一種生長(zhǎng)在Si襯底上的GaAs薄膜的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及GaAs薄膜，特別涉及一種生長(zhǎng)在Si襯底上的GaAs薄膜。
【背景技術(shù)】
[0002]由于Si具有工藝成熟、價(jià)格便宜、機(jī)械強(qiáng)度高及易于大尺寸化等優(yōu)點(diǎn)，在Si上外延II1-V族半導(dǎo)體材料，尤其是GaAs，十分有吸引力。如果能夠?qū)崿F(xiàn)Si上高質(zhì)量GaAs材料的外延生長(zhǎng)，將能夠大幅降低GaAs太陽(yáng)能電池、光電子探測(cè)器等重要半導(dǎo)體器件的生產(chǎn)成本，并能夠?qū)崿F(xiàn)微電子與光電子的相互結(jié)合，具有廣闊的應(yīng)用前景。但是，在Si襯底上外延GaAs薄膜也存在著一些問(wèn)題。一方面，Si的晶格常數(shù)比GaAs的要小，它們間具有超過(guò)4%的晶格失配，這會(huì)造成在生長(zhǎng)時(shí)，GaAs中產(chǎn)生大量的失配位錯(cuò)，惡化器件性能。另一方面，Si襯底的表面特性，雙晶、反向疇等缺陷也較為容易出現(xiàn)，尤其是當(dāng)外延材料與襯底間存在較大的失配應(yīng)力時(shí)。這些缺陷的形成會(huì)造成外延薄膜表面形成大量金字塔型或者溝壑型突起，嚴(yán)重影響到GaAs半導(dǎo)體器件的表面平整度。
[0003]為了抑制由于晶格失配所產(chǎn)生的位錯(cuò)及雙晶對(duì)材料性能的影響，最直接的辦法就是消除外延薄膜與襯底間的應(yīng)力。消除應(yīng)力的常用方法是在襯底與外延薄膜間插入幾層組分漸變、厚度較厚的緩沖層。但是這種漸變結(jié)構(gòu)緩沖層的生長(zhǎng)步驟往往較為繁瑣，且很難精確控制每一層材料的成分、厚度、以及晶體質(zhì)量，從而影響最終獲得的GaAs薄膜質(zhì)量。因此，為了得到低缺陷密度、高質(zhì)量的GaAs薄膜，就需要對(duì)緩沖層生長(zhǎng)工藝進(jìn)行優(yōu)化。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0004]為了克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺點(diǎn)與不足，本實(shí)用新型的目的在于提供一種生長(zhǎng)在Si襯底上的GaAs薄膜，晶體質(zhì)量較好、表面平整。
[0005]本實(shí)用新型的目的通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):
[0006]生長(zhǎng)在Si襯底上的GaAs薄膜，包括由下至上層疊的Si (111)襯底、第一 InxGa1 xAs緩沖層、GaAs緩沖層、第二 InxGa1 xAs緩沖層和GaAs外延薄膜；
[0007]所述第一 InxGa1 xAs緩沖層為在350?500°C生長(zhǎng)并在500?540°C退火的第一InxGa1 xAs 緩沖層，其中 0.05〈x〈0.10 ；
[0008]所述GaAs緩沖層為在350?500 °C生長(zhǎng)并在500?540 °C退火的GaAs緩沖層；
[0009]所述第二 InxGa1 xAs緩沖層為在350?500 °C生長(zhǎng)并在500?540 °C的退火InxGa1 xAs 緩沖層，其 0.01〈χ〈0.05。
[0010]所述第一 InxGa1 xAs緩沖層的厚度為2?20nmo
[0011]所述GaAs緩沖層的厚度為2?20nm。
[0012]所述第二 InxGa1 xAs緩沖層的厚度為2?20nmo
[0013]所述GaAs外延薄膜的厚度為10nm?lOOOnm。
[0014]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型具有以下優(yōu)點(diǎn)和有益效果:
