一種生長在Si襯底上的GaAs薄膜及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及生長在Si襯底上的GaAs薄膜，特別涉及一種生長在Si襯底上的GaAs薄膜及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]由于Si具有工藝成熟、價格便宜、機械強度高及易于大尺寸化等優(yōu)點，在Si上外延II1-V族半導體材料，尤其是GaAs，十分有吸引力。如果能夠?qū)崿F(xiàn)Si上高質(zhì)量GaAs材料的外延生長，將能夠大幅降低GaAs太陽能電池、光電子探測器等重要半導體器件的生產(chǎn)成本，并能夠?qū)崿F(xiàn)微電子與光電子的相互結(jié)合，具有廣闊的應(yīng)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(shù)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(chǎn)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(xiàn)，尤其是當外延材料與襯底間存在較大的失配應(yīng)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。
[0003]為了抑制由于晶格失配所產(chǎn)生的位錯及雙晶對材料性能的影響，最直接的辦法就是消除外延薄膜與襯底間的應(yīng)力。消除應(yīng)力的常用方法是在襯底與外延薄膜間插入幾層組分漸變、厚度較厚的緩沖層。但是這種漸變結(jié)構(gòu)緩沖層的生長步驟往往較為繁瑣，且很難精確控制每一層材料的成分、厚度、以及晶體質(zhì)量，從而影響最終獲得的GaAs薄膜質(zhì)量。因此，為了得到低缺陷密度、高質(zhì)量的GaAs薄膜，就需要對緩沖層生長工藝進行優(yōu)化。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺點與不足，本發(fā)明的目的在于提供一種生長在Si襯底上的GaAs薄膜，晶體質(zhì)量較好、表面平整。
[0005]本發(fā)明的另一目的在于提供上述生長在Si襯底上的GaAs薄膜的制備方法。
[0006]本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案實現(xiàn):
[0007]—種生長在Si襯底上的GaAs薄膜的制備方法，包括以下步驟:
[0008](I)Si(Ill)襯底清洗；
[0009](2) Si(Ill)襯底預(yù)處理；
[0010](3) Si (111)襯底脫氧化膜；
[0011](4)第一 InxGa1 xAs緩沖層的生長:
[0012]將襯底溫度降至350?500°C，在反應(yīng)室壓力3.0X10 5?2.5X10 8Pa, V/III值20?30、生長速度0.1?0.5ML/s的條件下生長2?20nm的InxGa1 xAs緩沖層，其中0.05〈x〈0.10 ；
[0013](5)第一 InxGa1 xAs緩沖層的原位退火:
[0014]將襯底溫度升至500?540 °C退火10?20min，反應(yīng)室壓力為3.0X10 5?2.5X10 8Pa ；
[0015](6) GaAs緩沖層的生長:
[0016]將襯底溫度降至350?500°C，在反應(yīng)室壓力3.0X10 5?2.5X10 sPa、V/III值20?30、生長速度0.1?0.5ML/s的條件下生長2?20nm GaAs緩沖層；
[0017](7) GaAs緩沖層的原位退火；
[0018]將襯底溫度升至500?540 °C退火10?20min，反應(yīng)室壓力3.0 X 10 5?2.5X10 8Pa ；
[0019](8)第二 InxGa1 xAs緩沖層的生長:
[0020]將襯底溫度降至350?500°C，在反應(yīng)室壓力3.0X10 5?2.5X10 8Pa, V/III值20?30、生長速度0.1?0.5ML/s的條件下生長2?20nm InxGa1 xAs緩沖層；其中0.01〈χ〈0.05 ；
[0021](9)第二 InxGa1 xAs緩沖層的原位退火:
[0022]將襯底溫度升至500?540 °C退火10?20min，在反應(yīng)室壓力3.0X10 5?2.5X10 8Pa ；
[0023](1)GaAs外延薄膜的生長:
[0024]將襯底溫度升至500?580°C，在反應(yīng)室真空度為4.0X 10 5?2.7X 10 sPa、V/III值40?60、生長速度0.6?IML/s條件下，生長厚度為10nm?100nm的GaAs外延薄膜。
[0025]步驟⑴所述Si (111)襯底清洗，具體為:
[0026]經(jīng)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I?10分鐘，之后經(jīng)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。
[0027]步驟(2)所述Si (111)襯底預(yù)處理，具體為:
[0028]Si (111)襯底清洗完畢后，送入進樣室預(yù)除氣15?30分鐘；再送入傳遞室300?400°C除氣0.5?2小時，完成除氣后送入生長室。
