CN110813902A - 砷化镓光电阴极的清洗方法 - Google Patents

砷化镓光电阴极的清洗方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种砷化镓光电阴极的清洗方法，包括采用有机溶剂超声波清洗，去除阴极表面油脂；采用去离子水超声波清洗；干燥阴极表面；采用紫外臭氧清洗；采用氢氟酸刻蚀，去除阴极表面氧化物；去离子水冲洗阴极表面残留的酸；干燥阴极表面。本发明避免了强酸强碱等高危害性溶剂的使用，可有效去除砷化镓表面污染物，得到清洁效果好、量子效率高的砷化镓光电阴极。

Description

砷化镓光电阴极的清洗方法
技术领域
本发明属于半导体材料的清洗技术，具体为一种砷化镓光电阴极的清洗方法。
背景技术
砷化镓光电阴极通过将铯(Cs)和氧沉积在其高度p掺杂的表面，能够激活到负电子亲和势(NEA)状态。负电子亲和势砷化镓光电阴极具有能量分布窄、热发射小、电流密度大、量子效率高等优点，在高性能图像增强器、光电倍增管、低能电子显微镜、极化电子源、太赫兹真空器件等方面有极为广泛的应用。但砷化镓光电阴极表面很容易与空气中的碳、氧等杂质结合，生成极难去除的碳氢化合物、氧化物和有机污染物，阻碍激活过程中Cs在阴极表面的吸附，严重影响砷化镓光电阴极的优越性能。因此，一套能够去除砷化镓阴极表面污染物的清洗工艺尤为重要。
清洗是获得高性能光电阴极的重要步骤，良好的富砷表面能够以较低的退火温度，得到一个无氧无碳的洁净表面，这样可以很大程度上减少由于温度过高而引起的表面缺陷，并通过加热时砷的挥发去除表面残留的碳。目前砷化镓光电阴极的清洗工艺中，多采用酸性或碱性化学溶液配比刻蚀的方法，这些方法中使用到的强酸、强碱溶液腐蚀性极大，操作较为复杂，且对人体有很大危害。Chanlek 等人(Chanlek N,Herbert J D,Jones R M,et al.The degradation of quantum efficiency in negative electron affinityGaAs photocathodes under gas exposure[J]. Journal of Physics D:AppliedPhysics,2014,47(5):055110.)在研究残气对活化的 NEA GaAs光电阴极稳定性的影响时，使用HCl:异丙醇(IPA)＝1:10混合溶液清洗GaAs阴极表面，能够一定程度上去除表面的碳污染物和自然氧化物，但会在阴极表面残留Cl元素；Liu等人(Liu Z,Sun Y,Machuca F,etal.Preparation of clean GaAs(100)studied by synchrotron radiationphotoemission[J].Journal of Vacuum Science&Technology A Vacuum Surfaces&Films,2003,21(1):212-218.) 使用H2SO4:H2O2:H2O(4:1:100)+HCl:H2O(1:3)蚀刻工艺，这种方法可以有效清除砷化镓阴极表面的氧化物，但是此工艺较为繁琐，操作性不强，成本较高，溶液配比不当还容易造成阴极表面的粗糙度变差、刻蚀不均匀等问题。紫外臭氧清洗方法已被用于外延生长砷化镓材料前对砷化镓衬底的清洁，但是只能去除表面碳污染物，并不能获得针对光电阴极用途的无氧富砷表面。
发明内容
