CN1053063C - 一种硫钝化ⅲ－v族半导体材料表面的方法 - Google Patents

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Abstract

一种用氯化硫钝化Ⅲ－Ⅴ族半导体材料及器件表面的方法，已有的钝化方法时间长而且要控制温度。本发明用氯化硫处理Ⅲ－Ⅴ族半导体材料及器件，只需将半导体预清洗后，室温下将其放入氯化硫溶液中数秒至几十秒钟，取出用无水有机溶剂、丙酮、水冲洗，氮气吹干即可，本方法室温即可，条件简单，处理时间快，工艺简捷，可作为Ⅲ－Ⅴ族半导体，如GaAs、InP、InSb等半导体材料或器件的表面钝化技术。

Description

一种硫钝化Ⅲ－V族半导体材料表面的方法
本发明涉及砷化镓材料及器件的表面钝化处理。
目前较多使用的半导体硅器件，其SiO2是一种非常理想的钝化膜，Si/SiO2界面有非常低的界面态密度和良好的化学稳定性。人们曾经试图在其它半导体材料或器件上制造类似Si/SiO2的界面，但是都失败了，因此自八十年代开始人们认识到化合物半导体用自体氧化层钝化是行不通的。1987年，Sandroff等人提出了GaAs表面的硫钝化方法。他们用Na2S·9H2O溶液浸泡GaAs材料，可以使材料表面复合速度大大减少，从光致发光谱得到强度增大二个数量级。以后有人用(NH4)2S溶液浸泡也具有类似的作用。这种硫钝化方法可以除去砷化镓表面的氧化物并留下一层硫原子与砷或镓结合，饱和砷化镓的悬挂键，大大降低了表面态密度和表面复合速率。这种处理方法的缺点是处理过程时间太长，一般室温下需要十几小时，即使在60℃时，钝化过程也需30～60分钟，而且由于水溶液的作用，处理后的砷化镓表面仍然有氧存在，氧很容易破坏硫对表面的钝化作用。因此寻求快速有效的硫钝化处理方法，特别是尽可能减少氧在表面的残留，是目前硫钝化处理中需要解决的关键问题之一。处理方法，特别是尽可能减少氧在表面的残留，是目前硫钝化处理中需要解决的关键问题之一。
本发明的目的是寻求一种简单快速的III-V族半导体材料和器件表面硫钝化的方法。
本发明为将半导体材料按常规化学处理方法先作预清洗，然后室温下将其放入氯化硫溶液中浸泡3～50秒，立即用无水有机溶剂、丙酮和水冲洗，再用氮气吹干；若是处理半导体器件则室温用氯化硫溶液处理之后，立即用无水有机溶剂冲洗，再要用丙酮超声30～60秒，最后氮气吹干。
通常用的氯化硫溶液有一氯化硫和二氯化硫。
半导体材料及器件处理通常有两步，第一步是预处理，本发明中预处理方法与常规化学处理方法类似，即先在三氯乙烯中超声去蜡十分钟左右，取出吹干后再用丙酮、乙醇溶液超声十分钟左右，最后用去离子水冲洗干净，氮气吹干即可。用氯化硫溶液处理时若是纯氯化硫，则处理时间可短些，时间长了会引起样品发毛；如果用稀释的氯化硫处理，则处理时间可适当延长，适当延长时间便于操作控制。处理后要立即用无水有机溶剂冲洗，常用的无水有机溶剂有四氯化碳、三氯甲烷等。处理半导体材料可用丙酮和水冲洗，必须先用丙酮然后用水冲洗，否则水易与氯化硫中硫反应生成氧化物。处理半导体器件时，用氯化硫处理、用无水有机溶剂冲洗后要用丙酮超声，再取出用氮气吹干。半导体器件经氯化硫处理，无水有机溶剂冲洗后一定要经丙酮超声，否则器件中污物不彻底清洗出来会继续腐蚀器件表面。
如果希望适当延长氯化硫处理半导体材料或器件的时间，可将氯化硫用四氯化碳、氯仿等溶剂稀释。
本发明用氯化硫处理半导体材料或器件，用的较多的是一氯化硫或二氯化硫。
本发明方法可处理III-V族半导体，例：GaAs、InP、InSb等。
