專利名稱：一種Ga束流低溫輔助清理GaAs圖形襯底表面氧化物的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體材料生長處理技術(shù)，屬于半導(dǎo)體材料的外延生長技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在過去的二十幾年里，采用分子束外延或金屬有機(jī)物汽相外延技術(shù)在圖形襯底上 外延再生長新奇低維納米結(jié)構(gòu)和器件吸引了科研人員的廣泛興趣。為了保持圖形特性，外 延再生長高質(zhì)量材料要求能夠在緊鄰圖形界面的區(qū)域獲得。對于外延再生長結(jié)構(gòu)，暴露樣 品在空氣中進(jìn)行外部化學(xué)處理如光刻腐蝕等是必需的步驟。然而，任何暴露在空氣中的外 延襯底由于氧化作用在其表面都會形成一層薄的氧化層。為了獲得高質(zhì)量的外延材料，這 層氧化層在外延再生長以前必須被徹底清理掉。傳統(tǒng)上，清理GaAs表面氧化物可以通過 在過量砷束流保護(hù)下采用高溫(大于585°C )加熱的方法進(jìn)行，主要是通過發(fā)生化學(xué)反應(yīng) Ga203+4GaAs - 3Ga20丨+2A&(orAs4)丨生成揮發(fā)性的Ga2O和砷實(shí)現(xiàn)。然而由于這一化學(xué)反 應(yīng)消耗薄層GaAs襯底，采用這種清理方法去除氧化層直接導(dǎo)致清理后的GaAs襯底表面留 下很多深度達(dá)幾十納米的微型坑，使得襯底表面變得非常粗糙。平整這樣粗糙的表面通常 需要生長厚度高達(dá)幾百納米的GaAs層才能實(shí)現(xiàn)。這一缺點(diǎn)極大地阻礙了傳統(tǒng)熱清理方法 在外延再生長過程中的應(yīng)用。為了獲得光滑的襯底表面，氫輔助清理GaAs表面氧化物在外 延再生長技術(shù)中被廣泛采用。氫輔助清理過程通?？梢栽跍囟鹊瓦_(dá)400°C的條件下進(jìn)行，清 理后的GaAs襯底表面不會留下微型坑，特別光滑，因此適合用于外延再生長。然而，采用這 種方法①需要昂貴的附助設(shè)備如氫源，分子泵和分立的真空倉；②如果氫劑量控制不當(dāng)， 可能導(dǎo)致表面損傷；③氫輔助處理導(dǎo)致明顯的費(fèi)米能級表面定扎效應(yīng)；④如果操作過程不 當(dāng)，可能引起沾污問題等。為了克服上述這些缺點(diǎn)，發(fā)展一種操作簡便、設(shè)備價(jià)格低廉的氧 化物清理方法將是非常吸引人的。本發(fā)明是一種( 束流低溫輔助清理GaAs襯底表面氧化物的方法，采用低流量( 束流輻照GaAs襯底也可以在低溫下(低達(dá)420°C)有效地清理其表面氧化物并形成平坦無 坑的襯底表面。這一清理過程是在無砷保護(hù)的條件下進(jìn)行的，由于反應(yīng)僅消耗外部提供的 Ga原子和襯底表面氧化物而不消耗GaAs襯底，從而使得襯底表面特性得以完好保存。

發(fā)明內(nèi)容
在配備有Ga，Al，In, Be, Si和As裂解源爐的傳統(tǒng)分子束外延系統(tǒng)中進(jìn)行的襯底 表面氧化物清理。使用的襯底為兩英寸GaAs晶片(印i-ready)。晶片開封后，刻蝕所需圖 形，放入無銦的襯底托上并立即被傳入進(jìn)樣室進(jìn)行150°C低溫除氣，除氣時(shí)間為12個(gè)小時(shí)。 經(jīng)過初級除氣后，將晶片傳入準(zhǔn)備倉。在進(jìn)行氧化物清理實(shí)驗(yàn)前，對晶片進(jìn)行再次除氣，除 氣溫度為450°C，除氣時(shí)間長短依據(jù)準(zhǔn)備倉的真空度來決定。當(dāng)準(zhǔn)備倉真空度降到10_9毫巴 量級后，停止晶片除氣并將其傳入生長倉。氧化物清理實(shí)驗(yàn)在生長倉中進(jìn)行。清理過程包 括首先把晶片緩慢升溫到460°C -550°C范圍之間的固定溫度，然后在無砷保護(hù)的條件下，用流量固定的( 束流連續(xù)輻照GaAs襯底。這一過程誘導(dǎo)化學(xué)反應(yīng)Ga203+4(ia —3G&0丨發(fā) 生，產(chǎn)生揮發(fā)性的(ia20，進(jìn)而清理襯底表面氧化物。在實(shí)驗(yàn)中，采用6. 3X 1012atoms ^nT2 ·。 的( 束流輻照GaAs襯底，并由10千電子伏的高能電子衍射系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控整個(gè)清理過程。 