一種低漏電流半導(dǎo)體薄膜異質(zhì)結(jié)及其制備方法
【專利摘要】一種低漏電流半導(dǎo)體薄膜異質(zhì)結(jié)及其制備方法，屬于材料【技術(shù)領(lǐng)域】。該低漏電流半導(dǎo)體薄膜異質(zhì)結(jié)是在GaAs基片上沉積鈮摻雜的鈦酸鍶作為緩沖層，然后在緩沖層上沉積鐵電氧化物薄膜，形成鐵電氧化物/NSTO緩沖層/GaAs基底異質(zhì)結(jié)薄膜結(jié)構(gòu)，其中緩沖層NSTO和鐵電氧化物薄膜均采用激光脈沖沉積法制備。本發(fā)明制得的薄膜異質(zhì)結(jié)有較低的界面態(tài)密度，良好的整流特性，較低的漏電流。
【專利說(shuō)明】一種低漏電流半導(dǎo)體薄膜異質(zhì)結(jié)及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于材料【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種低漏電流半導(dǎo)體薄膜異質(zhì)結(jié)及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]鐵電材料具有良好的鐵電性、壓電性、電光及非線性光學(xué)等特性，可以用來(lái)制備鐵電存儲(chǔ)器、相位器、傳感器等，廣泛應(yīng)用于微電子學(xué)、光電子學(xué)、集成光學(xué)和微電子機(jī)械系統(tǒng)等領(lǐng)域。隨著高質(zhì)量外延膜制備技術(shù)的逐漸成熟，使鐵電材料與半導(dǎo)體材料的兼容成為可能。隨著鐵電材料制備技術(shù)的進(jìn)步，將鐵電薄膜材料與半導(dǎo)體結(jié)合實(shí)現(xiàn)新型器件已經(jīng)成為可能。
[0003]砷化鎵(GaAs)是最為常用的半導(dǎo)體材料之一。在實(shí)際應(yīng)用中，使用砷化鎵制備的材料其電阻率比同樣使用硅、鍺制備的材料高3個(gè)數(shù)量級(jí)，因而可以用來(lái)制作集成電路襯底、紅外探測(cè)器等；同時(shí)由于其電子遷移率比硅高5?6倍，因此在制作微波器件和高速數(shù)字電路方面得到了的重要應(yīng)用。用砷化鎵制成的半導(dǎo)體器件具有高頻、高溫、低溫性能良好、噪聲小、抗輻射能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，因此越來(lái)越多的研究者期望利用GaAs來(lái)制備相關(guān)器件。特別是將GaAs與鐵電材料，如鐵酸鉍(BFO)相集成，利用鐵電材料的電光、介電可調(diào)以及壓電等特性與GaAs高遷移率、直接帶隙的特性開發(fā)出具有電光耦合、光波導(dǎo)以及多功能一體化的高頻率半導(dǎo)體器件。但是，與鐵電氧化物集成的GaAs基異質(zhì)結(jié)器件還未能發(fā)展起來(lái)。這是因?yàn)橄鄬?duì)于半導(dǎo)體工業(yè)常用的硅體系而言，GaAs半導(dǎo)體是二元化合物，其表面和界面具有更高的活性，它不能自發(fā)形成天然的化學(xué)鈍化層，因此在GaAs基片上生長(zhǎng)氧化物薄膜過(guò)程中，由于界面反應(yīng)或擴(kuò)散會(huì)導(dǎo)致很高的界面態(tài)密度，這些高密度的界面態(tài)或使費(fèi)米能級(jí)釘扎在帶隙中央或?qū)е妈F電材料中電荷直接注入半導(dǎo)體內(nèi)造成大的漏電流，嚴(yán)重阻礙了GaAs相關(guān)器件技術(shù)的發(fā)展。近年來(lái)，人們嘗試了熱氧化、陽(yáng)極氧化、溶液氧化、等離子氧化及分子束外延等方法在砷化鎵上生長(zhǎng)一層緩沖層再制備鐵電氧化物薄膜。但由于這些緩沖層都不能得到理想的化學(xué)計(jì)量比，陽(yáng)極氧化和溶液氧化還會(huì)造成基底結(jié)構(gòu)的破壞，所以仍不能滿足實(shí)際應(yīng)用的需求。因此，如何制備高性能的砷化鎵基半導(dǎo)體器件成為了人們的關(guān)注重點(diǎn)。