在Ge襯底上生長GaAs外延薄膜的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種在Ge襯底上生長GaAs外延薄膜的方法，包括步驟：S101、選取Ge襯底置于反應(yīng)腔室中；S102、在所述Ge襯底上生長一As原子層；S103、在所述As原子層上生長一GaAs緩沖層，對所述GaAs緩沖層反復(fù)進行退火工藝，直至由RHEED觀察到的圖像由點狀變?yōu)榫€狀；S104、在所述GaAs緩沖層上生長GaAs外延薄膜。該方法能夠促進Ge襯底和GaAs外延薄膜之間的反相疇自湮滅，提高了外延薄膜的晶體質(zhì)量和改善了外延薄膜的表面形貌。
【專利說明】
在Ge襯底上生長GaAs外延薄膜的方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體材料技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種在Ge襯底上生長GaAs外延薄膜的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，異質(zhì)外延器件引起人們越來越多的重視，主要是由于其在改進外延層厚度和晶格失配度方面存在很大的空間。長期以來，人們普遍認為在Si襯底上外延GexSi1 ,合金可以用來制作多種光電器件，從而符合Si基集成電路和光電器件集成的要求。實際上，直接在Si襯底上外延IIIA-VA族化合物可以制作出更多新類型的光電器件，困難在于晶格失配較大，異質(zhì)界面處會產(chǎn)生大量的位錯，從而限制了其應(yīng)用。
[0003]由于Ge與GaAs的晶格常數(shù)相差很小，所以受到人們更多的重視，例如應(yīng)用在Ge基多結(jié)太陽能電池中。Ge的帶隙寬度為0.67eV，與(In) GaAs,GaInP能組成光電轉(zhuǎn)換效率較高的帶隙組合，目前，InGaP/(In)GaAs/Ge三結(jié)級聯(lián)太陽能電池大規(guī)模生產(chǎn)的平均效率已經(jīng)接近30%。在240倍聚光下，這種多結(jié)太陽能電池的實驗室AM1.效率已經(jīng)超過了 40%。
[0004]然而，由于Ge是非極性半導(dǎo)體，與GaAs化合物半導(dǎo)體的極性相反，所以很容易產(chǎn)生反相疇，這些反相疇會成為載流子的復(fù)合中心，嚴重降低器件的性能，而且異質(zhì)界面間的互擴散也會改變材料的光學(xué)和電學(xué)性質(zhì)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，提供了一種在Ge襯底上生長GaAs外延薄膜的方法，該方法能夠促進Ge襯底和GaAs外延薄膜之間的反相疇自煙滅，提高了外延薄膜的晶體質(zhì)量和改善了外延薄膜的表面形貌。
[0006]為了達到上述目的，本發(fā)明采用了如下的技術(shù)方案:
[0007]—種在Ge襯底上生長GaAs外延薄膜的方法，包括步驟:
[0008]S101、選取Ge襯底置于反應(yīng)腔室中；
[0009]S102、在所述Ge襯底上生長一 As原子層；
[0010]S103、在所述As原子層上生長一 GaAs緩沖層，對所述GaAs緩沖層反復(fù)進行退火工藝，直至由RHEED觀察到的圖像由點狀變?yōu)榫€狀；
[0011]S104、在所述GaAs緩沖層上生長GaAs外延薄膜。
[0012]進一步地，所述Ge襯底采用(001)偏[110]面的方向，其偏角大小為I?9°。
[0013]進一步地，步驟S102具體為:
[0014]將Ge襯底加熱至600?700°C，反應(yīng)腔室的真空壓力為I?3X 10 8Torr ；
[0015]向反應(yīng)腔室中通入As蒸汽，在Ge襯底上獲得As原子層。
[0016]進一步地，步驟S103具體為:
[0017]將Ge襯底的溫度維持在530?570°C，反應(yīng)腔室的真空壓力為I?3X 10 8Torr ；
[0018]向反應(yīng)腔室中同時通入As和Ga蒸汽，在As原子層上獲得GaAs緩沖層；
[0019]對GaAs緩沖層反復(fù)進行退火工藝，直至由RHEED觀察到的圖像由點狀變?yōu)榫€狀；其中，退火溫度為600?660 0C。
