CN102618922A - 一种在Si基片上外延生长GaAs薄膜的方法 - Google Patents

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李新华
文龙
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Abstract

本发明涉及一种Si基生长GaAs薄膜分子束外延的方法，使用分子束外延设备在预处理的Si(111)衬底上先自催化生长1μm的GaAs纳米柱，之后降低温度使Ga液滴固化，气-液-固机制（Vapor-Liquid-Solid,VLS机制）的外延生长停止，主要侧向外延生长，逐步形成薄膜。一定时间后固化Ga液滴被覆盖，形成表面均匀、光滑的GaAs薄膜。本发明实现了在价格便宜的Si（111）衬底上制备高质量的GaAs晶体薄膜；外延层与衬底应力很小，且界面处的位错和缺陷密度被大幅度减小；外延生长为原位生长，不需要引入其它工艺，无外部污染杂质引入，制备工艺简单。

Description

一种在Si基片上外延生长GaAs薄膜的方法
 
技术领域
    本发明涉及半导体材料技术领域，具体涉及硅(Si)基砷化镓(GaAs)薄膜分子束外延生长的工艺技术。
 
背景技术
    GaAs薄膜由于其独特的物理化学性质（直接带隙、同太阳光谱匹配的禁带宽度、高光吸收系数等）越来越受人们关注，是近些年来国内外研究的热点。GaAs薄膜以广泛应用于制作诸如太阳能电池、发光二极管等光电器件，其制备方法包括磁控溅射法、化学气相沉积法和分子束外延法等。虽然在GaAs基上生长GaAs薄膜能实现无界面位错和缺陷的高质量生长，但Ga、As元素在地球上含量较少，成本限制了其大规模应用。采用在Si基上外延生长GaAs薄膜，有利于降低成本和器件集成。然而，异质外延的GaAs薄膜与衬底Si之间存在较大的晶格失配度(4.1%)，由于晶格失配引起界面处高密度的位错，在薄膜中产生大量缺陷，影响了薄膜质量与器件性能。另外，对GaAs/Si异质外延，GaAs薄膜与衬底Si之间热膨胀系数差异会导致热失配应变和应力。为了同时消除和避免上述负面影响，人们通常采用选区外延的技术方法，但其存在工艺复杂、容易引入杂质污染的缺点。因此，获取Si基单晶外延、高质量GaAs薄膜的分子束外延生长的工艺技术具有现实的应用价值。
 
发明内容
针对上述现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种Si基GaAs薄膜分子束外延生长的方法，在保证GaAs薄膜晶体质量的同时，可降低GaAs薄膜中的应力，不引入杂质污染，工艺相对简单。
本发明为实现其目的所采取的技术方案：一种Si基生长GaAs薄膜分子束外延的方法，包括下述步骤：
（1）、选取Si(111)衬底，并对Si（111）衬底清洗；
（2）、将清洗后的Si（111）衬底在上制备Ga液滴，制备温度为620至640℃，Ga束流为2×10-7Torr，生长时间为25-35min；
（3）、在Si（111）衬底上自催化生长1μm的纳米柱；自催化温度为540至560℃，Ga束流为1.5×10-7Torr，As 束流为2×10-6Torr，生长时间为10-20min分钟；
（4）、温度降至380-420℃使Ga液滴固化， Ga束流为1.5×10-7Torr，As 束流为2×10-6Torr，生长时间为80-100 min，生长形成GaAs薄膜。
    在步骤（1）中，采用丙酮对所述Si（111）衬底超声清洗4-6min1-3次，之后使用乙醇超声清洗4-6min1-3次，再用去离子水清洗两次，用氮气吹干，快速放入真空室。
在步骤（3）中，可借助反射式高能电子衍射仪(RHEED)观察Si（111）衬底表面来确定是否生长成有序纳米柱。
在步骤（4）中，降低温度使Ga液滴固化，气-液-固机制（Vapor-Liquid-Solid, VLS机制）的外延生长停止，其主要进行侧向外延生长，生长形成高质量GaAs薄膜。
本发明使用分子束外延设备在预处理的Si（111）衬底上先自催化生长1μm的GaAs纳米柱，之后降低温度使Ga液滴固化，气-液-固机制（Vapor-Liquid-Solid, VLS机制）的外延生长停止，主要开始侧向外延生长，逐步形成薄膜。一定时间后固化Ga液滴被覆盖，形成表面均匀、光滑的GaAs薄膜。
本发明具有以下有益效果：
1）、实现了在价格便宜的Si（111）衬底上制备高质量的GaAs晶体薄膜；
2）、使用X射线双晶摇摆技术(XRC)对利用本发明制备出的GaAs薄膜的测试结果表明，双晶摇摆曲线半峰宽约为10弧秒，表明外延层与衬底应力很小，且界面处的位错和缺陷密度被大幅度减小；
3）、本发明中的外延生长为原位生长，不需要引入其它工艺，无外部污染杂质引入，制备工艺简单。                                                                           
附图说明
图1是本发明在Si（111）衬底上自催化生长1μm的纳米柱结构示意图；
图2是本发明步骤（4）中温度降至400℃生长GaAs薄膜过程结构示意图A；
图3是本发明步骤（4）中温度降至400℃生长GaAs薄膜过程结构示意图B；
图4是Si(111)衬底上，利用分子束外延生长设备制备得到的GaAs薄膜样品的SEM截面图；
图5是Si(111)衬底上，利用分子束外延生长设备制备得到的GaAs薄膜样品的XRC图。
图中：1、纳米柱，2、Si(111)衬底，3、Si基GaAs薄膜。
 