T.E.Murphy 和 D.Chen 等(Electronic properties of ferroelectric BaTi03/Mg0capacitors on GaAs, Applied Physics Letters,2004,85(15):3208-3210,T.E.Murphy, D.Chen, J.D.Phillips)在其研究中使用氧化鎂作為緩沖層在GaAs上外延生長(zhǎng)鐵電氧化物鈦酸鋇，但是卻發(fā)現(xiàn)其材料性能強(qiáng)烈依賴于界面結(jié)構(gòu)，并且由于MgO氧空位的產(chǎn)生與擴(kuò)散導(dǎo)致界面處缺陷較多，致使材料性能不穩(wěn)定，極大地影響所制備材料的性能?；诖?，W.Huang等(Electrical properties of ferroelectric BaTi03thin film on SrTi03bufferedGaAs by laser molecular beam epitaxy, Applied Physics Letters, 2009, 94(3):032905-032905-3, ff.Huang, Z.P.ffu, and J.H.Hao)報(bào)道了一種采用鈦酸鍶(SrTiO3)作為緩沖層在GaAs基片上外延生長(zhǎng)鐵電氧化物薄膜的方法。該方法首先將腔體抽真空至5X l(T5Pa，加熱GaAs基片至600°C，采用激光分子束外延法在GaAs基片上生長(zhǎng)SrTiO3緩沖層；然后再將沉積有緩沖層的GaAs基片加熱到650°C，在流動(dòng)的IPa的氧氣氛下采用激光分子束外延法制備BaTiO3薄膜，然后在氧氣環(huán)境下退火得到外延的BaTiO3薄膜。該方法得到的薄膜相比直接外延生長(zhǎng)的鐵電薄膜性能有了一定的提高，其在室溫條件下200KV/cm條件下所測(cè)得漏電流值為2.9X10_7A，但是其界面態(tài)密度仍然較高，這影響了材料自身的鐵電性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明提供了一種低漏電流半導(dǎo)體薄膜異質(zhì)結(jié)及其制備方法，該方法得到的半導(dǎo)體薄膜異質(zhì)結(jié)具有良好的電學(xué)性能，較低的界面態(tài)密度，同時(shí)還表現(xiàn)出良好的整流特性，較低的漏電流，有利于制備性能優(yōu)良的GaAs基高頻半導(dǎo)體器件。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)方案為:
[0006]一種低漏電流半導(dǎo)體薄膜異質(zhì)結(jié)，包括GaAs基底(3)，沉積于GaAs基底上的緩沖層(2)和沉積在緩沖層(2)上的鐵電氧化物薄膜(1)，其中，所述緩沖層(2)為鈮(Nb)摻雜的鈦酸鍶(SrTiO3X
[0007]進(jìn)一步地，緩沖層(2)為2%?10%Nb摻雜的SrTi03。
[0008]一種低漏電流半導(dǎo)體薄膜異質(zhì)結(jié)的制備方法，包括以下步驟:
[0009](I )、對(duì)GaAs基片進(jìn)行表面清潔處理；
[0010](2)、將處理后的GaAs基片和Nb摻雜的SrTiO3 (NSTO)靶材固定在真空腔體內(nèi)的可旋轉(zhuǎn)的基片臺(tái)和靶臺(tái)上，將真空腔體抽真空至lX10_4Pa以下；
[0011](3)、將固定好的GaAs基片加熱到550°C -600°C ；
[0012](4)、用激光束蒸發(fā)NSTO靶材，使基片臺(tái)和靶臺(tái)以40-70轉(zhuǎn)/分的速度勻速旋轉(zhuǎn)，在GaAs基片上制備一層厚度為50nm的鈮摻雜的鈦酸鍶(NSTO)作為緩沖層(2)；
[0013](5)、將鐵電氧化物靶材固定在真空腔體內(nèi)的可旋轉(zhuǎn)靶臺(tái)上，將真空腔體抽真空至IXKT4Pa 以下；
[0014](6)、將沉積有 Nb 摻雜的 SrTiO3 (NSTO)的 GaAs 基片加熱到 580°C -620°C ；
[0015](7)、用激光束蒸發(fā)鐵電氧化物靶材，以40-70轉(zhuǎn)/分的速度勻速旋轉(zhuǎn)靶臺(tái)和基片臺(tái)，使鐵電氧化物在沉積有NSTO的GaAs基片上沉積，得到厚度為100_300nm的鐵電氧化物薄膜。