本发明的目的在于提供一种砷化镓光电阴极的清洗方法。
实现本发明目的的技术方案为：一种砷化镓光电阴极的清洗方法，包括以下步骤：
步骤1、将砷化镓光电阴极放入丙酮中，超声波清洗；将清洗过后的砷化镓光电阴极放入无水乙醇溶液中，超声波清洗；
步骤2、将第一步清洗后的砷化镓光电阴极取出，放入去离子水中，超声波清洗；
步骤3、对取出的阴极进行干燥处理；
步骤4、干燥后的阴极用紫外臭氧清洗；
步骤5、将臭氧后的阴极放入氢氟酸中刻蚀清洗；
步骤6、用去离子水冲洗阴极表面残留的酸；
步骤7、对取出的阴极进行干燥处理。
优选地，所使用的去离子水的电阻率均≥18.25MΩ·cm。
优选地，所述步骤1中丙酮的浓度≥99.5％，无水乙醇的浓度≥99.7％。
优选地，所述步骤1和2中超声频率为30-60KHz，超声功率为30-60W，超声温度为18-60℃，清洗时间为5-10分钟。
优选地，所述步骤4中紫外臭氧清洗温度为18-25℃，清洗时间为5-10分钟。
优选地，所述步骤5中所使用氢氟酸的浓度≥40.0％，刻蚀温度为18-25℃，刻蚀时间为5-12分钟。
优选地，所述步骤3和7中所用干燥方法为使用高纯氮气吹干，吹干温度为 40-60℃，干燥时间为1-3分钟。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：
1、本发明采用有机溶液清洗、臭氧清洗、酸性溶液刻蚀相结合的方法，能够有效去除砷化镓阴极表面的碳污染物、镓氧化物和砷氧化物，得到高度洁净的富砷表面；
2、本发明适用于砷化镓衬底片和外延片清洗，不会对砷化镓阴极的表面结构造成破坏；
3、在同等的激活条件下，采用本发明清洗方法得到的砷化镓阴极具有最高的量子效率；
4、本发明使用的化学试剂不涉及强酸强碱溶液，对人体没有危害，对环境影响小，且成本低廉、易于操作。
附图说明
图1为清洗后砷化镓阴极表面C和O的XPS分析谱图。
图2为清洗后砷化镓阴极表面Ga 3d和As 3d的XPS分析谱图。
图3为激活后砷化镓阴极样品的量子效率曲线。
具体实施方式
一种砷化镓光电阴极的清洗方法，具体步骤为：
步骤1、将砷化镓光电阴极放入丙酮中，超声波清洗；将清洗过后的砷化镓光电阴极放入无水乙醇溶液中，超声波清洗；
步骤2、将第一步清洗后的砷化镓光电阴极取出，放入去离子水中，超声波清洗；
步骤3、对取出的阴极进行干燥处理；
步骤4、干燥后的阴极用紫外臭氧清洗；
步骤5、将臭氧后的阴极放入氢氟酸中刻蚀清洗；
步骤6、用去离子水冲洗阴极表面残留的酸；
步骤7、对取出的阴极进行干燥处理。
进一步的实施例中，所使用的去离子水的电阻率均≥18.25MΩ·cm。
进一步的实施例中，所述步骤1中丙酮的浓度≥99.5％，无水乙醇的浓度≥99.7％。
进一步的实施例中，所述步骤1和2中超声频率为30-60KHz，超声功率为 30-60W，超声温度为18-60℃，清洗时间为5-10分钟。
进一步的实施例中，所述步骤4中紫外臭氧清洗温度为18-25℃，清洗时间为5-10分钟。
进一步的实施例中，所述步骤5中所使用氢氟酸的浓度≥40.0％，刻蚀温度为18-25℃，刻蚀时间为5-12分钟。
进一步的实施例中，所述步骤3和7中所用干燥方法为使用高纯氮气吹干，吹干温度为40-60℃，干燥时间为1-3分钟。
步骤(1)和(2)中，丙酮可溶解阴极表面的油污、脂肪等多种物质，乙醇可溶解丙酮，最后使用去离子水清洗，可以得到较为干净的砷化镓表面；