具体实施方式
如图1-3所示，本发明使用分子束外延设备在预处理的Si(111)衬底1上先自催化生长1μm的GaAs纳米柱1，之后降低温度使Ga液滴固化，VLS机制的外延生长停止，开始侧向外延生长，逐步形成薄膜。一定时间后固化Ga液滴被覆盖，形成表面均匀、光滑的GaAs薄膜，如图4所示。使用X射线双晶摇摆技术(XRC)对利用本发明制备出的GaAs薄膜的测试结果表明，双晶摇摆曲线半峰宽约为10弧秒，表明外延层与衬底应力很小，且界面处的位错和缺陷密度被大幅度减小；如图5所示。
实施步骤如下：
（1）、选取Si(111)衬底，并对Si（111）衬底清洗；采用丙酮对所述Si（111）衬底超声清洗4-6min两次，之后使用乙醇超声清洗4-6min两次，再用去离子水清洗两次，用氮气吹干，快速放入真空室。
（2）、将清洗后的Si（111）衬底在上制备Ga液滴，制备温度为620至640℃，Ga束流为2×10-7Torr，生长时间为30min；
（3）、在Si（111）衬底上自催化生长1μm的纳米柱；自催化温度为550℃，Ga束流为1.5×10-7Torr，As 束流为2×10-6Torr，生长时间为15min分钟；借助反射式高能电子衍射仪(RHEED)观察Si（111）衬底表面来确定是否生长成有序纳米柱。
（4）、温度降至400℃使Ga液滴固化， Ga束流为1.5×10-7Torr，As 束流为2×10-6Torr，生长时间为80-100 min，生长形成GaAs薄膜。在该步骤中，VLS机制的外延生长停止，其主要进行侧向外延生长，生长形成高质量GaAs薄膜。

Claims (2)

1.一种Si基生长GaAs薄膜分子束外延的方法，其特征在于：包括下述步骤：
（1）、选取Si(111)衬底，并对Si（111）衬底清洗；
（2）、将清洗后的Si（111）衬底在上制备Ga液滴，制备温度为620至640℃，Ga束流为2×10-7Torr，生长时间为25-35min；
（3）、在Si（111）衬底上自催化生长1μm的纳米柱；自催化温度为540至560℃，Ga束流为1.5×10-7Torr，As 束流为2×10-6Torr，生长时间为10-20min分钟；
（4）、温度降至380-420℃使Ga液滴固化，Ga束流为1.5×10-7Torr，As 束流为2×10-6Torr，生长时间为80-100 min，生长形成GaAs薄膜。
2. 根据权利要求1所述的Si基生长GaAs薄膜分子束外延的方法，其特征在于：在步骤（1）中，采用丙酮对所述Si（111）衬底超声清洗4-6min1-3次，之后使用乙醇超声清洗4-6min1-3次，再用去离子水清洗两次，用氮气吹干，放入真空室。
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