CN105140104A - 生长在Si衬底上的GaAs薄膜及制备方法 - Google Patents

生长在Si衬底上的GaAs薄膜及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了生长在Si衬底上的GaAs薄膜的制备方法，包括以下步骤：(1)Si衬底清洗；(2)Si衬底预处理；(3)Si衬底脱氧化膜；(4)缓冲层的生长：在350～500℃的生长温度下，在经步骤(3)处理后的Si衬底表面生长2～20nm的InxGa1-xP缓冲层，0.57<x<0.63；(5)GaAs薄膜的生长：在500～580℃的生长温度下，在InxGa1-xP缓冲层上生长GaAs薄膜。本发明的还公开了生长在Si衬底上的GaAs薄膜。本发明具有缓冲层结构简单、外延生长过程简便等优点，所获得的GaAs外延薄膜表面平整，位错密度低，晶体质量高。

Description

生长在Si衬底上的GaAs薄膜及制备方法
技术领域
本发明涉及GaAs薄膜及其制备方法，特别涉及一种生长在Si衬底上的GaAs薄膜及制备方法。
背景技术
III-V族化合物由于具有稳定性好、有效质量小、电子迁移率和峰值速度高、以及光吸收系数较高等优点，被广泛地应用于光电器件中。这其中，GaAs的带隙为1.42eV，对应于太阳光谱中能量最高的波段，因而十分适用于太阳能电池及光电探测器的制作。生长GaAs半导体器件的常用的衬底材料为GaAs或者Ge等，但这些材料价格昂贵，因而提高了GaAs基半导体材料的制备成本。而Si与GaAs及Ge相比，具有工艺成熟、价格便宜及易于大尺寸化等优点，如果能够在Si上实现高质量GaAs材料的外延生长，将有效降低GaAs基半导体器件的制造成本，同时能够实现微电子与光电子的相互结合，具有广阔的应用前景。
但是，在Si衬底上外延GaAs薄膜也存在着一些问题。一方面，Si的晶格常数比GaAs的要小，它们间具有超过4％的晶格失配，这会造成在生长时，GaAs中产生大量的失配位错，恶化器件性能。另一方面，Si衬底的表面特性，双晶、反向畴等缺陷也较为容易出现，尤其是当外延材料与衬底间存在较大的失配应力时。这些缺陷的形成会造成外延薄膜表面形成大量金字塔型或者沟壑型突起，严重影响到GaAs半导体器件的表面平整度。为此，开发适当的缓冲层工艺来释放外延薄膜与衬底间的应力，十分关键。
发明内容
为了克服现有技术的上述缺点与不足，本发明的目的在于提供一种生长在Si衬底上的GaAs薄膜的制备方法，获得了晶体质量较好、表面平整的GaAs外延薄膜，同时大幅度简化了该薄膜材料的生长工艺。
本发明的另一目的在于提供一种生长在Si衬底上的GaAs薄膜。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
生长在Si衬底上的GaAs薄膜的制备方法，包括以下步骤：
(1)Si衬底清洗；
(2)Si衬底预处理；
(3)Si衬底脱氧化膜；
(4)缓冲层的生长：在350～500℃的生长温度下，在经步骤(3)处理后的Si衬底表面生长2～20nm的InxGa1-xP缓冲层，0.57<x<0.63；
(5)GaAs薄膜的生长：在500～580℃的生长温度下，在InxGa1-xP缓冲层上生长GaAs薄膜。
步骤(4)所述缓冲层的生长，具体为：
将Si衬底温度升至350～500℃，在反应室压力3.0×10-6～2.5×10-8Pa、Ⅴ/Ⅲ值20～30、生长速度0.1～0.5ML/s的条件下生长2～20nm的InxGa1-xP缓冲层。
步骤(5)所述GaAs薄膜的生长，具体为：
将Si衬底温度升至500～580℃，在反应室真空度为4.0×10-5～2.7×10-8Pa、Ⅴ/Ⅲ值40～60、生长速度0.6～1ML/s条件下，生长GaAs外延薄膜。
步骤(1)所述Si衬底清洗，具体为：
经过丙酮、去离子水洗涤，去除衬底表面有机物；将Si衬底置于HF:H2O＝1:10溶液中超声1～10分钟，之后经去离子水清洗去除表面氧化物和有机物；清洗后的Si衬底用高纯氮气吹干。
步骤(2)所述Si衬底预处理，具体为：
Si衬底清洗完毕后，送入分子束外延进样室预除气15～30分钟；再送入传递室300～400℃除气0.5～2小时，完成除气后送入生长室。
步骤(3)所述Si衬底脱氧化膜，具体为：
Si衬底进入生长室后，将衬底温度升至950～1050℃，高温烘烤15～30分钟，除去衬底表面的氧化膜层。