[0016]進(jìn)一步地，上述步驟(I)中對(duì)GaAs基片做表面清潔處理的過(guò)程為:首先，將GaAs基片依次分別在三氯乙烯、丙酮、酒精、去離子水中超聲清洗3-8分鐘；然后，用氫氟酸溶液(其中，HF與H2O的體積比為1:50)清洗表面，用氮?dú)獯蹈苫?，以除去基片表面的氧化層；最后將GaAs基片送入激光脈沖沉積設(shè)備的真空腔內(nèi)，用氮、氬混合離子離子刻蝕10-13分鐘。
[0017]本發(fā)明的有益效果為:
[0018]1、本發(fā)明在GaAs基底上沉積鈮摻雜的鈦酸鍶(NSTO)緩沖層，然后再在其上制備多鐵氧化物薄膜，由于在高頻條件下，砷化鎵、鈦酸鍶鈮和鐵電氧化物三者費(fèi)米能級(jí)以及真空電子勢(shì)的差異，使三者在界面接觸形成了獨(dú)特的類似兩個(gè)背靠背PN結(jié)二極管的能帶結(jié)構(gòu)，通過(guò)能帶對(duì)載流子電荷的影響，使其表現(xiàn)出良好的整流特性，降低了漏電流大小。
[0019]2、本發(fā)明得到的半導(dǎo)體薄膜異質(zhì)結(jié)介電性能隨頻率保持穩(wěn)定，在ΙΟΟΚΗζ-ΙΟΜΗζ范圍內(nèi)，介電常數(shù)高于250，滿足砷化鎵基高頻半導(dǎo)體器件的制作要求。[0020]3、本發(fā)明對(duì)GaAs基片進(jìn)行了表面清潔處理，使其形成了原子級(jí)平整的Ga原子為終結(jié)的清潔表面，避免了 GaAs表面氧化的影響，進(jìn)而降低了材料生長(zhǎng)時(shí)的界面缺陷密度，進(jìn)一步降低了漏電流大小。
[0021]4、本發(fā)明在制備過(guò)程中，采用反射高能電子衍射實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)薄膜的生長(zhǎng)過(guò)程，當(dāng)衍射花樣出現(xiàn)材料的衍射條紋時(shí)即得到外延薄膜，使用該方法能夠更加精確地控制薄膜的生長(zhǎng)，提升了薄膜的生長(zhǎng)質(zhì)量。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0022]圖1為本發(fā)明制得的異質(zhì)結(jié)的結(jié)構(gòu)示意圖。1-鐵電氧化物薄膜，2-鈮(Nb)摻雜的鈦酸鍶(NSTO)緩沖層，3-砷化鎵(GaAs)基片。
[0023]圖2為本發(fā)明實(shí)施例1制備的BFO/NSTO/GaAs異質(zhì)結(jié)的X射線衍射圖。
[0024]圖3是本發(fā)明中經(jīng)過(guò)表面清潔處理后的GaAs基片的AFM表面形貌圖。
[0025]圖4為本發(fā)明制備的BFO/NSTO/GaAs薄膜異質(zhì)結(jié)在不同溫度下測(cè)得的1-V曲線圖。其中，圖(a)、(b)、(c)分別為實(shí)施例1、2、3得到的BFO/NSTO/GaAs薄膜異質(zhì)結(jié)的1-V曲線圖。
[0026]圖5為本發(fā)明制備的BFO/NSTO/GaAs薄膜異質(zhì)結(jié)的介電常數(shù)-頻率曲線。其中，圖(a)、(b)、(c)分別為實(shí)施例1、2、3得到的BFO/NSTO/GaAs薄膜異質(zhì)結(jié)的介電常數(shù)-頻率曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0027]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明。
[0028]實(shí)施例1:一種BFO/NSTO/GaAs薄膜的制備方法，包括以下步驟:
[0029]步驟1:對(duì)GaAs基片做表面清潔處理。具體包括以下步驟:
[0030](I)在三氯乙烯溶液中超聲清洗6分鐘；
[0031](2)在丙酮溶液中超聲清洗5分鐘；
[0032](3)在酒精中超聲清洗5分鐘；
[0033](4)在去離子水中超聲清洗5分鐘；
[0034](5)用氫氟酸溶液(HF與H2O的體積為1:50)清洗，以除去表面的氧化層；
[0035](6)用N2吹干基片；
[0036](7)將基片送入激光脈沖沉積的真空腔體內(nèi)，用氮、氬混合離子離子刻蝕12分鐘，濺射功率為50mW。