[0015](I)本實(shí)用新型通過(guò)低溫InxGa1 xAs (0.05<x<0.10)緩沖層、低溫GaAs緩沖層、低溫InxGa1 xAs(0.01<x<0.05)緩沖層應(yīng)力補(bǔ)償緩沖層結(jié)構(gòu)技術(shù)，每層低溫緩沖層在生長(zhǎng)結(jié)束后，都經(jīng)過(guò)原位退火處理，可有效改變III族原子在Si (111)的表面重構(gòu)過(guò)程，抑制GaAs薄膜中雙晶的形成，提高外延膜表面的平整度。
[0016]⑵本實(shí)用新型所采用的InxGa1 xAs(0.05〈x〈0.10)/GaAs/InxGa1 xAs (0.01<x<0.05)應(yīng)力補(bǔ)償緩沖層結(jié)構(gòu)，能夠有效釋放GaAs生長(zhǎng)過(guò)程中受到的應(yīng)力，抑制失配位錯(cuò)的形成，提尚GaAs外延I旲的晶體質(zhì)量。
[0017](3)本實(shí)用新型的方法簡(jiǎn)便易行，得到的產(chǎn)品具有緩沖層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、GaAs外延薄膜表面平整和晶體質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)，便于推廣應(yīng)用。
【附圖說(shuō)明】
[0018]圖1為本實(shí)用新型的實(shí)施例的生長(zhǎng)在Si襯底上的GaAs薄膜的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0019]下面結(jié)合實(shí)施例，對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步地詳細(xì)說(shuō)明，但本實(shí)用新型的實(shí)施方式不限于此。
[0020]實(shí)施例1
[0021]本實(shí)施例的生長(zhǎng)在Si襯底上的GaAs薄膜的制備方法，包括以下步驟:
[0022](I)Si(Ill)襯底清洗，具體為:
[0023]經(jīng)過(guò)丙酮、去離子水洗滌，去除襯底表面有機(jī)物；將Si襯底置于HF = H2O = 1:10溶液中超聲I分鐘，之后經(jīng)去離子水清洗去除表面氧化物和有機(jī)物；清洗后的Si襯底用高純氮?dú)獯蹈桑?br>[0024](2) Si (111)襯底預(yù)處理，具體為:
[0025]Si(Ill)襯底清洗完畢后，送入進(jìn)樣室預(yù)除氣15分鐘；再送入傳遞室300°C除氣0.5小時(shí)，完成除氣后送入生長(zhǎng)室
[0026](3) Si (111)襯底脫氧化膜，具體為:
[0027]Si (111)襯底進(jìn)入生長(zhǎng)室后，將襯底溫度升至950°C，高溫烘烤45分鐘，除去襯底表面的氧化膜層。
[0028](4)第一 InxGa1 xAs緩沖層的生長(zhǎng):
[0029]將襯底溫度降至350°C，在反應(yīng)室壓力3.0X 10 5Pa、V/III值20、生長(zhǎng)速度0.1ML/s的條件下生長(zhǎng)2nm的InxGa1 xAs緩沖層，其中x = 0.05。
[0030](5)第一 InxGa1 xAs緩沖層的原位退火:
[0031]將襯底溫度升至500°C退火lOmin，反應(yīng)室壓力為3.0X10 5Pa0
[0032](6) GaAs緩沖層的生長(zhǎng):
[0033]將襯底溫度降至350°C，在反應(yīng)室壓力3.0X 10 5Pa、V/III值20、生長(zhǎng)速度0.1ML/s的條件下生長(zhǎng)2nm GaAs緩沖層。
[0034](7) GaAs緩沖層的原位退火；
[0035]將襯底溫度升至500°C退火lOmin，反應(yīng)室壓力3.0X 10 5Pa0
[0036](8)第二 InxGa1 xAs緩沖層的生長(zhǎng):
[0037]將襯底溫度降至350°C，在反應(yīng)室壓力3.0X 10 5Pa、V/III值20、生長(zhǎng)速度0.1ML/S的條件下生長(zhǎng)2nm InxGa1 xAs緩沖層;其中x = 0.01。
[0038](9)第二 InxGa1 xAs緩沖層的原位退火:
[0039]將襯底溫度升至500°C退火lOmin，在反應(yīng)室壓力3.0X 10 5Pa0