生长在Si衬底上的GaAs薄膜，包括依次层叠的Si衬底、InxGa1-xP缓冲层以及GaAs薄膜，所述InxGa1-xAs缓冲层的厚度为2～20nm；其中0.57<x<0.63。
所述InxGa1-xP缓冲层的厚度为2～20nm。
所述InxGa1-xP缓冲层为在350～500℃生长的缓冲层。
所述GaAs薄膜为在500～580℃生长的GaAs薄膜。
本发明中GaAs薄膜材料结构中的InxGa1-xP(0.57<x<0.63)缓冲层和GaAs外延层都可以采用分子束外延生长或者金属有机气相沉积技术制备。其中InxGa1-xP(0.57<x<0.63)缓冲层的厚度控制在2～20nm，生长温度控制在300～450℃，Ⅴ/Ⅲ值为20～30，通过该InxGa1-xP(0.57<x<0.63)缓冲层降低由于晶格失配造成的应力，使得所制备的GaAs薄膜晶体质量高、表面形貌平整。本发明利用了晶格常数大于GaAs的InGaP为缓冲层材料，利用其在Si衬底上部分弛豫的性质，有效释放了GaAs与Si之间的失配应力，并且与传统缓冲工艺比，工序得到了大幅简化，提高了Si上GaAs的生产效率。
与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：
(1)本发明所采用的InxGa1-xP(0.57<x<0.63)缓冲层，能够有效降低GaAs生长过程中受到的应力，抑制失配位错的形成、双晶及反向畴的形成，提高GaAs外延膜的晶体质量与表面平整度。
(2)本发明使用了单层InxGa1-xP(0.57<x<0.63)缓冲层，与多层缓冲层相比，该方法大为简化了缓冲层结构以及外延生长工艺，到达可良好释放外延层中应力并抑制缺陷形成的要求，从而能获得表面形貌好、高弛豫度、晶体质量高的GaAs外延薄膜。
(3)本发明技术手段简便易行，具有缓冲层结构简单、外延生长过程简便、GaAs外延薄质量高等优点，便于推广应用。
附图说明
图1为本发明的实施例的生长在Si衬底上的GaAs薄膜的结构示意图。
图2为本发明的实施例的生长在Si衬底上的GaAs薄膜的扫描电镜表面形貌观察图。
图3为本发明的实施例的生长在Si衬底上的GaAs薄膜的(004)面X-射线摇摆曲线。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
本实施例的生长在Si衬底上的GaAs薄膜的制备方法，包括以下步骤：
(1)Si衬底清洗：经过丙酮、去离子水洗涤，去除衬底表面有机物；将Si衬底置于HF:H2O＝1:10溶液中超声1分钟，之后经去离子水清洗去除表面氧化物和有机物；清洗后的Si衬底用高纯氮气吹干；
(2)Si衬底预处理：Si衬底清洗完毕后，送入分子束外延进样室预除气15分钟；再送入传递室300℃除气0.5小时，完成除气后送入生长室；
(3)Si衬底脱氧化膜：Si衬底进入生长室后，将衬底温度升至950℃，高温烘烤15分钟，除去衬底表面的氧化膜层；
(4)缓冲层的生长：将Si衬底温度升至350℃，在反应室压力3.0×10-6Pa、Ⅴ/Ⅲ值20、生长速度0.1ML/s的条件下生长2nm的InxGa1-xP(x＝0.57)缓冲层；
(5)GaAs薄膜的生长：将Si衬底温度升至500℃，在反应室真空度为4.0×10-5Pa、Ⅴ/Ⅲ值40、生长速度0.6ML/s条件下，生长GaAs外延薄膜。
如图1所示，生长在Si衬底上的GaAs薄膜，包括依次层叠的Si衬底11、InxGa1-xP缓冲层12以及GaAs薄膜13，所述InxGa1-xAs缓冲层的厚度为2～20nm；其中0.57<x<0.63。
本实施例制备的生长在Si衬底上的GaAs薄膜的扫描电镜表面形貌观察图如图2所示，可以看到其表面十分平整。
图3为本实施例制备的生长在Si衬底上的GaAs薄膜的(004)面X-射线摇摆曲线，外延薄膜(004)面X射线摇摆曲线半峰宽为220弧秒，薄膜的晶体质量与其他工艺在Si上生长的GaAs薄膜相比处于较高水平。
由图2～3可知，应用本发明生长出的GaAs外延薄膜，相较于用传统方法得到的GaAs，晶体质量高，其(004)面X-射线摇摆曲线的半峰宽为220弧秒。并且得益于缓冲层的加入，GaAs表面几乎看不到由于双晶、反向畴所造成的突起，十分平整，均方表面粗糙度为2.4nm。
实施例2
本实施例的生长在Si衬底上的GaAs薄膜的制备方法，包括以下步骤：
