CN105513948B - 一种砷化镓材料表面的改性方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种新的GaAs材料表面改性的方法，能够稳定可靠地减少GaAs材料表面的缺陷、降低表面氧化的可能性、简化工艺步骤。该改性方法包括以下步骤：(1)将待处理的砷化镓材料置于真空腔室内，抽真空后通入惰性气体，在射频源的作用下形成稳定的等离子体进行物理清洁；(2)抽真空，然后向所述真空腔室通入腐蚀性气体，在射频源的作用下形成稳定的等离子体与材料表面的氧化层发生化学反应从而对砷化镓材料表面进行化学清洗，去除材料表面原有的氧化层和杂质并形成富Ga的材料表面；(3)抽真空，然后向所述真空腔室通入氮气，在射频源的作用下形成稳定的等离子体与富Ga的材料表面反应生成GaN材料钝化层。

Description

一种砷化镓材料表面的改性方法
技术领域
本发明涉及一种砷化镓材料表面的改性方法。
背景技术
GaAs是一种非常重要的III-V族半导体化合物材料，用砷化镓制成的半导体器件具有高温、低温性能好、噪声小、抗辐射能力强等优点。同时，GaAs材料在室温下的电子迁移率为8000cm2/v*s，是相同温度下Si材料电子迁移率的约六倍，这为GaAs材料制作高频电子器件提供了基础。另外，GaAs材料是直接带隙半导体材料，因此，它还是理想的光电子材料。
虽然GaAs材料有很多的优点，但它自身也存在一些问题，这与GaAs材料的极性有关。比如其表面的缺陷密度远大于Si材料，这就使得杂质很容易在表面上粘附，同时也使金属离子在缺陷处的聚集变得更加容易，从而造成对器件的破坏。同时，GaAs表面容易被氧化，形成很高的表面态和界面态密度，这些缺陷态是形成费米能级钉扎(pinning)的重要原因，它造成表面处具有很高的复合速率。这些问题改变了GaAs材料的性能，影响了其稳定性。
为了解决上述问题，研究人员发明了多种GaAs的表面改性方法，其主要过程是去除GaAs表面的自然氧化层并在其表面制备一层稳定的薄膜。该薄膜主要的作用有两点，一是在界面处形成足够的势垒，阻止材料内部的载流子达到界面，形成界面态；二是将半导体材料表面与外界环境隔离，使其不受空气中水分、氧气和温度的影响。
目前，应用较为广泛的GaAs表面改性技术为硫钝化技术。硫钝化技术属于湿法处理技术，通常是采用Na2S或NH4S溶液，GaAs表面与溶液中的硫离子接触后，表面的悬挂键与硫离子相结合。但这类方法各自存在一定的缺点：Na2S溶液中的Na金属离子容易粘附在GaAs表面形成沾污。而NH4离子反应物则不宜控制，会造成空气污染和毒害。更为关键的是，硫钝化后效果往往不稳定，特别是在有氧的大气环境和光照的条件下，会导致钝化效果的失效。
为提高钝化效果的稳定性，复旦大学的研究团队提出采用真空环境下沉积硫化镓化合物的方法。该种方法主要是在硫钝化处理过的GaAs表面制备一层保护膜，使钝化表面与光照和氧化环境隔离。这种方法虽然解决了钝化的稳定性，但工艺技术较繁琐，需要结合湿法钝化和薄膜沉积技术来完成。
另外一种较常用的钝化方法是基于Si材料的干法钝化技术，该种方法主要是利用溅射的方法，在预处理过的GaAs表面生长一层薄膜Si材料。该种方法避免了湿法钝化中稳定性和环境污染的问题，但预处理过程中引入的表面缺陷较大，且形成的Si薄膜为多晶材料，这就造成工艺精度的控制难度大，重复性较差。
发明内容
为了克服上述GaAs表面改性技术存在的缺陷，本发明提出了一种新的GaAs材料表面改性的方法，能够稳定可靠地减少GaAs材料表面的缺陷、降低表面氧化的可能性、简化工艺步骤。
本发明的方案如下：
一种砷化镓材料表面的改性方法，包括以下步骤：
