CN100457964C - 用磁控溅射法在镓砷衬底上外延生长铟砷锑薄膜的方法 - Google Patents
用磁控溅射法在镓砷衬底上外延生长铟砷锑薄膜的方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种用磁控溅射法在镓砷衬底上外延生长铟砷锑薄膜的方法,其特征在于,包括如下步骤:1)以砷化镓单晶片为衬底;2)以用铟、砷和锑单质或含有它们的化合物按原子数比In∶As∶Sb=1∶x∶(1-x)制成的成分均匀的铟砷锑块材料为溅射靶;3)以高纯氩气为溅射气体,其气压为Ps;4)设定溅射生长时的衬底温度为Ts;5)设定溅射生长时的溅射功率为Ws;6)设定溅射生长时靶离衬底的距离为d;7)用上述的生长条件,在一台基压可小于10-3Pa的磁控溅射仪中生长铟砷锑薄膜。
Description
技术领域
本发明属于薄膜的外延生长技术领域,主要涉及半导体材料的外延生长方法。
背景技术
远红外线(λ>8μm)探测器在民用和军用上都有广泛的用途,如热成像仪、驾驶员夜视增强观察仪和各种遥感设备等。现在人们广泛应用的远红外线探测材料就只有HgxCd1-xTe一种,而HgxCd1-xTe又有稳定性和大面积均匀性差的缺点,所以人们一直在致力于寻找HgxCd1-xTe的替代材料,InAsxSb1-x是其中非常理想的一种。InAsxSb1-x的禁带宽度可随x从0.36eV变化到0.099eV(对应波长范围为3.1~12.5μm),也像HgxCd1-xTe一样有很高的载流子迁移率和低的介电常数,但它的化学稳定性好,自扩散系数低,而且III-V族半导体的外延生长和加工处理工艺相对容易并高度发达。
在砷化镓(GaAs)衬底上外延生长高质量的InAsxSb1-x薄膜是人们追求的目标,因为这样即可以大大降低探测元的成本,又能将探测元集成到集成电路中去,大幅简化探测器的结构。但是由于GaAs与InAsxSb1-x之间有很大的晶格失配(7.2%<Δa/a<14.6%),所以一般很难在GaAs衬底上生长出高质量的InAsxSb1-x外延膜。目前人们主要是用分子束外延(MBE)和低压有机金属化学气相沉积(LP-MOCVD)法来在GaAs衬底上外延生长InAsxSb1-x薄膜,但是这两种方法的设备昂贵,材料生长成本高。磁控溅射是一种常用的薄膜制备方法,其设备相对简单经济,材料生长方法简单、成本低廉,目前广泛应用于金属材料、磁性材料和功能陶瓷材料等的薄膜生长。若能用磁控溅射法在GaAs衬底上外延生长出高质量的InAsxSb1-x薄膜,对这种材料在实际中应用有很大的推动作用。
发明内容
本发明的目的在于,提供一种用磁控溅射法在镓砷衬底上外延生长铟砷锑薄膜的方法,为长波长红外探测器提供实用化的探测元材料。要求保护的发明的技术方案:
本发明一种用磁控溅射法在镓砷衬底上外延生长铟砷锑薄膜的方法,其特征在于,包括如下步骤:
1)以砷化镓单晶片为衬底;
2)以用铟、砷和锑单质或含有它们的化合物按原子数比In∶As∶Sb=1∶x∶(1-x)制成的成分均匀的铟砷锑块材料为溅射靶;
3)以高纯氩气为溅射气体,其气压为Ps;
4)设定溅射生长时的衬底温度为Ts;
5)设定溅射生长时的溅射功率为Ws;
6)设定溅射生长时靶离衬底的距离为d;
7)用上述的生长条件,在一台基压可小于10-3Pa的磁控溅射仪中生长铟砷锑薄膜。
其中生长铟砷锑薄膜的时间为0.1~20小时。
其中x的取值范围是:0<x<1。
其中Ps的取值范围是:10-3Pa<Ps<10Pa。
其中Ts的取值范围是:500K<Ts<1500K。
其中Ws的取值范围是:0W<Ws<500W。
其中d的取值范围是:0cm<d<20cm。
发明与背景技术相比所具有的有意义的效果
本发明所提供的生长方法能实现在GaAs衬底上InAsxSb1-x外延膜的外延生长,与其它常用的生长方法(如LP-MOCVD和MBE)相比,有设备相对简单经济,材料生长方法简单、成本低廉的优点。并且所生长的InAsxSb1-x外延膜表面光洁度高,与衬底的附着力强。
附图说明
为进一步说明本发明的技术内容,以下结合实施例及附图详细说明如后,其中:
图1是本发明样品的X射线衍射谱图。
具体实施方式
1、实现发明的主要设备:磁控溅射仪;