[0029]步驟(3)所述Si (111)襯底脫氧化膜，具體為:
[0030]Si (111)襯底進入生長室后，將襯底溫度升至950?1050°C，高溫烘烤45?60分鐘，除去襯底表面的氧化膜層。
[0031]生長在Si襯底上的GaAs薄膜，包括由下至上層疊的Si (111)襯底、第一 InxGa1 xAs緩沖層、GaAs緩沖層、第二 InxGa1 xAs緩沖層和GaAs外延薄膜；
[0032]所述第一 InxGa1 xAs緩沖層為在350?500°C生長并在500?540°C退火的第一InxGa1 xAs 緩沖層，其中 0.05〈x〈0.10 ；
[0033]所述GaAs緩沖層為在350?500 °C生長并在500?540 °C退火的GaAs緩沖層；
[0034]所述第二 InxGa1 xAs緩沖層為在350?500 °C生長并在500?540 °C的退火InxGa1 xAs 緩沖層，其 0.01〈χ〈0.05。
[0035]所述第一 InxGa1 xAs緩沖層的厚度為2?20nmo
[0036]所述GaAs緩沖層的厚度為2?20nm。
[0037]所述第二 InxGa1 xAs緩沖層的厚度為2?20nmo
[0038]所述GaAs外延薄膜的厚度為10nm?lOOOnm。
[0039]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點和有益效果:
[0040](I)本發(fā)明通過低溫InxGa1 xAs(0.05〈x〈0.10)緩沖層、低溫GaAs緩沖層、低溫InxGa1 xAs(0.01<x<0.05)緩沖層應(yīng)力補償緩沖層結(jié)構(gòu)技術(shù)，每層低溫緩沖層在生長結(jié)束后，都經(jīng)過原位退火處理，可有效改變III族原子在Si (111)的表面重構(gòu)過程，抑制GaAs薄膜中雙晶的形成，提高外延膜表面的平整度。
[0041](2)本發(fā)明所采用的 InxGa1 xAs (0.05〈χ〈0.10)/GaAsZlnxGa1 xAs (0.01〈χ〈0.05)應(yīng)力補償緩沖層結(jié)構(gòu)，能夠有效釋放GaAs生長過程中受到的應(yīng)力，抑制失配位錯的形成，提高GaAs外延膜的晶體質(zhì)量。
[0042](3)本發(fā)明的方法簡便易行，得到的產(chǎn)品具有緩沖層結(jié)構(gòu)簡單、GaAs外延薄膜表面平整和晶體質(zhì)量高等優(yōu)點，便于推廣應(yīng)用。
【附圖說明】
[0043]圖1為本發(fā)明的實施例的生長在Si襯底上的GaAs薄膜的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0044]圖2為本發(fā)明的實施例的生長在Si襯底上的GaAs薄膜的掃描電鏡表面形貌觀察圖。
[0045]圖3為本發(fā)明的實施例的生長在Si襯底上的GaAs薄膜的透射電鏡截面形貌觀察圖。
【具體實施方式】
[0046]下面結(jié)合實施例，對本發(fā)明作進一步地詳細說明，但本發(fā)明的實施方式不限于此。
[0047]實施例1
[0048]本實施例的生長在Si襯底上的GaAs薄膜的制備方法，包括以下步驟:
[0049](I)Si(Ill)襯底清洗，具體為:
[0050]經(jīng)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I分鐘，之后經(jīng)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；
[0051](2) Si (111)襯底預(yù)處理，具體為:
[0052]Si(Ill)襯底清洗完畢后，送入進樣室預(yù)除氣15分鐘；再送入傳遞室300°C除氣0.5小時，完成除氣后送入生長室
[0053](3) Si (111)襯底脫氧化膜，具體為:
[0054]Si (111)襯底進入生長室后，將襯底溫度升至950°C，高溫烘烤45分鐘，除去襯底表面的氧化膜層。
[0055](4)第一 InxGa1 xAs緩沖層的生長:
[0056]將襯底溫度降至350°C，在反應(yīng)室壓力3.0X 10 5Pa、V/III值20、生長速度0.1ML/s的條件下生長2nm的InxGa1 xAs緩沖層，其中x = 0.05。
[0057](5)第一 InxGa1 xAs緩沖層的原位退火:
[0058]將襯底溫度升至500°C退火lOmin，反應(yīng)室壓力為3.0X 10 5Pa0
[0059](6) GaAs緩沖層的生長:
[0060]將襯底溫度降至350°C，在反應(yīng)室壓力3.0X 10 5Pa、V/III值20、生長速度0.1ML/s的條件下生長2nm GaAs緩沖層。
[0061](7) GaAs緩沖層的原位退火；
[0062]將襯底溫度升至500°C退火lOmin，反應(yīng)室壓力3.0X 10 5Pa0
[0063](8)第二 InxGa1 xAs緩沖層的生長:
[0064]將襯底溫度降至350°C，在反應(yīng)室壓力3.0X 10 5Pa、V/III值20、生長速度0.1ML/s的條件下生長2nm InxGa1 xAs緩沖層;其中x = 0.01。
[0065](9)第二 InxGa1 xAs緩沖層的原位退火:
[0066]將襯底溫度升至500°C退火lOmin，在反應(yīng)室壓力3.0X 10 5Pa0
[0067](1)GaAs外延薄膜的生長:
[0068]將襯底