一種通過優(yōu)化As分子類別控制N型GaAs薄膜摻雜濃度的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種通過優(yōu)化砷(As)分子類別控制N型砷化鎵(GaAs)薄膜摻雜濃度的方法，利用分子束外延(MBE)技術(shù)通過控制砷源的溫度獲得不同As2:As4比例的As束流，調(diào)節(jié)V族元素的粘附系數(shù)，促進(jìn)摻雜源硅(Si)的摻入，生長高電學(xué)性能，良好均勻性的N型GaAs薄膜，屬于半導(dǎo)體材料制備技術(shù)領(lǐng)域。
[0002]
【背景技術(shù)】
[0003]GaAs是一種重要的II1- V族直接帶隙化合物半導(dǎo)體材料，具有電子遷移率高、禁帶寬度大(1.43eV)、以及優(yōu)良的光電性能等，廣泛應(yīng)用于制造微波器件，紅外光電器件以及太陽能電池。GaAs微波器件和光電子器件中，元素Si由于高的粘附系數(shù)和低的遷移率可以獲得高的摻雜濃度，在II1- V族半導(dǎo)體化合物的MBE生長中廣泛地被用做為N型摻雜元素，大多數(shù)摻雜工藝通過調(diào)節(jié)摻雜源溫度，生長溫度等控制Si在GaAs中的濃度達(dá)到各類半導(dǎo)體器件的要求。
[0004]分子束外延(MBE)技術(shù)是指在超高真空條件下，把熱蒸發(fā)產(chǎn)生的原子或分子束噴射到具有一定取向、一定溫度的清潔襯底上沉積生成高質(zhì)量的薄膜材料或各種所需結(jié)構(gòu)的外延工藝。到達(dá)襯底表面的原子或分子與襯底交換能量，并在襯底表面吸附、遷移、成核、最后生長成薄膜材料?？梢灾苽?II1-V族化合物半導(dǎo)體、I1-VI族化合物半導(dǎo)體等。分子束外延單晶薄膜的生長速率慢(0.l~lML/s)，生長溫度低(GaAs~550°C)，可改變外延層的組分和進(jìn)行不同濃度的摻雜，可在原子尺度范圍內(nèi)控制外延層的厚度、異質(zhì)結(jié)界面的平整度和摻雜分布，目前已發(fā)展到能精確地控制一個(gè)原子層接一個(gè)原子層生長的水平。
[0005]在利用分子束外延摻雜的單晶薄膜時(shí)，主要是通過生長溫度和摻雜源的溫度來控制摻雜濃度。這種方法如果條件控制不當(dāng)易使摻雜原子遷移不到指定位置從而形成間隙雜質(zhì)、形成一些空位產(chǎn)生較高的自補(bǔ)償程度降低有效的載流子濃度、產(chǎn)生較多的晶體缺陷。利用Si作為摻雜源獲得摻雜濃度較高的N型GaAs薄膜需要較高的摻雜源溫度，得到的GaAs薄膜中存在Sk和\a，Si&和V&的自補(bǔ)償程度將會影響薄膜的摻雜濃度及薄膜的性質(zhì)。對于光電器件來說，生長出高質(zhì)量的材料是前提，因此，如何生長出較高的摻雜濃度，較低的自補(bǔ)償程度是需要解決的重要問題之一。As2只與表面單個(gè)Ga原子作用，而As4則涉及與表面相鄰Ga原子對的相互作用，As源不同的分子類別將會產(chǎn)生不同濃度的表面空位。用As2獲得較高的砷表面濃度將有利于Si的摻入(占據(jù)Ga的位置)獲得比較低自補(bǔ)償濃度的GaAs摻雜薄膜。因此，通過調(diào)節(jié)不同As2:As4比例的As束流作為砷源可以獲得在相同生長溫度和摻雜源溫度條件下更高載流子濃度更高質(zhì)量的Si摻雜N型GaAs薄膜。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]針對【背景技術(shù)】中提出的問題，本發(fā)明利用分子束外延(MBE)技術(shù)通過控制砷源的溫度獲得不同As2:As4比例的As束流，調(diào)節(jié)V族元素的粘附系數(shù)，促進(jìn)摻雜元素Si作為施主的摻入(亦即占據(jù)Ga的位置),在合適的生長溫度下(~550°C )外延N型Si摻雜的GaAs薄膜。
[0007]本發(fā)明的效果在于，在合適的生長溫度條件下Γ550°Ο，通過調(diào)控砷源的源爐溫度獲得不同As2:As4比例的As束流，得到較高的As2表面濃度，使得Si作為施主能有效的占據(jù)Ga的位置，減少薄膜中的Ga空位，進(jìn)而降低自補(bǔ)償程度。獲得晶體缺陷較少、較高載流子濃度、髙電學(xué)性能且具有良好均勻性的N型Si摻雜GaAs薄膜。
【具體實(shí)施方式】
[0008]本發(fā)明所述的一種通過優(yōu)化砷(As)分子類別控制N型砷化鎵(GaAs)薄膜摻雜濃度的方法，其包括以下步驟:
(1)GaAs襯底首先在進(jìn)樣室200°C下處理60分鐘，初步除去襯底表面的水汽。
[0009](2)將初步處理的GaAs襯底送進(jìn)緩沖室400°C下處理120分鐘，進(jìn)一步除氣。
