mbar，打開Bi束流源擋板開始生長Bi緩沖層，Bi緩沖層的厚度大于2nm。僅當(dāng)Bi緩沖層厚度大于2nm即2nm以上，Bi將自組裝形成(001)取向的菱方晶系單晶薄膜，均勻沉積在Si(111)表面。該Bi(001)超薄膜表面呈原子級光滑，為六方對稱，且面內(nèi)晶格常數(shù)為與InSb(111)晶格(晶格常數(shù))相匹配。

所述Bi束流等效壓強達到2×10^-8-20×10^-8mbar，僅在此等效束流壓強條件范圍內(nèi)生長的Bi緩沖層才具有原子級光滑平整的均勻表面形貌，有利于后續(xù)單一In極性InSb薄膜的形核及高質(zhì)量外延生長；偏離此等效壓強條件下制取的Bi薄膜表面各種島、臺階密度顯著增加，在其上生長InSb會導(dǎo)致出現(xiàn)Sb極性倒反疇，其它類型生長缺陷出現(xiàn)的概率也將增大，影響InSb的外延生長質(zhì)量。

進一步地，所述Bi緩沖層的厚度為2-8nm。當(dāng)Bi緩沖層厚度增大時，表面粗糙度隨之增大，影響到后續(xù)InSb的生長質(zhì)量。Si晶面上Bi薄膜在臨界厚度即大于2nm時，具有自然形成原子級光滑六方對稱單晶膜的趨勢，該Bi薄膜即Bi緩沖層能與InSb晶格適配，且后續(xù)InSb薄膜在此Bi薄膜上形核時，初始表面Bi-In鍵結(jié)合的傾向性將大大高于Bi-Sb鍵，因此InSb薄膜的生長將以Bi-In-Sb…-In-Sb-堆垛方式進行(即In極性)，避免了Si與InSb之間高晶格失配，生長工藝復(fù)雜，生長出的InSb薄膜內(nèi)出現(xiàn)In極性和Sb極性倒反疇共存的可能性。而在Bi厚度低于8nm時，Bi薄膜表面才能保持原子級光滑，利于高質(zhì)量InSb的生長。

進一步地，所述步驟3)具體操作方法為：關(guān)閉Bi束流源擋板，分別升溫銦束流源與銻裂解束流源溫度至銦束流等效壓強達到3×10^-8_5×10^-8mbar，銻裂解束流等效壓強達到9×10^-8_15×10^-8mbar后，同時打開銦束流源與銻束流源擋板開始生長InSb形核層。

在對銦束流源升溫至銦束流等效壓強達到3×10^-8_5×10^-8mbar時，對銻裂解束流源升高溫度的過程中，其等效壓強達到9×10^-8_15×10^-8mbar，在銦束流源、銻裂解束流源的等效壓強達到上述范圍時，才能得到高質(zhì)量外延生長且表面形貌良好的InSb薄膜；在上述壓強范圍之外生長制備獲得的InSb薄膜表面粗糙度增加，得不到高質(zhì)量外延生長的InSb薄膜。

進一步地，所述步驟4)具體操作方法為：保持In與Sb束流不變，將生長溫度逐漸升高至200-300攝氏度，不間斷連續(xù)生長InSb薄膜，直至生長結(jié)束。

進一步地，所述InSb薄膜厚度生長大于30nm后，結(jié)束加熱并自然冷卻至室溫，即得InSb薄膜。Bi緩沖層與低溫InSb形核層上進一步生長的InSb外延層厚度大于30nm后才可使大部分生長缺陷完全弛豫，從而獲得具有高質(zhì)量原子級光滑表面形貌和低缺陷密度的薄膜。

進一步地，所述步驟3)InSb形核層在室溫下生長厚度為10nm-20nm。由于InSb最佳外延生長溫度為200℃，在此溫度Bi緩沖層將從Si(111)表面完全蒸發(fā)，因此必須首先在室溫條件下生長一層InSb形核層覆蓋Bi緩沖層再緩慢提高溫度生長InSb外延層；而室溫生長條件下，隨著生長的進行InSb形核層有演化為非晶態(tài)的趨勢，我們的研究發(fā)現(xiàn)，室溫條件下生長InSb既能保持其單晶形態(tài)又能維持較佳表面平整度的薄膜厚度值低于10nm。設(shè)置該InSb 室溫形核層的另一有益效果是可以促使生長應(yīng)力盡快釋放于該層，以有利于其后高質(zhì)量InSb外延層的生長。

進一步地，所述步驟4)中InSb形核層的生長溫度的升溫速率為10-15℃/min，進行InSb外延薄膜的生長，直至生長結(jié)束獲得InSb外延層。過快的升溫速率如大于15℃/min將導(dǎo)致InSb外延過程中熱膨脹系數(shù)失配帶來的生長應(yīng)力累積過快，從而導(dǎo)致外延層中缺陷密度增高甚至出現(xiàn)薄膜脫落等現(xiàn)象；而升溫速率過慢以致生長過程中表面吸附原子遷移率不足，將導(dǎo)致薄膜表面形貌粗糙化。我們的實驗發(fā)現(xiàn)，采用升溫速率為10℃/min將獲得最佳質(zhì)量的InSb外延層。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下的優(yōu)點和有益效果：

