一種生長在Si襯底上的GaAs薄膜的制作方法
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及GaAs薄膜，特別涉及一種生長在Si襯底上的GaAs薄膜。
【背景技術】
[0002]由于Si具有工藝成熟、價格便宜、機械強度高及易于大尺寸化等優點，在Si上外延II1-V族半導體材料，尤其是GaAs，十分有吸引力。如果能夠實現Si上高質量GaAs材料的外延生長，將能夠大幅降低GaAs太陽能電池、光電子探測器等重要半導體器件的生產成本，并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。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。
[0003]為了抑制由于晶格失配所產生的位錯及雙晶對材料性能的影響，最直接的辦法就是消除外延薄膜與襯底間的應力。消除應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。但是這種漸變結構緩沖層的生長步驟往往較為繁瑣，且很難精確控制每一層材料的成分、厚度、以及晶體質量，從而影響最終獲得的GaAs薄膜質量。因此，為了得到低缺陷密度、高質量的GaAs薄膜，就需要對緩沖層生長工藝進行優化。
【實用新型內容】
[0004]為了克服現有技術的上述缺點與不足，本實用新型的目的在于提供一種生長在Si襯底上的GaAs薄膜，晶體質量較好、表面平整。
[0005]本實用新型的目的通過以下技術方案實現:
[0006]生長在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]與現有技術相比，本實用新型具有以下優點和有益效果:
[0015](I)本實用新型通過低溫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)緩沖層應力補償緩沖層結構技術，每層低溫緩沖層在生長結束后，都經過原位退火處理，可有效改變III族原子在Si (111)的表面重構過程，抑制GaAs薄膜中雙晶的形成，提高外延膜表面的平整度。
[0016]⑵本實用新型所采用的InxGa1 xAs(0.05〈x〈0.10)/GaAs/InxGa1 xAs (0.01<x<0.05)應力補償緩沖層結構，能夠有效釋放GaAs生長過程中受到的應力，抑制失配位錯的形成，提尚GaAs外延I旲的晶體質量。
[0017](3)本實用新型的方法簡便易行，得到的產品具有緩沖層結構簡單、GaAs外延薄膜表面平整和晶體質量高等優點，便于推廣應用。
【附圖說明】
[0018]圖1為本實用新型的實施例的生長在Si襯底上的GaAs薄膜的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0019]下面結合實施例，對本實用新型作進一步地詳細說明，但本實用新型的實施方式不限于此。
[0020]實施例1
[0021]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:
[0022](I)Si(Ill)襯底清洗，具體為:
[0023]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；
[0024](2) Si (111)襯底預處理，具體為:
[0025]Si(Ill)襯底清洗完畢后，送入進樣室預除氣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
[0026](3) Si (111)襯底脫氧化膜，具體為:
[0027]Si (111)襯底進入生長室后，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:
[0029]將襯底溫度降至350°C，在反應室壓力3.0X 10 5Pa、V/III值20、生長速度0.1ML/s的條件下生長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，反應室壓力為3.0X10 5Pa0
[0032](6) GaAs緩沖層的生長:
[0033]將襯底溫度降至350°C，在反應室壓力3.0X 10 5Pa、V/III值20、生長速度0.1ML/s的條件下生長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，反應室壓力3.0X 10 5Pa0
[0036](8)第二 InxGa1 xAs緩沖層的生長:
[0037]將襯底溫度降至350°C，在反應室壓力3.0X 10 5Pa、V/III值20、生長速度0.1ML/S的條件下生長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，在反應室壓力3.0X 10 5Pa0
[0040](1)GaAs外延薄膜的生長:
[0041]將襯底溫度升至500°C，在反應室真空度為4.0X105Pa、V/III值40、生長速度0.6ML/s條件下，生長厚度為10nm的GaAs外延薄膜。
[0042]如圖1所示，生長在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]對本實施例制備的GaAs外延薄膜的進行掃描電鏡表面形貌觀察，可以看到其表面未出現金字塔型突起，表面十分平整。應用本實用新型生長出的GaAs外延薄膜，相較于用傳統方法得到的GaAs，晶體質量高，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]對本實施例制備的GaAs外延膜的進行透射電鏡截面形貌觀察，在圖中未觀察到穿透位錯，說明位錯密度被大幅降低，晶體質量得到了提高。
[0045]本實用新型中GaAs薄膜材料結構中的第一 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或者金屬有機氣相沉積技術制備。第一、第二 InxGa1 M緩沖層的厚度控制在2?20nm，生長溫度控制在300?450°C，V/III值為20?30，才通過該InxGa1 xAs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。
[0046]實施例2
[0047]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:
[0048](I)Si(Ill)襯底清洗，具體為:
[0049]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；
[0050](2) Si (111)襯底預處理，具體為:
[0051]Si(Ill)襯底清洗完畢后，送入進樣室預除氣30分鐘；再送入傳遞室400°C除氣2小時，完成除氣后送入生長室
[0052](3) Si (111)襯底脫氧化膜，具體為:
[0053]Si (111)襯底進入生長室后，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:
[0055]將襯底溫度降至500°C，在反應室壓力2.5X 10 sPa、V/III值30、生長速度0.5ML/s的條件下生長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，反應室壓力為2.5 X 10 8Pa0
[0058](6) GaAs緩沖層的生長:
[0059]將襯底溫度降至500°C，在反應室壓力2.5X 10 sPa、V/III值30、生長速度0.5ML/s的條件下生長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，反應室壓力2.5X10 8Pa0
[0062](8)第二 InxGa1 xAs緩沖層的生長:
[0063]將襯底溫度降至350?500°C，在反應室壓力2.5 X 10 8Pa, V/III值30、生長速度0.5ML/s的條件下生長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，在反應室壓力2.5 X 10 8Pa0
[0066](1)GaAs外延薄膜的生長:
[0067]將襯底溫度升至580°C，在反應室真空度為2.7X10 8Pa, V/III值60、生長速度IML/s條件下，生長厚度為100nm的GaAs外延薄膜。
[0068]本實施例制備得到生長在Si襯底上的GaAs薄膜與實施例1類似，在此不再贅述。
[0069]上述實施例為本實用新型較佳的實施方式，但本實用新型的實施方式并不受所述實施例的限制，其他的任何未背離本實用新型的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，都包含在本實用新型的保護范圍之內。
【主權項】
1.生長在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生長并在500?540 °C退火的InxGa1 xAs緩沖層，其中0.01〈x〈0.05。2.根據權利要求1所述的生長在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.根據權利要求1所述的生長在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.根據權利要求1所述的生長在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.根據權利要求1所述的生長在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】本實用新型公開了一種生長在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。本實用新型得到的GaAs薄膜晶體質量好，表面平整，對半導體器件的制備，尤其是太陽電池領域，有著積極的促進意義。
【IPC分類】H01L31/0352, H01L31/0304
【公開號】CN204834639
【申請號】CN201520572688
【發明人】李國強, 高芳亮, 溫雷, 張曙光, 李景靈
【申請人】華南理工大學
【公開日】2015年12月2日
【申請日】2015年7月30日