[0010](3)將在緩沖室處理的GaAs襯底送進(jìn)超高真空的生長室，襯底表面在As分子束保護(hù)下升溫至580°C，利用反射高能電子衍射儀(RHEED)監(jiān)測除去表面氧化層。
[0011](4)將生長溫度調(diào)節(jié)至~550°C，同時(shí)將As源溫度控制在70(T90(TC，外延適當(dāng)厚度的非摻雜GaAs緩沖層，并用RHEED原位監(jiān)測薄膜生長情況。
[0012](5)將As源溫度控制在~900°C獲得較高As2:As4比例的As束流，Si源溫度控制在1230°C，同時(shí)打開Si源進(jìn)行Si摻雜N型GaAs薄膜的外延生長。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種通過優(yōu)化砷(As)分子類別控制N型砷化鎵(GaAs)薄膜摻雜濃度的方法，其包括以下步驟: (1)GaAs襯底首先在進(jìn)樣室200°C條件下處理60分鐘，初步除去襯底表面的水汽。 (2)將初步處理的GaAs襯底送進(jìn)緩沖室在400°C條件下處理120分鐘，進(jìn)一步除氣。 (3)在緩沖室處理完畢后，將GaAs襯底送進(jìn)超高真空的生長室，襯底表面在As分子束保護(hù)下升溫至580°C，利用反射高能電子衍射儀(RHEED)監(jiān)測除去表面氧化層。 (4)將生長溫度升溫至~550°C，同時(shí)將As源溫度控制在70(T900°C，外延適當(dāng)厚度的非摻雜GaAs緩沖層，并用RHEED原位監(jiān)測薄膜生長情況。 將As源溫度控制在~900°C獲得較高As2:As4比例的As束流，Si源溫度控制在1230°C，同時(shí)打開Si源進(jìn)行Si摻雜N型GaAs薄膜的外延生長。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的，本發(fā)明可制備較高載流子濃度，低自補(bǔ)償程度，低晶體缺陷的高質(zhì)量N型Si摻雜GaAs薄膜。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的，本發(fā)明通過控制As源的溫度來調(diào)控生長薄膜所用的As分子類別，獲得較高As2:As4比例的As束流，促進(jìn)摻雜元素Si作為施主摻入(亦即占據(jù)Ga的位置)，在相同生長條件下獲得比其他方法具有較低自補(bǔ)償程度，更高載流子濃度的Si摻雜N型GaAs薄膜。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的，本發(fā)明利用分子束外延技術(shù)在GaAs襯底上先生長一層適當(dāng)厚度的非摻雜GaAs緩沖層，然后生長Si摻雜N型GaAs薄膜。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的，本發(fā)明利用分子束外延技術(shù)通過控制Ga源束流即襯底表面Ga原子的濃度，進(jìn)而控制反應(yīng)速率，生長出精確厚度的N型GaAs薄膜。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的，本發(fā)明利用分子束外延技術(shù)在較低的生長溫度下在原子水平原位控制晶體生長，精確控制薄膜成分在相同生長條件下獲得比其他方法更高摻雜濃度和更高晶體質(zhì)量的Si摻雜N型GaAs薄膜。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種通過優(yōu)化砷（As）分子類別控制N型砷化鎵（GaAs）薄膜摻雜濃度的方法，該方法利用分子束外延（MBE）技術(shù)通過控制砷源的溫度獲得不同As2：As4比例的As束流，調(diào)節(jié)V族元素的粘附系數(shù)，促進(jìn)摻雜元素Si占據(jù)Ga的位置。GaAs襯底經(jīng)過除氣、去除表面氧化層處理，外延適當(dāng)厚度的非摻雜GaAs緩沖層，隨后將As源升高至所需溫度，打開Si源進(jìn)行N型Si摻雜GaAs薄膜的外延生長。利用分子束外延技術(shù)在原子水平原位控制晶體生長，精確控制表面的成分和形態(tài)學(xué)。得到的N型Si摻雜GaAs薄膜具有較低的自補(bǔ)償程度，高的載流子密度，以及低的晶格缺陷。通過反應(yīng)速率可以精確控制薄膜的厚度，通過調(diào)節(jié)As束流中As2：As4的比例，摻雜源的溫度及Ⅴ/Ⅲ束流比對薄膜進(jìn)行摻雜控制。
【IPC分類】H01L21/223
【公開號】CN105428225
【申請?zhí)枴緾N201410456773
【發(fā)明人】賈慧民, 唐吉龍, 方鉉, 魏志鵬, 房丹, 王曉華, 王菲, 李金華, 楚學(xué)影, 常量
【申請人】長春理工大學(xué)
【公開日】2016年3月23日
【申請日】2014年9月10日