本发明步骤4中，紫外臭氧清洗机中的低压紫外汞灯会同时产生波长254nm 和185nm的紫外光，波长185nm的高强度UV光的光能量可以将空气中的O2分解成O3，波长254nm的UV光的光能量能将O3分解成O2和活性氧(O)。在这两种高清度紫外光的作用下，O3会持续生成和分解，活性氧也会不断生成。活性氧(O)与砷化镓表面发生氧化反应，生成镓氧化物和砷氧化物，同时产生CO2， CO，H2O等挥发性气体，气体很容易逸出阴极表面，从而清除附着在阴极表面上的有机污染物。
步骤5中使用氢氟酸刻蚀砷化镓阴极表面，可以去除镓氧化物和砷氧化物，并获得富砷的阴极表面。
本发明操作简单、成本低、实用性强，能够更大程度的去除阴极表面的碳氢化合物、镓氧化物和砷氧化物，获得干净的富砷表面。
下面结合实施例和对比例对本发明做进一步说明。
以下对比例和实施例中使用的砷化镓阴极材料为锌掺杂的p型衬底片，尺寸为11mm×11mm，均从直径2英寸的同一单晶圆片解理得到。
对比例1
(1)将砷化镓阴极(样品1)放入紫外臭氧清洗机中，在22℃温度下，臭氧清洗7分钟；
(2)将臭氧清洗后的阴极放入浓度≥40.0％的氢氟酸中刻蚀清洗，在22℃温度下，刻蚀9分钟，以去除阴极表面的氧化物；
(6)用电阻率≥18.25MΩ·cm的去离子水反复冲阴极，去除表面残留的酸；
(7)对取出的阴极进行高纯氮气吹干，吹干温度为40℃，干燥时间为2分钟；
(8)采用X射线光电子能谱(XPS)技术测试清洗后阴极表面的清洁度。
实验结果：使用XPS分析系统，对砷化镓阴极表面进行分析，如表1所示，表面C含量为13.39％，O含量为16.17％，镓氧化物(Ga2O3)含量为3.20％，砷氧化物(As2O3)含量为0.97％，As含量为10.76％。如图3所示，激活后样品1在800nm处的量子效率为10.29％。
对比例2
(1)将砷化镓阴极(样品2)依次放入浓度≥99.5％的丙酮，浓度≥99.7％的无水乙醇溶液中，采用超声波清洗器，超声频率为40KHz，超声功率为40W，在22℃温度下，超声波清洗7分钟；
(2)将第一步清洗后的砷化镓阴极立即放入电阻率≥18.25MΩ·cm的去离子水中，采用超声波清洗器，超声频率为40KHz，超声功率为40W，在22℃温度下，超声波清洗7分钟；
(3)将阴极放入浓度≥40.0％的氢氟酸中刻蚀清洗，在22℃温度下，刻蚀 9分钟，以去除阴极表面的氧化物；
(6)用去电阻率≥18.25MΩ·cm的离子水反复冲阴极，去除表面残留的酸；
(7)对取出的阴极进行高纯氮气吹干，吹干温度为40℃，干燥时间为2 分钟；
(8)采用X射线光电子能谱技术(XPS)测试清洗后阴极表面的清洁度。
实验结果：使用XPS分析系统，对砷化镓阴极表面进行分析，如表1所示，表面C含量为14.24％，O含量为14.45％，镓氧化物(Ga2O3)含量为1.70％，砷氧化物(As2O3)含量为0.95％，As含量为11.92％。如图3所示，激活后样品2在800nm处的量子效率为8.34％。
实施例3
(1)将砷化镓阴极(样品3)依次放入浓度≥99.5％的丙酮，浓度≥99.7％的无水乙醇溶液中，采用超声波清洗器，超声频率为40KHz，超声功率为40W，在22℃温度下，超声波清洗7分钟；
(2)将第一步清洗后的砷化镓阴极立即放入电阻率≥18.25MΩ·cm的去离子水中，采用超声波清洗器，超声频率为40KHz，超声功率为40W，在22℃温度下，超声波清洗7分钟；
(3)对取出的阴极进行高纯氮气吹干，吹干温度为40℃，干燥时间为2 分钟；