本發(fā)明針對InSb在Si上外延生長InSb薄膜需要克服較大的晶格失配、易形成大量的失配位錯和倒反疇缺陷等方面的核心技術(shù)難點，創(chuàng)新性地提出采用與InSb晶格相匹配的Bi超薄單晶層作為緩沖層。由于Si(111)晶面上Bi薄膜在臨界厚度以上即＞2nm時，具有自然形成六方對稱單晶膜的趨勢，因此在室溫條件下就能在Si(111)-7×7表面獲得結(jié)晶性良好且與InSb晶格常數(shù)匹配的Bi單晶緩沖層，在此Bi緩沖層表面上僅需生長厚度為10nm的低溫InSb形核層后，再適當(dāng)提高生長溫度進行InSb外延層的生長，就可獲得高表面能平整度且單一In極性的InSb單晶薄膜。

附圖說明

此處所說明的附圖用來提供對本發(fā)明實施例的進一步理解，構(gòu)成本申請的一部分，并不構(gòu)成對本發(fā)明實施例的限定。在附圖中：

圖1為Si襯底上制備InSb薄膜的工藝流程圖；

圖2為本發(fā)明實施例1制備銻化銦薄膜時Si(111)-(7×7)再構(gòu)表面的反射式高能電子衍射原位觀察結(jié)果圖；

圖3為本發(fā)明實施例1制備銻化銦薄膜時生長完超薄鉍單晶緩沖層表面的反射式高能電子衍射原位觀察結(jié)果圖；

圖4為本發(fā)明實施例1制備銻化銦薄膜時生長完銻化銦薄膜的表面的反射式高能電子衍射原位觀察結(jié)果圖；

圖5為本發(fā)明實施例1制備得到的銻化銦薄膜的X射線衍射結(jié)果圖；

圖6中a曲線為在Si襯底上按本發(fā)明實施例1制備的銻化銦薄膜晶面的X射線面內(nèi)Phi掃描衍射圖譜；圖6中b曲線為對應(yīng)的Si襯底(220)晶面的X射線面內(nèi)Phi掃描衍射圖譜；

圖7為本發(fā)明實施例1制備得到的銻化銦薄膜的STM圖像。

具體實施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，下面結(jié)合實施例和附圖，對本發(fā)明作進一步的詳細說明，本發(fā)明的示意性實施方式及其說明僅用于解釋本發(fā)明，并不作為對本發(fā)明的限定。

實施例1：

如圖1所示，本發(fā)明為一種在硅襯底上生長銻化銦薄膜的方法，包括以下操作步驟：

步驟1)：將晶面取向(111)硅襯底置于超高真空分子束外延系統(tǒng)中后，加熱至400℃，加熱去氣，至背景真空度優(yōu)于5×10^-10mbar量級，將硅襯底繼續(xù)快速加熱至1250℃，保持5秒時間，然后將溫度降低到室溫，即得Si(111)-7×7再構(gòu)表面；

步驟2)：將硅襯底溫度降低至室溫，升溫Bi束流源，Bi束流等效壓強達到2×10^-8mbar，打開Bi束流源擋板開始生長Bi緩沖層，Bi緩沖層的厚度為2nm；

步驟3)：待步驟2)中生長出Bi緩沖層后，分別升高銦束流源與銻裂解束流源溫度，關(guān)閉Bi束流源擋板，分別升溫銦束流源與銻裂解束流源溫度，至銦束流等效壓強達到3×10^-8mbar，銻裂解束流等效壓強達到9×10^-8mbar后，同時打開銦束流源與銻束流源擋板開始InSb形核層；

步驟4)：保持In與Sb束流不變，同時逐漸將生長溫度升高至200攝氏度，繼續(xù)InSb薄膜的生長，InSb薄膜生長30nm后，結(jié)束加熱并自然冷卻至室溫，即得InSb薄膜。

優(yōu)選，所述步驟4)中InSb形核層初始生長溫度為室溫。

優(yōu)選，所述步驟4)InSb形核層在室溫下生長厚度等于10nm。

優(yōu)選，所述步驟5)中InSb形核層由室溫逐漸增長至200℃的升溫速率為10℃/min。

優(yōu)選，所述硅襯底為晶面取向(111)的Si襯底，且襯底傾切角度誤差在-2°—2°之間。

在上述制備過程中，采用反射式高能電子衍射儀對樣品進行原位觀察。圖2為Si(111)-(7×7)再構(gòu)表面，圖3為生長完鉍單晶緩沖層的表面，圖4為生長完銻化銦薄膜的表面。從衍射圖反映的晶格常數(shù)變化來看，生長完鉍緩沖層時失配應(yīng)力就已得到基本釋放，而且后續(xù)生長銻化銦薄膜也是非常平整的，對應(yīng)的衍射圖案也為理想的豎條紋形狀。