(1)将待处理的砷化镓材料置于真空腔室内，抽真空后通入惰性气体，在射频源的作用下形成稳定的等离子体进行物理清洁；
(2)抽真空，然后向所述真空腔室通入腐蚀性气体，在射频源的作用下形成稳定的等离子体与材料表面的氧化层发生化学反应从而对砷化镓材料表面进行化学清洗，去除材料表面原有的氧化层和杂质并形成富Ga的材料表面；
(3)抽真空，然后向所述真空腔室通入氮气，在射频源的作用下形成稳定的等离子体与步骤(2)形成的富Ga的材料表面反应生成GaN材料钝化层。
以上步骤(1)的物理清洁和步骤(2)的化学清洗具体还可以交替进行多个周期，再进行步骤(3)。
以上步骤(3)可采用磁控溅射技术或等离子体增强化学沉积技术，使氮气电离成离子状态与材料表面的Ga离子反应，形成稳定的GaN材料薄层。
上述腐蚀性气体优选NH3，CCl2F2或者H2S。
以上步骤(2)在通入腐蚀性气体的同时，还混合通入占更大比重的其他气体以补充腔内气压，所述其他气体为惰性气体、氧气或者氮气。
本发明具有以下优点：
1、在同一真空环境内完成材料表面清洗(吸附杂质和氧化层去除)和钝化过程，实现了两个工艺过程的无缝衔接，很大程度上简化了工艺步骤，并避免材料清洁后再次接触空气造成的二次玷污。
2、真空腔内形成氮离子氛围，与Ga+结合形成化学性质稳定的GaN薄膜(钝化层)，具有良好的可控性和稳定性，能够有效隔离杂质和空气中的氧气和水分子。
附图说明
图1为本发明的流程示意图。
图2为实施例一的相关性能测试结果。
图3为实施例二的相关性能测试结果。
具体实施方式
如图1所示，将GaAs晶圆放入真空腔室内抽真空，通入惰性气体在射频源的作用下形成稳定的等离子体，对材料表面进行物理轰击去除表面吸附的杂质和水分，然后向真空腔中通入腐蚀性气体，腐蚀性气体是指NH3，CCl2F2气体，H2S气体等，通过腐蚀性气体的化学刻蚀和吸收作用，去除GaAs表面原有的氧化层，解决GaAs表面的清洁度问题。其中，在通入腐蚀性气体的同时，还混合通入占更大比重的其他气体以补充腔内气压，这也是考虑了腔内气压的稳定有利于工艺的重复性，同时，这种通入混合气体的方式有助于对腐蚀性气体流量的精确控制。通过腐蚀气体种类和与前述其他气体的组合比例的选择，可以控制腐蚀后GaAs表面的Ga和As元素的含量比；
清洁工艺完成后，对真空腔室抽真空，通入惰性气体在射频源的作用下形成稳定的等离子体，然后通入含氮气体对材料表面进行钝化。含氮反应气体在射频功率的作用下发生化学键断裂，在真空腔内形成氮离子氛围，随后，氮离子将与材料表面的Ga+结合形成GaN薄膜。通过时间和射频功率的控制，可以控制GaN薄膜的厚度范围。
实施例一
步骤1、将GaAs半导体激光器bar条放入真空腔内，抽真空。
步骤2、向真空腔注入Ar气30-100sccm。
步骤3、待真空腔室气压稳定在20-50mtorr后，施加射频功率10-70W。
步骤4、10-20min后，停止施加射频功率，停止通入Ar气，抽真空至2*10^-4mtorr。
步骤5、向真空腔室通入Ar气和NH3气(即腐蚀性气体)的混合气体，其中Ar气20-50sccm，NH3气20-70sccm。
步骤6、待腔室气压稳定在20-50mtorr后，施加射频功率10-50W。
步骤7、5-10min后，停止施加射频功率，停止通入Ar气和NH3气，抽真空至2*10^- 4mtorr。
步骤8、向真空腔室通入N2气，流量为30-100sccm。
步骤9、待真空腔室气压稳定在20-50mtorr后，施加射频功率10-50W。
步骤10、5-10min后，停止施加射频功率，停止通入N2气。至此，即完成砷化镓材料表面的改性。
步骤11、继续在真空腔内生长增透膜。
步骤12、在bar条的后腔面生长高反膜。