[0040](1)GaAs外延薄膜的生長(zhǎng):
[0041]將襯底溫度升至500°C，在反應(yīng)室真空度為4.0X105Pa、V/III值40、生長(zhǎng)速度0.6ML/s條件下，生長(zhǎng)厚度為10nm的GaAs外延薄膜。
[0042]如圖1所示，生長(zhǎng)在Si襯底上的GaAs薄膜，包括由下至上層疊的Si(Ill)襯底 11、第一 InxGa1 xAs 緩沖層(0.05〈χ〈0.10)12、GaAs 緩沖層 13、第二 InxGa1 xAs 緩沖層(0.01〈χ〈0.05) 14 和 GaAs 外延薄膜 15。
[0043]對(duì)本實(shí)施例制備的GaAs外延薄膜的進(jìn)行掃描電鏡表面形貌觀察，可以看到其表面未出現(xiàn)金字塔型突起，表面十分平整。應(yīng)用本實(shí)用新型生長(zhǎng)出的GaAs外延薄膜，相較于用傳統(tǒng)方法得到的GaAs，晶體質(zhì)量高，其(111)面X-射線搖擺曲線的半峰寬為200弧秒。并且得益于緩沖層的加入，GaAs表面幾乎看不到由于雙晶所造成的金字塔形突起，表面十分平整，均方表面粗糙度為1.8nm。
[0044]對(duì)本實(shí)施例制備的GaAs外延膜的進(jìn)行透射電鏡截面形貌觀察，在圖中未觀察到穿透位錯(cuò)，說(shuō)明位錯(cuò)密度被大幅降低，晶體質(zhì)量得到了提高。
[0045]本實(shí)用新型中GaAs薄膜材料結(jié)構(gòu)中的第一 InxGa1 xAs (0.05<x<0.10)緩沖層、GaAs緩沖層、第二 InxGa1 xAs (0.01<x<0.05)緩沖層及GaAs外延層都可以采用分子束外延生長(zhǎng)或者金屬有機(jī)氣相沉積技術(shù)制備。第一、第二 InxGa1 M緩沖層的厚度控制在2?20nm，生長(zhǎng)溫度控制在300?450°C，V/III值為20?30，才通過(guò)該InxGa1 xAs緩沖層降低由于晶格失配造成的應(yīng)力，使得所制備的GaAs薄膜晶體質(zhì)量高、表面形貌平整。
[0046]實(shí)施例2
[0047]本實(shí)施例的生長(zhǎng)在Si襯底上的GaAs薄膜的制備方法，包括以下步驟:
[0048](I)Si(Ill)襯底清洗，具體為:
[0049]經(jīng)過(guò)丙酮、去離子水洗滌，去除襯底表面有機(jī)物；將Si襯底置于HF = H2O = 1:10溶液中超聲10分鐘，之后經(jīng)去離子水清洗去除表面氧化物和有機(jī)物；清洗后的Si襯底用高純氮?dú)獯蹈桑?br>[0050](2) Si (111)襯底預(yù)處理，具體為:
[0051]Si(Ill)襯底清洗完畢后，送入進(jìn)樣室預(yù)除氣30分鐘；再送入傳遞室400°C除氣2小時(shí)，完成除氣后送入生長(zhǎng)室
[0052](3) Si (111)襯底脫氧化膜，具體為:
[0053]Si (111)襯底進(jìn)入生長(zhǎng)室后，將襯底溫度升至1050°C，高溫烘烤60分鐘，除去襯底表面的氧化膜層。
[0054](4)第一 InxGa1 xAs緩沖層的生長(zhǎng):
[0055]將襯底溫度降至500°C，在反應(yīng)室壓力2.5X 10 sPa、V/III值30、生長(zhǎng)速度0.5ML/s的條件下生長(zhǎng)20nm的InxGa1 xAs緩沖層，其中x = 0.10。
[0056](5)第一 InxGa1 xAs緩沖層的原位退火:
[0057]將襯底溫度升至500?540°C退火20min，反應(yīng)室壓力為2.5 X 10 8Pa0
[0058](6) GaAs緩沖層的生長(zhǎng):
[0059]將襯底溫度降至500°C，在反應(yīng)室壓力2.5X 10 sPa、V/III值30、生長(zhǎng)速度0.5ML/s的條件下生長(zhǎng)20nm GaAs緩沖層。
[0060](7) GaAs緩沖層的原位退火；
[0061]將襯底溫度升至540°C退火20min，反應(yīng)室壓力2.5X10 8Pa0
[0062](8)第二 InxGa1 xAs緩沖層的生長(zhǎng):