(1)Si衬底清洗：经过丙酮、去离子水洗涤，去除衬底表面有机物；将Si衬底置于HF:H2O＝1:10溶液中超声10分钟，之后经去离子水清洗去除表面氧化物和有机物；清洗后的Si衬底用高纯氮气吹干；
(2)Si衬底预处理：Si衬底清洗完毕后，送入分子束外延进样室预除气30分钟；再送入传递室400℃除气2小时，完成除气后送入生长室；
(3)Si衬底脱氧化膜：Si衬底进入生长室后，将衬底温度升至1050℃，高温烘烤30分钟，除去衬底表面的氧化膜层；
(4)缓冲层的生长：将Si衬底温度升至500℃，在反应室压力2.5×10-8Pa、Ⅴ/Ⅲ值30、生长速度0.5ML/s的条件下生长20nm的InxGa1-xP(x＝0.63)缓冲层；
(5)GaAs薄膜的生长：将Si衬底温度升至500～580℃，在反应室真空度为2.7×10-8Pa、Ⅴ/Ⅲ值60、生长速度1ML/s条件下，生长GaAs外延薄膜。
本实施例制备的生长在Si衬底上的GaAs薄膜的测试结果与实施例1不同，在此不再赘述。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.生长在Si衬底上的GaAs薄膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)Si衬底清洗；
(2)Si衬底预处理；
(3)Si衬底脱氧化膜；
(4)缓冲层的生长：在350～500℃的生长温度下，在经步骤(3)处理后的Si衬底表面生长2～20nm的InxGa1-xP缓冲层，0.57<x<0.63；
(5)GaAs薄膜的生长：在500～580℃的生长温度下，在InxGa1-xP缓冲层上生长GaAs薄膜。
2.根据权利要求1所述的生长在Si衬底上的GaAs薄膜的制备方法，其特征在于，步骤(4)所述缓冲层的生长，具体为：
将Si衬底温度升至350～500℃，在反应室压力3.0×10-6～2.5×10-8Pa、Ⅴ/Ⅲ值20～30、生长速度0.1～0.5ML/s的条件下生长2～20nm的InxGa1-xP缓冲层。
3.根据权利要求1所述的生长在Si衬底上的GaAs薄膜的制备方法，其特征在于，步骤(5)所述GaAs薄膜的生长，具体为：
将Si衬底温度升至500～580℃，在反应室真空度为4.0×10-5～2.7×10-8Pa、Ⅴ/Ⅲ值40～60、生长速度0.6～1ML/s条件下，生长GaAs外延薄膜。
4.根据权利要求1所述的生长在Si衬底上的GaAs薄膜的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述Si衬底清洗，具体为：
经过丙酮、去离子水洗涤，去除衬底表面有机物；将Si衬底置于HF:H2O＝1:10溶液中超声1～10分钟，之后经去离子水清洗去除表面氧化物和有机物；清洗后的Si衬底用高纯氮气吹干。
5.根据权利要求1所述的生长在Si衬底上的GaAs薄膜的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述Si衬底预处理，具体为：
Si衬底清洗完毕后，送入分子束外延进样室预除气15～30分钟；再送入传递室300～400℃除气0.5～2小时，完成除气后送入生长室。
6.根据权利要求1所述的生长在Si衬底上的GaAs薄膜的制备方法，其特征在于，步骤(3)所述Si衬底脱氧化膜，具体为：
Si衬底进入生长室后，将衬底温度升至950～1050℃，高温烘烤15～30分钟，除去衬底表面的氧化膜层。
7.权利要求1～6任一项所述的生长在Si衬底上的GaAs薄膜的制备方法得到的生长在Si衬底上的GaAs薄膜，其特征在于，包括依次层叠的Si衬底、InxGa1-xP缓冲层以及GaAs薄膜，所述InxGa1-xAs缓冲层的厚度为2～20nm；其中0.57<x<0.63。
8.根据权利要求6所述的生长在Si衬底上的GaAs薄膜，其特征在于，所述InxGa1-xP缓冲层的厚度为2～20nm。
9.根据权利要求6所述的生长在Si衬底上的GaAs薄膜，其特征在于，所述InxGa1-xP缓冲层为在350～500℃生长的缓冲层。
10.根据权利要求6所述的生长在Si衬底上的GaAs薄膜，其特征在于，所述GaAs薄膜为在500～580℃生长的GaAs薄膜。
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