图2是本发明方法处理过的bar条输出特性与简单Ar气预处理后bar条输出特性的对比。
可以看出，经过表面处理的bar条输出功率达到308W，只是通过Ar气预处理的bar条最大输出功率为106W，且当工作电流增加至276A时，器件出现了腔面的光学灾变损伤现象。因此，可以推定，本方法减少了GaAs材料表面的缺陷，形成了稳定的GaN薄膜(钝化层)，从而能够有效隔离杂质和空气中的氧气和水分子。
实施例二
步骤1、将GaAs外延片放入真空腔内，抽真空。
步骤2、向真空腔注入Ar气30-100sccm。
步骤3、待真空腔室气压稳定在20-50mtorr后，施加射频功率10-70W。
步骤4、10-20min后，停止施加射频功率，停止通入Ar气，抽真空至2*10^-4mtorr。
步骤5、向真空腔室通入氧气和CCl2F2气(即腐蚀性气体)的混合气体，其中氧气流量范围为10-40sccm，CCl2F2气流量范围为30-100sccm。
步骤6、待腔室气压稳定在20-50mtorr后，施加射频功率10-50W。
步骤7、5-10min后，停止施加射频功率，停止通入氧气和CCl2F2气。
步骤8、向真空腔室通入N2气，流量为50-100sccm。
步骤9、待真空腔室气压稳定在20-50mtorr后，施加射频功率10-50W。
步骤10、5-10min后，停止施加射频功率，停止通入N2气。至此，即完成砷化镓材料表面的改性。
图3是本发明方法处理过的GaAs表面与简单Ar气预处理后GaAs表面光致荧光谱的对比。
在测试PL谱时我们统一将Ar离子激光器的输出功率设定为30mW，并挑选钝化前PL强度相近的样品做钝化实验。由于测得的PL谱中GaAs的本征峰越强,说明表面态密度越低,非辐射复合率越小，表面发光效率越高，所以PL谱能够直观地反应出表面氧化物的去除情况。从图可知氧气和CCl2F2处理过的GaAs表面PL谱峰强度为31个单位，Ar处理过的GaAs表面的PL谱峰强度为5个单位，前者比后者明显强度高。这说明有CCl2F2参与的表面改性过程对GaAs表面的钝化效果明显强于Ar处理。PL谱中未发现GaN的荧光光谱，这可能是由于GaN薄膜厚度过薄，无法用光致发光的实验方法进行表征。

Claims (5)

1.一种砷化镓材料表面的改性方法，包括以下步骤：
(1)将待处理的砷化镓材料置于真空腔室内，抽真空后通入惰性气体，在射频源的作用下形成稳定的等离子体进行物理清洁；
(2)抽真空，然后向所述真空腔室通入腐蚀性气体，在射频源的作用下形成稳定的等离子体与材料表面的氧化层发生化学反应从而对砷化镓材料表面进行化学清洗，去除材料表面原有的氧化层和杂质并形成富Ga的材料表面；
(3)抽真空，然后向所述真空腔室通入氮气，在射频源的作用下形成稳定的等离子体与步骤(2)形成的富Ga的材料表面反应生成GaN材料钝化层。
2.根据权利要求1所述的砷化镓材料表面的改性方法，其特征在于：步骤(1)的物理清洁和步骤(2)的化学清洗交替进行多个周期，再进行步骤(3)。
3.根据权利要求1所述的砷化镓材料表面的改性方法，其特征在于：步骤(3)是采用磁控溅射技术或等离子体增强化学沉积技术，使氮气电离成离子状态与材料表面的Ga离子反应，形成稳定的GaN材料薄层。
4.根据权利要求1所述的砷化镓材料表面的改性方法，其特征在于：所述腐蚀性气体采用NH3、CCl2F2或者H2S。
5.根据权利要求1所述的砷化镓材料表面的改性方法，其特征在于：步骤(2)在通入腐蚀性气体的同时，还混合通入占更大比重的其他气体以补充腔内气压，所述其他气体为惰性气体、氧气或者氮气。
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