[0020]進一步地，生長GaAs緩沖層的速率為0.1?0.3 μ m/hr,獲得的GaAs緩沖層的厚度為I?1nm0
[0021]進一步地，步驟S104中，生長GaAs外延薄膜的速率為0.8?I μ m/hr，生長溫度為600?640°C，獲得的GaAs外延薄膜的厚度為0.1?0.5 μ m。
[0022]進一步地，該方法中，采用固態(tài)分子束外延生長工藝生長各層結(jié)構(gòu)。
[0023]進一步地，在進行步驟SlOl之前，還包括對Ge襯底進行清洗的步驟。
[0024]本發(fā)明的有益效果體現(xiàn)在:
[0025]—、對初始緩沖層的充分退火促進了反相疇的自煙滅，提高了外延薄膜的晶體質(zhì)量和改善了外延薄膜的表面形貌。
[0026]二、在低溫條件及低速率生長的GaAs緩沖層對Ge的擴散起到了抑制作用，改善了外延薄膜的電學(xué)和光學(xué)性質(zhì)。
[0027]三、對初始緩沖層的充分退火，使生長外延薄膜可能產(chǎn)生的應(yīng)力在初期得到釋放，有利于后續(xù)薄膜的生長。
【附圖說明】
[0028]圖1是本發(fā)明實施例提供的在Ge襯底上生長GaAs外延薄膜的方法的工藝流程圖。
[0029]圖2a-圖2c是本發(fā)明實施例提供的GaAs外延薄膜的TEM圖。
[0030]圖3a-圖3b是本發(fā)明實施例提供的GaAs外延薄膜的AFM圖
[0031]圖4是本發(fā)明實施例提供的GaAs外延薄膜的XRD圖譜。
[0032]圖5是本發(fā)明實施例提供的GaAs外延薄膜的拉曼(RAMAN)圖譜。
[0033]圖6是本發(fā)明實施例提供的GaAs外延薄膜的光致發(fā)光(PL)圖譜。
【具體實施方式】
[0034]下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行詳細地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實例，而不是全部實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動的前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護范圍。
[0035]本實施例中IIIA族采用Ga元素作為IIIA族源、VA族采用As元素作為VA族源，在Ge襯底上制作GaAs外延薄膜。
[0036]如圖1所示的工藝流程圖，本實施例提供的在Ge襯底上生長GaAs外延薄膜的方法，包括步驟:
[0037]S101、選取Ge襯底置于反應(yīng)腔室中。
[0038]具體地，選取(001)偏[110]面的方向、偏角大小為I?9°的Ge襯底單晶片，并對所選取的Ge襯底進行清洗，也可以選擇免清洗的Ge襯底直接進入下一步的反應(yīng)。
[0039]調(diào)節(jié)反應(yīng)腔室的壓力環(huán)境，采用液氮冷卻配合下，利用冷栗將反應(yīng)腔室中的背景壓力控制在低于9 X 10 wTorr,生長前保持反應(yīng)腔室中殘余Ga的壓力低于2 X 10 8Torr0由于反應(yīng)腔室的壓力有較高要求，因此，該方法中，采用固態(tài)分子束外延(SS-MBE)系統(tǒng)進行生長各層結(jié)構(gòu)。將免清洗或已清洗的Ge襯底置于SS-MBE的反應(yīng)腔室中，調(diào)節(jié)合適的壓力環(huán)境后準備進入下一步驟。
[0040]S102、在Ge襯底上生長一 As原子層。
[0041]具體地，首先將Ge襯底加熱至600?700°C的范圍內(nèi)，保持反應(yīng)腔室的真空壓力為I?3X 10 8Torr的范圍內(nèi)；然后向反應(yīng)腔室中通入VA族的As蒸汽，去除表面氧化層，保持該條件下的真空度和反應(yīng)溫度，使Ge襯底表面覆蓋一層As單原子。