用本发明方法处理III-V族半导体材料和器件，在室温下只需几秒钟即可达到钝化效果，比用(NH4)2S或Na2S·9H2O处理效率高得多。如果用稀释氯化硫溶液还可控制钝化速率。以GaAs为例，从光致发光(PL)谱来看氯化硫的钝化效果，PL谱的强度比自然氧化砷化镓表面要大两个数量级。说明氯化硫和(NH4)2S一样，都对GaAs材料和器件有很好的钝化效果。若把用氯化硫钝化后的GaAs样品送入真空中，激光照射样品一小时，PL强度也无任何变化。经氯化硫处理的GaAs样品从俄歇电子能谱(AES)测得其表面的氧含量几乎低于俄歇测量的极限。若将经氯化硫处理的样品暴露在大气中几十分钟，或者浸泡在去离子水中四十小时，再进行AES谱测量，两者均未发现氧含量的增加。因为氯化硫对去除半导体表面氧化物非常有效，为一般含硫水溶液处理所不能比拟，且处理过的半导体表面不合氧，因此也可以把氯化硫作为半导体分子束外延前的衬底处理手段，达到去氧又钝化的效果。下表给出不同处理方法，以Ga(LMN)为标准，GaAs表面不同元素AES谱峰一峰高的相对比，从表中可以看出，用S2Cl2和(NH4)2S处理方法的硫与砷、镓的相对强度比近似相同。因此，S2Cl2处理方法和(NH4)2S处理方法生成的硫化层厚度差不多。两种方法生成的硫化层在大气中均存在再氧化问题，但是S2Cl2处理方法要简单实用得多。GaAs表面AES谱峰的相对强度比
  S   O     Ga   As
  S2Cl2处理   5.52   0     1   0.68
  (NH4)2S处理   5.56   0.34     1   0.75
  未处理   0   2.09     1   0.69
实施例1：
取10ml纯S2Cl2放入清洁、干燥的烧杯中作处理液，以1cm2大小的GaAs(100)掺杂为Te的1017cm-3的单面抛光的单晶片为被处理材料，先放入10ml三氯乙烯中超声去蜡，10分钟后取出吹干，再依次用10ml的丙酮、乙醇溶液分别超声10分钟，最后用去离子水冲洗干净，用氮气吹干，样品预处理完毕。
处理过程：用干燥清洁的镊子夹住样品，放入纯S2Cl2溶液中5秒钟，立即取出，用四氯化碳溶剂冲洗，再依次用丙酮和去离子水冲洗，最后用氮气吹干。经测试该样品的光荧光强度提高了两个数量级，表面电子能谱测得其表面氧含量低于俄歇探测极限。实施例2：
处理砷化镓器件方法基本与处理砷化镓材料相同，只是用S2Cl2处理器件后一定要用丙酮超声，将器件内污物彻底清除，先将半导体器件GaAlAs/GaAs为材料的异质结双极型台面晶体管放入S2Cl2中5秒钟，立即取出放入50毫升的CCl4溶液中清洗，再用50毫升丙酮超声半分钟，取出用氮气吹干。经测试该晶体管的β由处理前的20增至30，测试条件是注入电流Ic＝0.01mA，Ib＝0.01mA/级，用JT-2型晶体管图示仪测得。

Claims (2)

1、一种硫钝化III-V族半导体材料表面的方法，半导体材料用常规化学方法清洁处理后，然后用硫化物处理，其特征在于：将材料室温下放入氯化硫溶液中3-50秒，再用无水有机溶剂、丙酮、水冲洗然后氮气吹干。
2、一种硫钝化III-V族半导体器件的方法，其特征在于：半导体器件用常规化学方法清洗后，室温下用氯化硫溶液处理，再用无水有机溶剂冲洗，丙酮超声30-60秒，最后氮气吹干。
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US4871692A (en) * 1988-09-30 1989-10-03 Lee Hong H Passivation of group III-V surfaces

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