[發明專利]生長在Si襯底上的GaAs薄膜及制備方法

有效

• 申請號: 201510468527.1
• 申請日: 2015-07-31
• 公開（公告）號: CN105140104B
• 公開（公告）日: 2017-11-07
• 發明（設計）人: 李國強;溫雷;高芳亮;張曙光;李景靈;龔振遠
• 申請（專利權）人: 華南理工大學
• 主分類號: H01L21/02
• 分類號: H01L21/02
• 代理公司: 廣州市華學知識產權代理有限公司44245
• 代理人: 陳文姬

技術領域

本發明涉及GaAs薄膜及其制備方法，特別涉及一種生長在Si襯底上的GaAs薄膜及制備方法。

背景技術

III-V族化合物由于具有穩定性好、有效質量小、電子遷移率和峰值速度高、以及光吸收系數較高等優點，被廣泛地應用于光電器件中。這其中，GaAs的帶隙為1.42eV，對應于太陽光譜中能量最高的波段，因而十分適用于太陽能電池及光電探測器的制作。生長GaAs半導體器件的常用的襯底材料為GaAs或者Ge等，但這些材料價格昂貴，因而提高了GaAs基半導體材料的制備成本。而Si與GaAs及Ge相比，具有工藝成熟、價格便宜及易于大尺寸化等優點，如果能夠在Si上實現高質量GaAs材料的外延生長，將有效降低GaAs基半導體器件的制造成本，同時能夠實現微電子與光電子的相互結合，具有廣闊的應用前景。

但是，在Si襯底上外延GaAs薄膜也存在著一些問題。一方面，Si的晶格常數比GaAs的要小，它們間具有超過4％的晶格失配，這會造成在生長時，GaAs中產生大量的失配位錯，惡化器件性能。另一方面，Si襯底的表面特性，雙晶、反向疇等缺陷也較為容易出現，尤其是當外延材料與襯底間存在較大的失配應力時。這些缺陷的形成會造成外延薄膜表面形成大量金字塔型或者溝壑型突起，嚴重影響到GaAs半導體器件的表面平整度。為此，開發適當的緩沖層工藝來釋放外延薄膜與襯底間的應力，十分關鍵。

發明內容

為了克服現有技術的上述缺點與不足，本發明的目的在于提供一種生長在Si襯底上的GaAs薄膜的制備方法，獲得了晶體質量較好、表面平整的GaAs外延薄膜，同時大幅度簡化了該薄膜材料的生長工藝。

本發明的另一目的在于提供一種生長在Si襯底上的GaAs薄膜。

本發明的目的通過以下技術方案實現：

生長在Si襯底上的GaAs薄膜的制備方法，包括以下步驟：

(1)Si襯底清洗；

(2)Si襯底預處理；

(3)Si襯底脫氧化膜；

(4)緩沖層的生長：在350～500℃的生長溫度下，在經步驟(3)處理后的Si襯底表面生長2～20nm的In_xGa_1-xP緩沖層，0.57<x<0.63；

(5)GaAs薄膜的生長：在500～580℃的生長溫度下，在In_xGa_1-xP緩沖層上生長GaAs薄膜。

步驟(4)所述緩沖層的生長，具體為：

將Si襯底溫度升至350～500℃，在反應室壓力3.0×10^-6～2.5×10^-8Pa、Ⅴ/Ⅲ值20～30、生長速度0.1～0.5ML/s的條件下生長2～20nm的In_xGa_1-xP緩沖層。

步驟(5)所述GaAs薄膜的生長，具體為：

將Si襯底溫度升至500～580℃，在反應室真空度為4.0×10^-5～2.7×10^-8Pa、Ⅴ/Ⅲ值40～60、生長速度0.6～1ML/s條件下，生長GaAs外延薄膜。

步驟(1)所述Si襯底清洗，具體為：

經過丙酮、去離子水洗滌，去除襯底表面有機物；將Si襯底置于HF:H₂O＝1:10溶液中超聲1～10分鐘，之后經去離子水清洗去除表面氧化物和有機物；清洗后的Si襯底用高純氮氣吹干。

步驟(2)所述Si襯底預處理，具體為：

Si襯底清洗完畢后，送入分子束外延進樣室預除氣15～30分鐘；再送入傳遞室300～400℃除氣0.5～2小時，完成除氣后送入生長室。

步驟(3)所述Si襯底脫氧化膜，具體為：

Si襯底進入生長室后，將襯底溫度升至950～1050℃，高溫烘烤15～30分鐘，除去襯底表面的氧化膜層。

生長在Si襯底上的GaAs薄膜，包括依次層疊的Si襯底、In_xGa_1-xP緩沖層以及GaAs薄膜，所述In_xGa_1-xAs緩沖層的厚度為2～20nm；其中0.57<x<0.63。

所述In_xGa_1-xP緩沖層的厚度為2～20nm。

所述In_xGa_1-xP緩沖層為在350～500℃生長的緩沖層。