通過高分辨X射線衍射(HRXRD)對制備得到的銻化銦薄膜進行了表征，θ-2θ掃描譜，如圖5所示，僅可見InSb(111)與Si(111)衍射峰，說明InSb外延膜面外結(jié)晶取向為(111)；Phi掃描譜中，如圖6所示，InSb(220)三個主要衍射峰位與襯底Si(220)三個衍射峰位重合，進一步說明該InSb薄膜為(111)取向的單晶薄膜。

進一步地，原子力顯微鏡表面形貌分析得到2μm×2μm范圍內(nèi)均方根粗糙度低于±1nm，接近InSb(111)面聚束雙原子層臺階高度，表明InSb薄膜表面為原子級光滑。對所得到的InSb(111)薄膜進行掃描隧道顯微鏡分析得到其表面呈現(xiàn)為2×2再構(gòu)，從該再構(gòu)的原子構(gòu)型特征可以判斷，所制得的InSb(111)薄膜為In極性。

圖5中數(shù)字對應(yīng)薄膜面外取向，其中橫坐標(biāo)表示2θ衍射角度，單位為度；縱坐標(biāo)表示對數(shù)化后的衍射峰強度，為探測器計數(shù)值，無單位；

圖6中a在Si襯底上制備的銻化銦薄膜(220)晶面的X射線面內(nèi)Phi掃描衍射圖譜，每隔60°有一個峰，說明InSb薄膜的面內(nèi)結(jié)構(gòu)存在兩個疇：一個是和Si(220)面具有相同方向的疇，另外一個是在Si(220)表面的沿其[220]晶向旋轉(zhuǎn)60°的疇。

圖6中縱坐標(biāo)表示衍射峰強度,橫坐標(biāo)表示掃描角度Phi，其中縱坐標(biāo)為探測器計數(shù)值，無單位，橫坐標(biāo)單位為度。

圖7為用STM掃到的InSb(111)-2×2的原子分辨圖，該表面再構(gòu)特征僅為In極性InSb(111)表面所特有，由此可以證明所制備得到的銻化銦薄膜為單一極性——In極性的。

實施例2：

本發(fā)明為一種在硅襯底上生長銻化銦薄膜的方法，包括以下操作步驟：

步驟1)：將(111)晶面取向硅襯底置于超高真空分子束外延系統(tǒng)中后，加熱至500℃，加熱去氣，至背景真空度優(yōu)于5×10^-10mbar量級，將硅襯底繼續(xù)加熱至1250℃，然后將溫度降低到室溫，即得Si(111)-7×7再構(gòu)表面；

步驟2)：將硅襯底溫度降低至室溫，升溫Bi束流，Bi束流等效壓強達到10×10^-8mbar，打開Bi束流源擋板開始生長Bi緩沖層，Bi緩沖層的厚度4nm；

步驟3)：待步驟2)中生長出Bi緩沖層后，分別升高銦束流源與銻裂解束流源溫度，關(guān)閉Bi束流源擋板，分別升溫銦束流源與銻裂解束流源溫度，至銦束流等效壓強達到4×10^-8mbar，銻裂解束流等效壓強達到12×10^-8mbar后，同時打開銦束流源與銻束流源擋板開始InSb形核層；

步驟4)：保持In與Sb束流不變，將生長溫度升高至300攝氏度，開始InSb薄膜的生長，InSb薄膜生長100nm后，結(jié)束加熱并自然冷卻至室溫，即得InSb薄膜。

實施例3：

本發(fā)明為一種在硅襯底上生長銻化銦薄膜的方法，包括以下操作步驟：

步驟1)：將(111)晶面取向硅襯底置于超高真空分子束外延系統(tǒng)中后，加熱至450℃，加熱去氣，至背景真空度優(yōu)于5×10^-10mbar量級，將硅襯底繼續(xù)加熱至1250℃，然后將溫度降低到室溫，即得Si(111)-7×7再構(gòu)表面；

步驟2)：將硅襯底溫度降低至室溫，升溫Bi束流，Bi束流等效壓強達到20×10^-8mbar，打開Bi束流源擋板開始生長Bi緩沖層，Bi緩沖層的厚度8nm；

步驟3)：待步驟2)中生長出Bi緩沖層后，分別升高銦束流源與銻裂解束流源溫度，關(guān)閉Bi束流源擋板，分別升溫銦束流源與銻裂解束流源溫度，至銦束流等效壓強達到5×10^-8mbar，銻裂解束流等效壓強達到15×10^-8mbar后，同時打開銦束流源與銻束流源擋板開始InSb形核層；

步驟4)：保持In與Sb束流不變，將生長溫度升高至250攝氏度，開始InSb薄膜的生長，InSb薄膜生長500nm后，結(jié)束加熱并自然冷卻至室溫，即得InSb薄膜。

以上所述的具體實施方式，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施方式而已，并不用于限定本發(fā)明的保護范圍，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。