[0042]這個過程中如果在Ge表面先預(yù)通Ga等IIIA族源，由于這些材料自身的性質(zhì)，會在Ge襯底表面產(chǎn)生堆積，改變Ge襯底表面的臺階分布，通入As蒸汽后就會產(chǎn)生反相疇等缺陷，并出現(xiàn)三維生長模式，降低材料的質(zhì)量。因此本實施例提供的技術(shù)方案經(jīng)過改進后，在高溫下先通入As蒸汽一段時間，As自身的性質(zhì)決定只會在Ge襯底表面覆蓋一層As單原子層，不會出現(xiàn)原子堆積現(xiàn)象，維持Ge襯底表面的臺階分布。當Ga并入時，襯底會更具有選擇性，利用這種方法可以降低反相疇等缺陷的產(chǎn)生。
[0043]S103、在As原子層上生長一 GaAs緩沖層，對GaAs緩沖層反復(fù)進行退火工藝，直至由RHEED (反射式高能電子衍射儀)觀察到的圖像由點狀變?yōu)榫€狀。
[0044]具體地，將Ge襯底降溫至530?570°C的生長溫度，真空壓力依舊維持在I?3X 10 8Torr,同時向反應(yīng)腔室通入VA族的As和IIIA族中的Ga蒸汽單質(zhì)，開始生長GaAs緩沖層。生長速率控制在0.1?0.3 μ m/hr，當生長30s (厚度可以選擇為I?1nm左右)后，將溫度升到600?660 °C，長時間反復(fù)退火直到RHEED圖像由點狀邊為線狀。在退火時，停止通入Ga蒸汽，僅通入As蒸汽作為保護氣體。
[0045]S104、在GaAs緩沖層上生長GaAs外延薄膜。
[0046]具體地，將溫度為600?640°C的范圍內(nèi)，以0.8?I μ m/hr的速率生長約10分鐘，得到厚度為0.1?0.5 μπι左右的GaAs外延薄膜。
[0047]本實施例除了按照如上步驟制備得到GaAs外延薄膜(以下簡稱樣品A3)之外，還制備了兩種對比樣品，分別為:未對GaAs緩沖層進行退火的GaAs外延薄膜(以下簡稱樣品Al) JtGaAs緩沖層進行短時間不充分退火的GaAs外延薄膜(以下簡稱樣品Α2)。三種樣品的制備過程的差別僅為對GaAs緩沖層進行退火工藝的不同。
[0048]圖2a_圖2c是GaAs外延薄膜的TEM圖。其中，圖2a是樣品Al的TEM圖；圖2b是樣品A2的TEM圖；圖2c是樣品A3的TEM圖。從圖2a可看出，沒有對GaAs緩沖層進行退火工藝的樣品Al存在高密度的反相疇，延伸范圍約lOOnm。從圖2b可看出，對GaAs緩沖層進行短時間不充分退火的樣品A2，反相疇尺寸有所減小，延伸范圍為50nm。如圖2c中，對GaAs緩沖層進行反復(fù)充分退火的樣品A3，其反相疇密度和尺寸大大降低，延伸范圍只有約10nm。由此可以說明，在低溫及低速率生長的GaAs緩沖層，經(jīng)過長時間反復(fù)充分退火工藝，可以促使反相疇在材料生長初期自煙滅，提升GaAs外延薄膜的質(zhì)量。
[0049]圖3a和圖3b是GaAs外延薄膜的AFM圖。圖3a是樣品A2的AFM圖；圖3b是樣品A3的AFM圖。經(jīng)過測試，樣品A2的表面粗糙度為2.77nm，樣品A3的表面粗糙度為0.699nm。由此可以說明，反相疇的減少也促進了 GaAs外延薄膜表面形貌的改善。
[0050]圖4是GaAs外延薄膜的XRD圖譜。如圖4所示的圖譜，樣品Al、A2和A3的半峰寬分別為0.0479deg/rlu、0.0366deg/rlu和0.0218deg/rlu。由此可以說明，隨著反相疇延伸范圍的降低，晶體質(zhì)量得到提高。
[0051]圖5是GaAs外延薄膜的拉曼(RAMAN)圖譜。如圖5所示的圖譜，樣品Al在574cm 1處的拉曼峰說明GaAs薄膜層中含有η型雜質(zhì)，其雜質(zhì)濃度可估算出為lX10lscm3，由于樣品是非故意摻雜，其η型雜質(zhì)是由Ge的擴散造成的。樣品Α2和A3沒有觀察到這個峰，說明在低溫及低速率生長的GaAs緩沖層對Ge的擴散起到了抑制作用。
[0052]圖6是GaAs外延薄膜的光致發(fā)光(PL)圖譜。如圖6所示的圖譜，1.74ev處的發(fā)光峰是由擴散入GaAs薄膜的Ge和反相疇相互作用引起。經(jīng)過GaAs緩沖層退火，樣品A2的1.74ev發(fā)光峰強度大大降低，樣品A3幾乎觀察不到此發(fā)光峰。另一方面，經(jīng)過緩沖層退火后的樣品，本征發(fā)光峰的半峰寬也逐漸減小，說明晶體質(zhì)量逐漸提高。