[0037]步驟2:將處理后的GaAs基片和3%鈮摻雜的鈦酸鍶(NSTO)靶材固定在真空腔體內(nèi)的可旋轉(zhuǎn)的基片臺(tái)和靶臺(tái)上，將真空腔體抽真空至IX 10_4Pa，。
[0038]步驟3:加熱GaAs基片到580°C。
[0039]步驟4:用激光蒸發(fā)3%鈮摻雜的鈦酸鍶(NSTO)靶材，使靶臺(tái)和基片臺(tái)以50轉(zhuǎn)/分的速度勻速旋轉(zhuǎn)，沉積時(shí)間為20min，最終得到厚度為50nm的3%鈮(Nb)摻雜的鈦酸鍶(SrTiO3)作為緩沖層。反應(yīng)過(guò)程中，以反射高能電子衍射監(jiān)控NSTO的生長(zhǎng)過(guò)程，當(dāng)反射高能電子衍射變至條狀時(shí)，停止激光。本發(fā)明采用的激光器為氟化氪(KrF)準(zhǔn)分子激光器，波長(zhǎng)為248nm，脈沖寬度30ns，單脈沖能量50?600mJ，能量密度為8.0J/cm2。[0040] 步驟5:將鐵酸鉍(BFO)靶材放入并固定在真空腔體內(nèi)的可旋轉(zhuǎn)靶臺(tái)上，控制真空腔體內(nèi)的真空度為lX10_4Pa。
[0041 ] 步驟6:加熱沉積有NSTO的GaAs基片至600°C。
[0042]步驟7:用激光蒸發(fā)BF0，靶臺(tái)和基片臺(tái)以50轉(zhuǎn)/分的速度勻速旋轉(zhuǎn)，使BFO在基片上沉積，沉積時(shí)間為35min，最終得到厚度為120nm的BFO外延薄膜。
[0043]下面對(duì)實(shí)施例1得到的BFO/NSTO/GaAs薄膜異質(zhì)結(jié)的結(jié)構(gòu)與性能進(jìn)行分析。
[0044]圖2是本發(fā)明實(shí)施例1得到的BFO/NSTO/GaAs薄膜異質(zhì)結(jié)的X射線衍射圖。由圖可知，所制得的BFO/NSTO/GaAs薄膜異質(zhì)結(jié)的衍射譜中僅出現(xiàn)BFO (001)峰，說(shuō)明BFO薄膜沿[001]方向在GaAs基片上外延生長(zhǎng)，面外外延關(guān)系為BFO (001)//GaAs (001)。圖1說(shuō)明BFO薄膜具有良好的外延特性。
[0045]圖3為本發(fā)明中經(jīng)過(guò)表面清潔處理后的GaAs基片的AFM表面形貌圖，由圖可知，處理后的GaAs基片表面形成了原子級(jí)平整的Ga原子為終結(jié)面的清潔表面。
[0046]圖4 (a)為本發(fā)明實(shí)施例1得到的BFO/NSTO/GaAs薄膜異質(zhì)結(jié)在不同溫度下測(cè)得的I;曲線圖，從圖中可以看出室溫條件下200KV/cm處，其漏電流數(shù)值為IX 10_7A，相比其他研究中所報(bào)道的漏電流降低了近2/3，滿足存儲(chǔ)、光學(xué)器件的制作要求。
[0047]圖5 Ca)為本發(fā)明實(shí)施例1得到的BFO/NSTO/GaAs薄膜異質(zhì)結(jié)的介電常數(shù)-頻率(C-f)曲線。圖中橫坐標(biāo)Frequence表示測(cè)試所采用的測(cè)試頻率，縱坐標(biāo)Dieletricconstant表示其在測(cè)試頻率下得到的介電常數(shù)。由圖可見(jiàn)所制得薄膜在IOOKHz到IOMHz頻譜內(nèi)介電常數(shù)穩(wěn)定，約為340，達(dá)到制作砷化鎵基高頻半導(dǎo)體器件的要求。
[0048]實(shí)施例2
[0049]本實(shí)施例與實(shí)施例1的區(qū)別在于，在步驟7中BFO在基片上的沉積時(shí)間為45min，得到的BFO薄膜的厚度為160nm。
[0050]下面對(duì)實(shí)施例2得到的BFO/NSTO/GaAs薄膜異質(zhì)結(jié)的結(jié)構(gòu)與性能進(jìn)行分析。
[0051]圖4 (b)為本發(fā)明實(shí)施例2得到的BFO/NSTO/GaAs薄膜異質(zhì)結(jié)在不同溫度下測(cè)得的1-V曲線圖，從圖中可以看出室溫條件下200KV/cm處，其漏電流數(shù)值為1.2X10_7A，相比其他研究中所報(bào)道的漏電流有明顯的降低。
