CN102054670A - 一种Ga束流低温辅助清理GaAs图形衬底表面氧化物的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种Ga束流低温辅助清理GaAs图形衬底表面氧化物的方法，采用低流量III族Ga束流在分子束外延中低温辅助清理GaAs衬底表面氧化物。采用这种技术清理外延GaAs衬底，仅通过生长十几个纳米厚的GaAs缓冲层，能够重复地获得高质量低密度InAs量子点。本发明证实了Ga束流辅助清理衬底表面氧化物技术在外延生长中具有实际可应用性。这项技术在需要保持良好界面特性的器件结构外延再生长中将具有特别的潜在应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及半导体材料生长处理技术，属于半导体材料的外延生长技术领域。
背景技术
在过去的二十几年里，采用分子束外延或金属有机物汽相外延技术在图形衬底上外延再生长新奇低维纳米结构和器件吸引了科研人员的广泛兴趣。为了保持图形特性，外延再生长高质量材料要求能够在紧邻图形界面的区域获得。对于外延再生长结构，暴露样品在空气中进行外部化学处理如光刻腐蚀等是必需的步骤。然而，任何暴露在空气中的外延衬底由于氧化作用在其表面都会形成一层薄的氧化层。为了获得高质量的外延材料，这层氧化层在外延再生长以前必须被彻底清理掉。传统上，清理GaAs表面氧化物可以通过在过量砷束流保护下采用高温(大于585℃)加热的方法进行，主要是通过发生化学反应Ga2O3+4GaAs→3Ga2O↑+2As2(orAs4)↑生成挥发性的Ga2O和砷实现。然而由于这一化学反应消耗薄层GaAs衬底，采用这种清理方法去除氧化层直接导致清理后的GaAs衬底表面留下很多深度达几十纳米的微型坑，使得衬底表面变得非常粗糙。平整这样粗糙的表面通常需要生长厚度高达几百纳米的GaAs层才能实现。这一缺点极大地阻碍了传统热清理方法在外延再生长过程中的应用。为了获得光滑的衬底表面，氢辅助清理GaAs表面氧化物在外延再生长技术中被广泛采用。氢辅助清理过程通常可以在温度低达400℃的条件下进行，清理后的GaAs衬底表面不会留下微型坑，特别光滑，因此适合用于外延再生长。然而，采用这种方法：①需要昂贵的附助设备如氢源，分子泵和分立的真空仓；②如果氢剂量控制不当，可能导致表面损伤；③氢辅助处理导致明显的费米能级表面定扎效应；④如果操作过程不当，可能引起沾污问题等。为了克服上述这些缺点，发展一种操作简便、设备价格低廉的氧化物清理方法将是非常吸引人的。
本发明是一种Ga束流低温辅助清理GaAs衬底表面氧化物的方法，采用低流量Ga束流辐照GaAs衬底也可以在低温下(低达420℃)有效地清理其表面氧化物并形成平坦无坑的衬底表面。这一清理过程是在无砷保护的条件下进行的，由于反应仅消耗外部提供的Ga原子和衬底表面氧化物而不消耗GaAs衬底，从而使得衬底表面特性得以完好保存。
发明内容
在配备有Ga，Al，In，Be，Si和As裂解源炉的传统分子束外延系统中进行的衬底表面氧化物清理。使用的衬底为两英寸GaAs晶片(epi-ready)。晶片开封后，刻蚀所需图形，放入无铟的衬底托上并立即被传入进样室进行150℃低温除气，除气时间为12个小时。经过初级除气后，将晶片传入准备仓。在进行氧化物清理实验前，对晶片进行再次除气，除气温度为450℃，除气时间长短依据准备仓的真空度来决定。当准备仓真空度降到10-9毫巴量级后，停止晶片除气并将其传入生长仓。氧化物清理实验在生长仓中进行。清理过程包括：首先把晶片缓慢升温到460℃-550℃范围之间的固定温度，然后在无砷保护的条件下，用流量固定的Ga束流连续辐照GaAs衬底。这一过程诱导化学反应Ga2O3+4Ga→3Ga2O↑发生，产生挥发性的Ga2O，进而清理衬底表面氧化物。在实验中，采用6.3×1012atoms·cm-2·s-1的Ga束流辐照GaAs衬底，并由10千电子伏的高能电子衍射系统实时监控整个清理过程。衬底温度是实验中的一个关键的实验参数，因此精确决定衬底温度对理解氧化物清理过程中发生的化学反应非常重要。采用红外高温仪测量衬底温度，并用传统热清理方法的脱氧化层温度、InSb合金熔点温度以及砷过压保护下2×4到c(4×4)表面再构转变温度对衬底温度进行了多重校准。
本发明的技术效果在于这种表面氧化物清理技术应用于在图形衬底上生长位置可控InAs量子点并取得了较好的量子点光学质量。特别是这项技术非常适合应用于需要保持良好界面特性的器件结构外延再生长中。
具体实施方式
在Ga束流辅助清理的外延衬底上生长低密度InAs量子点。为了尽量模拟在图形衬底上生长外延材料的过程，先在传统热清理的GaAs衬底上生长500纳米厚GaAs缓冲层，然后把晶片取出生长仓并用实验室常用的化学腐蚀液H2SO4∶H2O∶H2O2(1∶160∶8)腐蚀去掉50纳米的GaAs层。晶片腐蚀后，用去离子水彻底清洗并用干燥的氮气吹干。在这一过程中，GaAs表面会形成一层厚度均匀的表面氧化层。完成这些处理后，把晶片重新传入分子束外延生长系统，彻底除气并采用Ga束流辅助清理表面氧化物后用来外延生长低密度InAs量子点。量子点样品结构包括：氧化层彻底清理后生长的一层厚度为15纳米的GaAs缓冲层，2.1个分子单层厚的低密度InAs量子点和一层厚度为100纳米的GaAs盖帽层。
附图说明：图1为(a)采用传统热清理方法和Ga束流辅助清理方法清理GaAs衬底表面氧化物后的衬底表面原子力显微镜对比图。
Claims (1)
1.一种Ga束流低温辅助清理GaAs图形衬底表面氧化物的方法：在配备有Ga，Al，In，Be，Si和As裂解源炉的传统分子束外延系统中进行的衬底表面氧化物清理。使用的衬底为两英寸GaAs晶片(epi-ready)。晶片开封后，刻蚀出所需图形，经处理后放入无铟的衬底托上并立即传入进样室进行150℃低温除气，除气时间为12个小时。经过初级除气后，将晶片传入准备仓。在进行氧化物清理前，对晶片进行再次除气，除气温度为450℃，当准备仓真空度降到10-9毫巴量级后，停止晶片除气并将其传入生长仓。氧化物清理在生长仓中进行。清理过程包括：首先把晶片缓慢升温到460℃-550℃范围之间的固定温度，然后在无砷保护的条件下，采用6.3×1012atoms·cm-2·s-1的Ga束流连续辐照GaAs衬底。之后进行低密度量子点生长，结构包括：氧化层彻底清理后生长的一层厚度为15纳米的GaAs缓冲层，2.1个分子单层厚的低密度InAs量子点和一层厚度为100纳米的GaAs盖帽层。
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