2、按照生长方法,并根据生长设备的个体情况进行适当调整;
3、靶的纯度应大于或等于99.9999%;
4、高纯氩气的纯度应大于或等于99.999%;
5、磁控溅射仪的基压应小于10-4Pa;
6、溅射气压设在0.1~0.15Pa范围内;
7、溅射生长时靶和衬底的距离设在3~5cm范围内;
8、溅射功率设在20~100W范围内;
9、衬底温度设在750K以上,应根据所生长InAsxSb1-x薄膜的成分x变动衬底温度,x越大衬底温度应越高。
本发明一种用磁控溅射法在镓砷衬底上外延生长铟砷锑薄膜的方法,其特征在于,包括如下步骤:
1)以砷化镓单晶片为衬底;
2)以用铟、砷和锑单质或含有它们的化合物按原子数比In∶As∶Sb=1∶x∶(1-x)制成的成分均匀的铟砷锑块材料为溅射靶,x的取值范围是:0<x<1;
3)以高纯氩气为溅射气体,其气压为Ps,Ps的取值范围是:10-3Pa<Ps<10Pa;
4)设定溅射生长时的衬底温度为Ts,Ts的取值范围是:500K<Ts<1500K;
5)设定溅射生长时的溅射功率为Ws,Ws的取值范围是:0W<Ws<500W;
6)设定溅射生长时靶离衬底的距离为d,d的取值范围是:0cm<d<20cm;
7)用上述的生长条件,在一台基压可小于10-3Pa的磁控溅射仪中生长铟砷锑薄膜,该生长铟砷锑薄膜的时间为0.1~20小时。
实施例
1、生长所用的主要设备:一台国产磁控溅射仪,其基压可达到3.0×10-5Pa。
2、把高纯的(99.9999%以上)单质铟(In)、单质砷(As)和单质锑(Sb)按原子数比In∶As∶Sb=1∶0.3∶0.7放入坩锅中,在高压氩气环境中熔融均匀混合,然后边搅拌边冷却,最后制成成分均匀的InAs0.3Sb0.7块材料。再用这种块材料制备一块磁控溅射仪中能用的溅射靶。
3、把上述InAs0.3Sb0.7靶装入磁控溅射仪中,把靶距调为4.0cm。在装入衬底之前先对靶进行预溅射,溅射气氛为0.13Pa的氩气(Ar),溅射功率为60W(射频源),溅射时间为1小时。
4、半绝缘GaAs衬底经过清洗腐蚀处理,除去表面污物和氧化层后,用衬托将其装入磁控溅射仪中。在通气溅射生长之前(基压的高真空环境下),先将GaAs衬底加热到700℃,并在700℃下保温5~10分钟,以进一步除去其表面的氧化层。
5、把衬底温度降至溅射生长时的温度:480℃,待衬底温度稳定后即可通气开始溅射生长,生长时的工艺条件为:溅射气氛为0.13Pa的氩气(Ar)、溅射功率为60W(射频源)。溅射生长的时间为6小时。
6、生长结束后马上降温,待衬底温度降至100℃以下后将样品取出。
生长结果:
按照上述生长方法成功地在半绝缘砷化镓单晶衬底上外延生长出了InAs0.3Sb0.7薄膜,样品的X射线衍射谱如图1所示,其衍射峰位置与用维佳定律算出的InAs0.3Sb0.7的衍射峰位置非常吻合。图中InAs0.3Sb0.7的衍射峰的半高宽比较窄,说明InAs0.3Sb0.7外延膜质量比较好,而且InAs0.3Sb0.7外延膜的表面呈镜面状,非常平整与光洁。
Claims (3)
1、一种用磁控溅射法在镓砷衬底上外延生长铟砷锑薄膜的方法,其特征在于,包括如下步骤:
1)以砷化镓单晶片为衬底;
2)以用铟、砷和锑单质或含有它们的化合物按原子数比In∶As∶Sb=1∶x∶(1-x)制成的成分均匀的铟砷锑块材料为溅射靶;
3)以高纯氩气为溅射气体,其气压为Ps,Ps的取值范围是:0.1Pa<Ps<0.15Pa;
4)设定溅射生长时的衬底温度为Ts,Ts的取值范围是:750K<Ts<1500K;
5)设定溅射生长时的溅射功率为Ws,Ws的取值范围是:20W<Ws<100W;
6)设定溅射生长时靶离衬底的距离为d,d的取值范围是:3cm<d<5cm;
7)用上述的生长条件,在一台基压小于10-4Pa的磁控溅射仪中生长铟砷锑薄膜。
2、根据权利要求1所述的用磁控溅射法在镓砷衬底上外延生长铟砷锑薄膜的方法,其特征在于,其中生长铟砷锑薄膜的时间为0.1~20小时。
3、根据权利要求1所述的用磁控溅射法在镓砷衬底上外延生长铟砷锑薄膜的方法,其特征在于,其中x的取值范围是:0<x<1。
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