[0063]將襯底溫度降至350?500°C，在反應(yīng)室壓力2.5 X 10 8Pa, V/III值30、生長(zhǎng)速度0.5ML/s的條件下生長(zhǎng)20nm InxGa1 xAs緩沖層;其中x = 0.05。
[0064](9)第二 InxGa1 xAs緩沖層的原位退火:
[0065]將襯底溫度升至540°C退火20min，在反應(yīng)室壓力2.5 X 10 8Pa0
[0066](1)GaAs外延薄膜的生長(zhǎng):
[0067]將襯底溫度升至580°C，在反應(yīng)室真空度為2.7X10 8Pa, V/III值60、生長(zhǎng)速度IML/s條件下，生長(zhǎng)厚度為100nm的GaAs外延薄膜。
[0068]本實(shí)施例制備得到生長(zhǎng)在Si襯底上的GaAs薄膜與實(shí)施例1類似，在此不再贅述。
[0069]上述實(shí)施例為本實(shí)用新型較佳的實(shí)施方式，但本實(shí)用新型的實(shí)施方式并不受所述實(shí)施例的限制，其他的任何未背離本實(shí)用新型的精神實(shí)質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡(jiǎn)化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.生長(zhǎng)在Si襯底上的GaAs薄膜，其特征在于，包括由下至上層疊的Si(111)襯底、第一 InxGa1 xAs緩沖層、GaAs緩沖層、第二 InxGa1 xAs緩沖層和GaAs外延薄膜； 所述第一 InxGa1 xAs緩沖層為在350?500 °C生長(zhǎng)并在500?540 °C退火的第一InxGa1 xAs 緩沖層，其中 0.05〈x〈0.10 ； 所述GaAs緩沖層為在350?500 °C生長(zhǎng)并在500?540 °C退火的GaAs緩沖層； 所述第二 InxGa1 xAs緩沖層為在350?500 °C生長(zhǎng)并在500?540 °C退火的InxGa1 xAs緩沖層，其中0.01〈x〈0.05。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的生長(zhǎng)在Si襯底上的GaAs薄膜，其特征在于，所述第一InxGa1 xAs緩沖層的厚度為2?20nmo3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的生長(zhǎng)在Si襯底上的GaAs薄膜，其特征在于，所述GaAs緩沖層的厚度為2?20nmo4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的生長(zhǎng)在Si襯底上的GaAs薄膜，其特征在于，所述第二InxGa1 xAs緩沖層的厚度為2?20nmo5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的生長(zhǎng)在Si襯底上的GaAs薄膜，其特征在于，所述GaAs外延薄膜的厚度為10nm?100nm0
【專利摘要】本實(shí)用新型公開(kāi)了一種生長(zhǎng)在Si襯底上的GaAs薄膜，包括由下至上層疊的Si(111)襯底、第一InxGa1-xAs緩沖層、GaAs緩沖層、第二InxGa1-xAs緩沖層和GaAs外延薄膜。本實(shí)用新型得到的GaAs薄膜晶體質(zhì)量好，表面平整，對(duì)半導(dǎo)體器件的制備，尤其是太陽(yáng)電池領(lǐng)域，有著積極的促進(jìn)意義。
【IPC分類】H01L31/0352, H01L31/0304
【公開(kāi)號(hào)】CN204834639
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201520572688
【發(fā)明人】李國(guó)強(qiáng), 高芳亮, 溫雷, 張曙光, 李景靈
【申請(qǐng)人】華南理工大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年12月2日
【申請(qǐng)日】2015年7月30日