生長在Si襯底上的GaAs薄膜及制備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及GaAs薄膜及其制備方法，特別涉及一種生長在Si襯底上的GaAs薄膜及制備方法。
【背景技術】
[0002]II1-V族化合物由于具有穩定性好、有效質量小、電子迀移率和峰值速度高、以及光吸收系數較高等優點，被廣泛地應用于光電器件中。這其中，GaAs的帶隙為1.42eV，對應于太陽光譜中能量最高的波段，因而十分適用于太陽能電池及光電探測器的制作。生長GaAs半導體器件的常用的襯底材料為GaAs或者Ge等，但這些材料價格昂貴，因而提高了GaAs基半導體材料的制備成本。而Si與GaAs及Ge相比，具有工藝成熟、價格便宜及易于大尺寸化等優點，如果能夠在Si上實現高質量GaAs材料的外延生長，將有效降低GaAs基半導體器件的制造成本，同時能夠實現微電子與光電子的相互結合，具有廣闊的應用前景。
[0003]但是，在Si襯底上外延GaAs薄膜也存在著一些問題。一方面，Si的晶格常數比GaAs的要小，它們間具有超過4%的晶格失配，這會造成在生長時，GaAs中產生大量的失配位錯，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，尤其是當外延材料與襯底間存在較大的失配應力時。這些缺陷的形成會造成外延薄膜表面形成大量金字塔型或者溝壑型突起，嚴重影響到GaAs半導體器件的表面平整度。為此，開發適當的緩沖層工藝來釋放外延薄膜與襯底間的應力，十分關鍵。

【發明內容】

[0004]為了克服現有技術的上述缺點與不足，本發明的目的在于提供一種生長在Si襯底上的GaAs薄膜的制備方法，獲得了晶體質量較好、表面平整的GaAs外延薄膜，同時大幅度簡化了該薄膜材料的生長工藝。
[0005]本發明的另一目的在于提供一種生長在Si襯底上的GaAs薄膜。
[0006]本發明的目的通過以下技術方案實現:
[0007]生長在Si襯底上的GaAs薄膜的制備方法，包括以下步驟:
[0008](I) Si襯底清洗；
[0009](2) Si襯底預處理；
[0010](3) Si襯底脫氧化膜；
[0011](4)緩沖層的生長:在350?500°C的生長溫度下，在經步驟(3)處理后的Si襯底表面生長2?20nm的InxGa1 XP緩沖層，0.57〈χ〈0.63 ；
[0012](5)GaAs薄膜的生長:在500?580°C的生長溫度下，在InxGa1 XP緩沖層上生長GaAs薄膜。
[0013]步驟(4)所述緩沖層的生長，具體為:
[0014]將Si襯底溫度升至350?500°C，在反應室壓力3.0 X 10 6?2.5 X 10 8Pa, V / III值20?30、生長速度0.1?0.5ML/s的條件下生長2?20nm的InxGa1 XP緩沖層。
[0015]步驟(5)所述GaAs薄膜的生長，具體為:
[0016]將Si襯底溫度升至500?580 °C，在反應室真空度為4.0 X 10 5?2.7X10 8Pa,
V/ III值40?60、生長速度0.6?lML/s條件下，生長GaAs外延薄膜。
[0017]步驟⑴所述Si襯底清洗，具體為:
[0018]經過丙酮、去離子水洗滌，去除襯底表面有機物；將Si襯底置于HF = H2O = 1:10溶液中超聲I?10分鐘，之后經去離子水清洗去除表面氧化物和有機物；清洗后的Si襯底用高純氮氣吹干。
[0019]步驟⑵所述Si襯底預處理，具體為:
[0020]Si襯底清洗完畢后，送入分子束外延進樣室預除氣15?30分鐘；再送入傳遞室300?400°C除氣0.5?2小時，完成除氣后送入生長室。
[0021]步驟(3)所述Si襯底脫氧化膜，具體為:
[0022]Si襯底進入生長室后，將襯底溫度升至950?1050°C，高溫烘烤15?30分鐘，除去襯底表面的氧化膜層。
[0023]生長在Si襯底上的GaAs薄膜，包括依次層疊的Si襯底、InxGa1 XP緩沖層以及GaAs薄膜，所述InxGa1 M緩沖層的厚度為2?20nm ;其中0.57<x<0.63。
[0024]所述InxGa1 XP緩沖層的厚度為2?20nmo
[0025]所述InxGa1 XP緩沖層為在350?500°C生長的緩沖層。
[0026]所述GaAs薄膜為在500?580 °C生長的GaAs薄膜。
[0027]本發明中GaAs薄膜材料結構中的InxGa1 XP(0.57<x<0.63)緩沖層和GaAs外延層都可以米用分子束外延生長或者金屬有機氣相沉積技術制備。其中InxGa1 XP(0.57〈χ〈0.63)緩沖層的厚度控制在2?20nm，生長溫度控制在300?450。。，
V/III值為20?30，通過該InxGa1 XP(0.57<x<0.63)緩沖層降低由于晶格失配造成的應力，使得所制備的GaAs薄膜晶體質量高、表面形貌平整。本發明利用了晶格常數大于GaAs的InGaP為緩沖層材料，利用其在Si襯底上部分弛豫的性質，有效釋放了 GaAs與Si之間的失配應力，并且與傳統緩沖工藝比，工序得到了大幅簡化，提高了 Si上GaAs的生產效率。
[0028]與現有技術相比，本發明具有以下優點和有益效果:
[0029](I)本發明所采用的InxGa1 XP (0.57<x<0.63)緩沖層，能夠有效降低GaAs生長過程中受到的應力，抑制失配位錯的形成、雙晶及反向疇的形成，提高GaAs外延膜的晶體質量與表面平整度。
[0030](2)本發明使用了單層InxGa1 XP(0.57<x<0.63)緩沖層，與多層緩沖層相比，該方法大為簡化了緩沖層結構以及外延生長工藝，到達可良好釋放外延層中應力并抑制缺陷形成的要求，從而能獲得表面形貌好、高弛豫度、晶體質量高的GaAs外延薄膜。
[0031](3)本發明技術手段簡便易行，具有緩沖層結構簡單、外延生長過程簡便、GaAs外延薄質量高等優點，便于推廣應用。
【附圖說明】
[0032]圖1為本發明的實施例的生長在Si襯底上的GaAs薄膜的結構示意圖。
[0033]圖2為本發明的實施例的生長在Si襯底上的GaAs薄膜的掃描電鏡表面形貌觀察圖。
[0034]圖3為本發明的實施例的生長在Si襯底上的GaAs薄膜的(004)面X-射線搖擺曲線。
【具體實施方式】
[0035]下面結合實施例，對本發明作進一步地詳細說明，但本發明的實施方式不限于此。
[0036]實施例1
[0037]本實施例的生長在Si襯底上的GaAs薄膜的制備方法，包括以下步驟:
[0038](I)Si襯底清洗:經過丙酮、去離子水洗滌，去除襯底表面有機物；將Si襯底置于HFiH2O = 1:10溶液中超聲I分鐘，之后經去離子水清洗去除表面氧化物和有機物；清洗后的Si襯底用高純氮氣吹干；
[0039](2) Si襯底預處理:Si襯底清洗完畢后，送入分子束外延進樣室預除氣15分鐘；再送入傳遞室300°C除氣0.5小時，完成除氣后送入生長室；
[0040](3) S