[0053]綜上所述，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明實施例提供的在Ge襯底上生長GaAs外延薄膜的方法，首先，通過對初始緩沖層的充分退火促進了反相疇的自煙滅，提高了外延薄膜的晶體質(zhì)量和改善了外延薄膜的表面形貌；并且對初始緩沖層的充分退火，使生長外延薄膜可能產(chǎn)生的應(yīng)力在初期得到釋放，有利于后續(xù)薄膜的生長；另外，在低溫條件及低速率生長的GaAs緩沖層對Ge的擴散起到了抑制作用，改善了外延薄膜的電學(xué)和光學(xué)性質(zhì)。本發(fā)明的方法可制備得到高質(zhì)量的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，能夠用來制作光電器件，例如太陽能電池等。
[0054]以上所述僅是本申請的【具體實施方式】，應(yīng)當指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本申請原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應(yīng)視為本申請的保護范圍。
【主權(quán)項】
1.一種在Ge襯底上生長GaAs外延薄膜的方法，其特征在于，包括步驟: 5101、選取Ge襯底置于反應(yīng)腔室中； 5102、在所述Ge襯底上生長一As原子層； 5103、在所述As原子層上生長一GaAs緩沖層，對所述GaAs緩沖層反復(fù)進行退火工藝，直至由RHEED觀察到的圖像由點狀變?yōu)榫€狀； 5104、在所述GaAs緩沖層上生長GaAs外延薄膜。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在Ge襯底上生長GaAs外延薄膜的方法，其特征在于，所述Ge襯底采用(OOl)偏[110]面的方向，其偏角大小為I?9°。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在Ge襯底上生長GaAs外延薄膜的方法，其特征在于，步驟S102具體為: 將Ge襯底加熱至600?700°C，反應(yīng)腔室的真空壓力為I?3X 10 8Torr ； 向反應(yīng)腔室中通入As蒸汽，在Ge襯底上獲得As原子層。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在Ge襯底上生長GaAs外延薄膜的方法，其特征在于，步驟S103具體為: 將Ge襯底的溫度維持在530?570°C，反應(yīng)腔室的真空壓力為I?3X 10 8Torr ; 向反應(yīng)腔室中同時通入As和Ga蒸汽，在As原子層上獲得GaAs緩沖層； 對GaAs緩沖層反復(fù)進行退火工藝，直至由RHEED觀察到的圖像由點狀變?yōu)榫€狀；其中，退火溫度為600?660 °C。5.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的在Ge襯底上生長GaAs外延薄膜的方法，其特征在于，生長GaAs緩沖層的速率為0.1?0.3 μ m/hr,獲得的GaAs緩沖層的厚度為I?10nm。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在Ge襯底上生長GaAs外延薄膜的方法，其特征在于，步驟S104中，生長GaAs外延薄膜的速率為0.8?I μπι/hr，生長溫度為600?640°C，獲得的GaAs外延薄膜的厚度為0.1?0.5 μ m。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在Ge襯底上生長GaAs外延薄膜的方法，其特征在于，該方法中，采用固態(tài)分子束外延生長工藝生長各層結(jié)構(gòu)。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在Ge襯底上生長GaAs外延薄膜的方法，其特征在于，在進行步驟SlOl之前，還包括對Ge襯底進行清洗的步驟。
【文檔編號】C30B29/42GK105986321SQ201510082868
【公開日】2016年10月5日
【申請日】2015年2月16日
【發(fā)明人】賈少鵬, 何巍, 陸書龍
【申請人】中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所