CN204834639U - 一种生长在Si衬底上的GaAs薄膜 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种生长在Si衬底上的GaAs薄膜，包括由下至上层叠的Si(111)衬底、第一InxGa1-xAs缓冲层、GaAs缓冲层、第二InxGa1-xAs缓冲层和GaAs外延薄膜。本实用新型得到的GaAs薄膜晶体质量好，表面平整，对半导体器件的制备，尤其是太阳电池领域，有着积极的促进意义。
Description
技术领域
本实用新型涉及GaAs薄膜，特别涉及一种生长在Si衬底上的GaAs薄膜。
背景技术
由于Si具有工艺成熟、价格便宜、机械强度高及易于大尺寸化等优点，在Si上外延III-V族半导体材料，尤其是GaAs，十分有吸引力。如果能够实现Si上高质量GaAs材料的外延生长，将能够大幅降低GaAs太阳能电池、光电子探测器等重要半导体器件的生产成本，并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。
为了抑制由于晶格失配所产生的位错及双晶对材料性能的影响，最直接的办法就是消除外延薄膜与衬底间的应力。消除应力的常用方法是在衬底与外延薄膜间插入几层组分渐变、厚度较厚的缓冲层。但是这种渐变结构缓冲层的生长步骤往往较为繁琐，且很难精确控制每一层材料的成分、厚度、以及晶体质量，从而影响最终获得的GaAs薄膜质量。因此，为了得到低缺陷密度、高质量的GaAs薄膜，就需要对缓冲层生长工艺进行优化。
实用新型内容
为了克服现有技术的上述缺点与不足，本实用新型的目的在于提供一种生长在Si衬底上的GaAs薄膜，晶体质量较好、表面平整。
本实用新型的目的通过以下技术方案实现：
生长在Si衬底上的GaAs薄膜，包括由下至上层叠的Si(111)衬底、第一InxGa1-xAs缓冲层、GaAs缓冲层、第二InxGa1-xAs缓冲层和GaAs外延薄膜；
所述第一InxGa1-xAs缓冲层为在350～500℃生长并在500～540℃退火的第一InxGa1-xAs缓冲层，其中0.05<x<0.10；
所述GaAs缓冲层为在350～500℃生长并在500～540℃退火的GaAs缓冲层；
所述第二InxGa1-xAs缓冲层为在350～500℃生长并在500～540℃的退火InxGa1-xAs缓冲层，其0.01<x<0.05。
所述第一InxGa1-xAs缓冲层的厚度为2～20nm。
所述GaAs缓冲层的厚度为2～20nm。
所述第二InxGa1-xAs缓冲层的厚度为2～20nm。
所述GaAs外延薄膜的厚度为100nm～1000nm。
与现有技术相比，本实用新型具有以下优点和有益效果：
(1)本实用新型通过低温InxGa1-xAs(0.05<x<0.10)缓冲层、低温GaAs缓冲层、低温InxGa1-xAs(0.01<x<0.05)缓冲层应力补偿缓冲层结构技术，每层低温缓冲层在生长结束后，都经过原位退火处理，可有效改变III族原子在Si(111)的表面重构过程，抑制GaAs薄膜中双晶的形成，提高外延膜表面的平整度。
(2)本实用新型所采用的InxGa1-xAs(0.05<x<0.10)/GaAs/InxGa1-xAs(0.01<x<0.05)应力补偿缓冲层结构，能够有效释放GaAs生长过程中受到的应力，抑制失配位错的形成，提高GaAs外延膜的晶体质量。
(3)本实用新型的方法简便易行，得到的产品具有缓冲层结构简单、GaAs外延薄膜表面平整和晶体质量高等优点，便于推广应用。
附图说明
图1为本实用新型的实施例的生长在Si衬底上的GaAs薄膜的结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例，对本实用新型作进一步地详细说明，但本实用新型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(111)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(111)衬底预处理，具体为：
Si(111)衬底清洗完毕后，送入进样室预除气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(111)衬底脱氧化膜，具体为：
Si(111)衬底进入生长室后，将衬底温度升至950℃，高温烘烤45分钟，除去衬底表面的氧化膜层。
(4)第一InxGa1-xAs缓冲层的生长：
将衬底温度降至350℃，在反应室压力3.0×10-5Pa、V/III值20、生长速度0.1ML/s的条件下生长2nm的InxGa1-xAs缓冲层，其中x＝0.05。
(5)第一InxGa1-xAs缓冲层的原位退火：
将衬底温度升至500℃退火10min，反应室压力为3.0×10-5Pa。
(6)GaAs缓冲层的生长：
将衬底温度降至350℃，在反应室压力3.0×10-5Pa、V/III值20、生长速度0.1ML/s的条件下生长2nmGaAs缓冲层。
(7)GaAs缓冲层的原位退火；
将衬底温度升至500℃退火10min，反应室压力3.0×10-5Pa。
(8)第二InxGa1-xAs缓冲层的生长：
将衬底温度降至350℃，在反应室压力3.0×10-5Pa、V/III值20、生长速度0.1ML/s的条件下生长2nmInxGa1-xAs缓冲层；其中x＝0.01。
(9)第二InxGa1-xAs缓冲层的原位退火：
将衬底温度升至500℃退火10min，在反应室压力3.0×10-5Pa。
(10)GaAs外延薄膜的生长：
将衬底温度升至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，生长厚度为100nm的GaAs外延薄膜。