襯底溫度是實(shí)驗(yàn)中的一個(gè)關(guān)鍵的實(shí)驗(yàn)參數(shù)，因此精確決定襯底溫度對理解氧化物清理過程 中發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)非常重要。采用紅外高溫儀測量襯底溫度，并用傳統(tǒng)熱清理方法的脫氧 化層溫度、InSb合金熔點(diǎn)溫度以及砷過壓保護(hù)下2X4到W4X4)表面再構(gòu)轉(zhuǎn)變溫度對襯 底溫度進(jìn)行了多重校準(zhǔn)。本發(fā)明的技術(shù)效果在于這種表面氧化物清理技術(shù)應(yīng)用于在圖形襯底上生長位置 可控InAs量子點(diǎn)并取得了較好的量子點(diǎn)光學(xué)質(zhì)量。特別是這項(xiàng)技術(shù)非常適合應(yīng)用于需要 保持良好界面特性的器件結(jié)構(gòu)外延再生長中。
具體實(shí)施例方式在( 束流輔助清理的外延襯底上生長低密度InAs量子點(diǎn)。為了盡量模擬在圖形 襯底上生長外延材料的過程，先在傳統(tǒng)熱清理的GaAs襯底上生長500納米厚GaAs緩沖層， 然后把晶片取出生長倉并用實(shí)驗(yàn)室常用的化學(xué)腐蝕液H2SO4 H2O H2O2 (1 160 8)腐 蝕去掉50納米的GaAs層。晶片腐蝕后，用去離子水徹底清洗并用干燥的氮?dú)獯蹈?。在這 一過程中，GaAs表面會形成一層厚度均勻的表面氧化層。完成這些處理后，把晶片重新傳 入分子束外延生長系統(tǒng)，徹底除氣并采用( 束流輔助清理表面氧化物后用來外延生長低 密度InAs量子點(diǎn)。量子點(diǎn)樣品結(jié)構(gòu)包括氧化層徹底清理后生長的一層厚度為15納米的 GaAs緩沖層，2. 1個(gè)分子單層厚的低密度InAs量子點(diǎn)和一層厚度為100納米的GaAs蓋帽 層。


圖1為(a)采用傳統(tǒng)熱清理方法和( 束流輔助清理方法清理GaAs襯 底表面氧化物后的襯底表面原子力顯微鏡對比圖。
權(quán)利要求
1. 一種( 束流低溫輔助清理GaAs圖形襯底表面氧化物的方法在配備有( ，Al，^1， Be, Si和As裂解源爐的傳統(tǒng)分子束外延系統(tǒng)中進(jìn)行的襯底表面氧化物清理。使用的襯底 為兩英寸GaAs晶片(印i-ready)。晶片開封后，刻蝕出所需圖形，經(jīng)處理后放入無銦的襯底 托上并立即傳入進(jìn)樣室進(jìn)行150°C低溫除氣，除氣時(shí)間為12個(gè)小時(shí)。經(jīng)過初級除氣后，將晶 片傳入準(zhǔn)備倉。在進(jìn)行氧化物清理前，對晶片進(jìn)行再次除氣，除氣溫度為450°C，當(dāng)準(zhǔn)備倉 真空度降到10_9毫巴量級后，停止晶片除氣并將其傳入生長倉。氧化物清理在生長倉中進(jìn) 行。清理過程包括首先把晶片緩慢升溫到460°C -550°C范圍之間的固定溫度，然后在無砷 保護(hù)的條件下，采用6. 3X 1012atoms ·αιΓ2 -s"1的( 束流連續(xù)輻照GaAs襯底。之后進(jìn)行低 密度量子點(diǎn)生長，結(jié)構(gòu)包括氧化層徹底清理后生長的一層厚度為15納米的GaAs緩沖層， 2. 1個(gè)分子單層厚的低密度InAs量子點(diǎn)和一層厚度為100納米的GaAs蓋帽層。
全文摘要
本發(fā)明是一種Ga束流低溫輔助清理GaAs圖形襯底表面氧化物的方法，采用低流量III族Ga束流在分子束外延中低溫輔助清理GaAs襯底表面氧化物。采用這種技術(shù)清理外延GaAs襯底，僅通過生長十幾個(gè)納米厚的GaAs緩沖層，能夠重復(fù)地獲得高質(zhì)量低密度InAs量子點(diǎn)。本發(fā)明證實(shí)了Ga束流輔助清理襯底表面氧化物技術(shù)在外延生長中具有實(shí)際可應(yīng)用性。這項(xiàng)技術(shù)在需要保持良好界面特性的器件結(jié)構(gòu)外延再生長中將具有特別的潛在應(yīng)用價(jià)值。
文檔編號H01L21/02GK102054670SQ20101050075
公開日2011年5月11日 申請日期2010年10月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月9日
發(fā)明者劉國軍, 尤明慧, 曲軼, 李占國, 李林, 李梅, 李聯(lián)合, 王勇, 王曉華, 薄報(bào)學(xué), 高欣 申請人:長春理工大學(xué)