(4)干燥后的阴极放入紫外臭氧清洗机中，在22℃温度下，臭氧清洗7分钟；
(5)将臭氧清洗后的阴极放入浓度≥40.0％的氢氟酸中刻蚀清洗，在22℃温度下，刻蚀9分钟，以去除阴极表面的氧化物；
(6)用去电阻率≥18.25MΩ·cm的离子水反复冲阴极，去除表面残留的酸；
(7)对取出的阴极进行高纯氮气吹干，吹干温度为40℃，干燥时间为2 分钟；
(8)采用X射线光电子能谱技术(XPS)测试清洗后阴极表面的清洁度。
实施例结果：使用XPS分析系统，对砷化镓阴极表面进行分析，如表1所示，表面C含量为9.05％，O含量为9.10％，镓氧化物(Ga2O3)含量为0.78％，砷氧化物(As2O3)含量为0.59％，As含量为19.37％。如图3所示，激活后样品3在800nm处的量子效率为17.85％，可以看出，样品3在近红外波段量子效率明显高于样品1和样品2，因此采用该清洗方法能有效提高砷化镓阴极的量子效率。图1(a)和图1(b)分别表示经过不同清洗方法的三个阴极样品表面C 和O的元素含量对比，能够发现，使用本发明所述的清洗方法，可以得到表面C、 O含量较低的光电阴极表面。图2(a)和图2(b)分别表示经过不同清洗方法的三个样品表面Ga和As曲线拟合后元素含量对比，使用本发明所述的清洗方法，不仅能够更好的去除样品表面的镓氧化物和砷氧化物，还能够获得富砷的砷化镓阴极表面。从表1也可以直观的看出，样品3表面砷含量明显高于样品1 和样品2，说明样品3获得了更理想的富砷表面，有利于后续加热过程中表面残留碳和氧化物的完全去除。
表1清洗后阴极表面成分XPS拟合谱峰占比
Figure BDA0002192844020000061

Claims (7)

1.一种砷化镓光电阴极的清洗方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、将砷化镓光电阴极放入丙酮中，超声波清洗；将清洗过后的砷化镓光电阴极放入无水乙醇溶液中，超声波清洗；
步骤2、将第一步清洗后的砷化镓光电阴极取出，放入去离子水中，超声波清洗；
步骤3、对取出的阴极进行干燥处理；
步骤4、干燥后的阴极用紫外臭氧清洗；
步骤5、将臭氧后的阴极放入氢氟酸中刻蚀清洗；
步骤6、用去离子水冲洗阴极表面残留的酸；
步骤7、对取出的阴极进行干燥处理。
2.根据权利要求1所述的砷化镓光电阴极的清洗方法，其特征在于，所使用的去离子水的电阻率均≥18.25MΩ·cm。
3.根据权利要求1所述的砷化镓光电阴极的清洗方法，其特征在于，所述步骤1中丙酮的浓度≥99.5％，无水乙醇的浓度≥99.7％。
4.根据权利要求1所述的清洗砷化镓光电阴极的方法，其特征在于，所述步骤1和2中超声频率为30-60KHz，超声功率为30-60W，超声温度为18-60℃，清洗时间为5-10分钟。
5.根据权利要求1所述的砷化镓光电阴极的清洗方法，其特征在于，所述步骤4中紫外臭氧清洗温度为18-25℃，清洗时间为5-10分钟。
6.根据权利要求1所述的砷化镓光电阴极的清洗方法，其特征在于，所述步骤5中所使用氢氟酸的浓度≥40.0％，刻蚀温度为18-25℃，刻蚀时间为5-12分钟。
7.根据权利要求1所述的砷化镓光电阴极的清洗方法，其特征在于，所述步骤3和7中所用干燥方法为使用高纯氮气吹干，吹干温度为40-60℃，干燥时间为1-3分钟。
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