如图1所示，生长在Si衬底上的GaAs薄膜，包括由下至上层叠的Si(111)衬底11、第一InxGa1-xAs缓冲层(0.05<x<0.10)12、GaAs缓冲层13、第二InxGa1-xAs缓冲层(0.01<x<0.05)14和GaAs外延薄膜15。
对本实施例制备的GaAs外延薄膜的进行扫描电镜表面形貌观察，可以看到其表面未出现金字塔型突起，表面十分平整。应用本实用新型生长出的GaAs外延薄膜，相较于用传统方法得到的GaAs，晶体质量高，其(111)面X-射线摇摆曲线的半峰宽为200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所造成的金字塔形突起，表面十分平整，均方表面粗糙度为1.8nm。
对本实施例制备的GaAs外延膜的进行透射电镜截面形貌观察，在图中未观察到穿透位错，说明位错密度被大幅降低，晶体质量得到了提高。
本实用新型中GaAs薄膜材料结构中的第一InxGa1-xAs(0.05<x<0.10)缓冲层、GaAs缓冲层、第二InxGa1-xAs(0.01<x<0.05)缓冲层及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。第一、第二InxGa1-xAs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，才通过该InxGa1-xAs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。
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(111)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(111)衬底预处理，具体为：
Si(111)衬底清洗完毕后，送入进样室预除气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(111)衬底脱氧化膜，具体为：
Si(111)衬底进入生长室后，将衬底温度升至1050℃，高温烘烤60分钟，除去衬底表面的氧化膜层。
(4)第一InxGa1-xAs缓冲层的生长：
将衬底温度降至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-xAs缓冲层，其中x＝0.10。
(5)第一InxGa1-xAs缓冲层的原位退火：
将衬底温度升至500～540℃退火20min，反应室压力为2.5×10-8Pa。
(6)GaAs缓冲层的生长：
将衬底温度降至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20nmGaAs缓冲层。
(7)GaAs缓冲层的原位退火；
将衬底温度升至540℃退火20min，反应室压力2.5×10-8Pa。
(8)第二InxGa1-xAs缓冲层的生长：
将衬底温度降至350～500℃，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20nmInxGa1-xAs缓冲层；其中x＝0.05。
(9)第二InxGa1-xAs缓冲层的原位退火：
将衬底温度升至540℃退火20min，在反应室压力2.5×10-8Pa。
(10)GaAs外延薄膜的生长：
将衬底温度升至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，生长厚度为1000nm的GaAs外延薄膜。
本实施例制备得到生长在Si衬底上的GaAs薄膜与实施例1类似，在此不再赘述。
上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型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实用新型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，都包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (5)
1.生长在Si衬底上的GaAs薄膜，其特征在于，包括由下至上层叠的Si(111)衬底、第一InxGa1-xAs缓冲层、GaAs缓冲层、第二InxGa1-xAs缓冲层和GaAs外延薄膜；
所述第一InxGa1-xAs缓冲层为在350～500℃生长并在500～540℃退火的第一InxGa1-xAs缓冲层，其中0.05<x<0.10；
所述GaAs缓冲层为在350～500℃生长并在500～540℃退火的GaAs缓冲层；
所述第二InxGa1-xAs缓冲层为在350～500℃生长并在500～540℃退火的InxGa1-xAs缓冲层，其中0.01<x<0.05。
2.根据权利要求1所述的生长在Si衬底上的GaAs薄膜，其特征在于，所述第一InxGa1-xAs缓冲层的厚度为2～20nm。
3.根据权利要求1所述的生长在Si衬底上的GaAs薄膜，其特征在于，所述GaAs缓冲层的厚度为2～20nm。
4.根据权利要求1所述的生长在Si衬底上的GaAs薄膜，其特征在于，所述第二InxGa1-xAs缓冲层的厚度为2～20nm。
5.根据权利要求1所述的生长在Si衬底上的GaAs薄膜，其特征在于，所述GaAs外延薄膜的厚度为100nm～1000nm。
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| WO2017016527A3 (zh) * | 2015-07-30 | 2017-06-22 | 华南理工大学 | 一种生长在Si衬底上的GaAs薄膜及其制备方法 |
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