[0052]圖5 (b)為本發(fā)明實(shí)施例2得到的BFO/NSTO/GaAs薄膜異質(zhì)結(jié)的介電常數(shù)-頻率(C-f)曲線。由圖可見(jiàn)所制得薄膜在IOOKHz到IOMHz頻譜內(nèi)介電常數(shù)穩(wěn)定并且高于280，達(dá)到制作砷化鎵基高頻半導(dǎo)體器件的要求。
[0053]實(shí)施例3
[0054]本實(shí)施例與實(shí)施例1的區(qū)別在于，在步驟7中BFO在基片上的沉積時(shí)間為50min，得到的BFO薄膜的厚度為180nm。
[0055]下面對(duì)實(shí)施例3得到的BFO/NSTO/GaAs薄膜異質(zhì)結(jié)的結(jié)構(gòu)與性能進(jìn)行分析。
[0056]圖4 (C)為本發(fā)明實(shí)施例3得到的BFO/NSTO/GaAs薄膜異質(zhì)結(jié)在不同溫度下測(cè)得的1-V曲線圖，從圖中可以看出室溫條件下200KV/cm處，其漏電流數(shù)值為1.5X10_7A，相比其他研究中所報(bào)道的漏電流有了明顯的降低。
[0057]圖5 (C)為本發(fā)明實(shí)施例3得到的BFO/NSTO/GaAs薄膜異質(zhì)結(jié)的介電常數(shù)-頻率(C-f)曲線。由圖可見(jiàn)所制得薄膜在IOOKHz到IOMHz頻譜內(nèi)介電常數(shù)穩(wěn)定并且高于250，達(dá)到制作砷化鎵基高頻半導(dǎo)體器件的要求。
【權(quán)利要求】
1.一種低漏電流半導(dǎo)體薄膜異質(zhì)結(jié)，包括GaAs基底(3)，沉積于GaAs基底(3)上的緩沖層(2)和沉積在緩沖層(2)上的鐵電氧化物薄膜(I )，其特征在于，所述緩沖層(2)為Nb摻雜的SrTiO3。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低漏電流半導(dǎo)體薄膜異質(zhì)結(jié)，其特征在于，所述緩沖層(2)為2% ?10%Nb 摻雜的 SrTiO3。
3.一種低漏電流半導(dǎo)體薄膜異質(zhì)結(jié)的制備方法，包括以下步驟: 1)對(duì)GaAs基片進(jìn)行表面清潔處理； 2)將處理后的GaAs基片和Nb摻雜的SrTiO3靶材固定在真空腔體內(nèi)的可旋轉(zhuǎn)的基片臺(tái)和靶臺(tái)上，將真空腔體抽真空至lX10_4Pa以下； 3)將固定好的GaAs基片加熱到550°C-600°C ； 4)用激光束蒸發(fā)固定好的Nb摻雜的SrTiO3靶材，使基片臺(tái)和靶臺(tái)以40-70轉(zhuǎn)/分的速度勻速旋轉(zhuǎn)，在GaAs基片上制備一層厚度為50nm的Nb摻雜的SrTiO3作為緩沖層(2)； 5)將鐵電氧化物靶材固定在真空腔體內(nèi)的可旋轉(zhuǎn)靶臺(tái)上，將真空腔體抽真空至IX KT4Pa 以下； 6)將沉積有Nb摻雜的SrTiO3的GaAs基片加熱到580°C-620°C ； 7)用激光束蒸發(fā)鐵電氧化物靶材，以40-70轉(zhuǎn)/分的速度勻速旋轉(zhuǎn)靶臺(tái)和基片臺(tái)，使鐵電氧化物在沉積有Nb摻雜的SrTiO3的GaAs基片上沉積，得到厚度為100_300nm的鐵電氧化物薄膜。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的低漏電流半導(dǎo)體薄膜異質(zhì)結(jié)的制備方法，其特征在于，步驟O中所述對(duì)GaAs基片進(jìn)行表面清潔處理的過(guò)程為:首先，將GaAs基片依次分別在三氯乙烯、丙酮、酒精、去離子水中超聲清洗3-8分鐘；然后，用氫氟酸溶液清洗表面，其中，氫氟酸溶液中HF和H2O的體積比為1:50，用氮?dú)獯蹈苫蛔詈髮aAs基片送入激光脈沖沉積設(shè)備的真空腔內(nèi)，用氮、氬混合離子離子刻蝕10-13分鐘。
【文檔編號(hào)】H01L21/04GK103872100SQ201410098676
【公開日】2014年6月18日 申請(qǐng)日期:2014年3月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月18日
【發(fā)明者】黃文 , 楊駿玨, 曾慧中, 高關(guān)胤, 郝建華 申請(qǐng)人:電子科技大學(xué)