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薄膜及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]由于Si具有工藝成熟、價格便宜及易于大尺寸化等優(yōu)點(diǎn)，在硅上外延II1-V族半導(dǎo)體材料，尤其是GaAs，十分有吸引力。目前，科研工作者已經(jīng)成功在Si襯底上外延生長出GaAs基激光器，高效太陽能電池及其他具有特殊光電性能的光電器件。通常情況下，GaAs半導(dǎo)體器件是在Si (100)面上進(jìn)行外延生長制備的。但是，在Si (100)上外延生長GaAs存在兩方面的問題。一方面，由于Si (100)具有的單原子臺階的表面，造成了直接在Si (100)襯底上外延的GaAs薄膜中存在大量的反向疇缺陷。另一方面，由于Si(10)具有大的表面能，GaAs在Si(10)上按照的SK模式生長，造成了 GaAs外延膜表面凹凸不平。相比于Si (100)，Si (111)更適合高質(zhì)量的GaAs半導(dǎo)體器件的生長。一方面，Si (111)具有雙原子臺階的表面，能夠抑制反向疇的形成。另一方面，Si (111)面的表面能要低于Si (100)面，更容易獲得表面平整的GaAs半導(dǎo)體器件。
[0003]但是，在Si (111)襯底上外延GaAs薄膜也存在著一些問題。一方面，Si與GaAs間具有超過4%的晶格失配，這會造成GaAs中產(chǎn)生大量的失配位錯，惡化器件性能。為了降低GaAs生長時所受到的應(yīng)力，并抑制位錯的產(chǎn)生，最佳途徑是通過插入緩沖層釋放應(yīng)力，再生長GaAs外延薄膜。通常情況下，在Si上外延GaAs時所用到的緩沖層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，往往需要多層的漸變緩沖結(jié)構(gòu)，這極大的影響了半導(dǎo)體器件的制備工藝。如果能夠通過簡單的緩沖層工藝，以達(dá)到釋放應(yīng)力的目的，將能極大程度上簡化現(xiàn)有的Si上制備GaAs基半導(dǎo)體器件的工藝，大大降低其生產(chǎn)周期，節(jié)約制造成本。
[0004]另一方面，由于{111}為面心立方化合物中的孿晶面以及Ga在Si (111)面上的特殊重構(gòu)，會造成在Si(Ill)上外延的GaAs薄膜中產(chǎn)生大量的雙晶，在薄膜表面形成大量金字塔型突起，嚴(yán)重影響到GaAs半導(dǎo)體器件的表面平整度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺點(diǎn)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薄膜的制備方法，抑制GaAs薄膜中失配位錯及雙晶的形成，提高GaAs外延膜的晶體質(zhì)量。
[0006]本發(fā)明的另一目的在于提供生長在Si襯底上的GaAs薄膜。
[0007]本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):
[0008]生長在Si襯底上的GaAs薄膜的制備方法，包括以下步驟:
[0009](I) Si襯底清洗；
[0010](2) Si襯底預(yù)處理；
[0011](3) Si襯底脫氧化膜；
[0012](4)緩沖層的生長:在300?450°C的生長溫度下，在經(jīng)步驟(3)處理后的Si襯底表面生長 2 ?20nm 的 InxGa1^xAs 緩沖層，0.08〈χ〈0.12 ；
[0013](5) GaAs薄膜的生長:在500?580°C的生長溫度下生長GaAs薄膜。
[0014]步驟(4)所述緩沖層的生長，具體為:
[0015]將襯底溫度升至350?450°C，在反應(yīng)室壓力3.0Χ1(Γ5?2.5 X l(T8Pa、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。
[0016]步驟(5)所述GaAs外延薄膜的生長，具體為:
[0017]將Si襯底溫度升至500?580 °C，在反應(yīng)室真空度為4.0X 1(Γ5?2.7 X 10，a、V / III值40?60、生長速度0.6?IML/s條件下，生長GaAs外延薄膜。
[0018]步驟⑴所述Si襯底清洗，具體為:
[0019]經(jīng)過丙酮、去離子水洗滌，去除襯底表面有機(jī)物；將Si襯底置于HF:H20 = 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(jī)物；清洗后的Si襯底用高純氮?dú)獯蹈伞?br>[0020]步驟⑵所述Si襯底預(yù)處理，具體為:
[0021]Si襯底清洗完畢后，送入分子束外延進(jìn)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。
[0022]步驟(3)所述Si襯底脫氧化膜，具體為:
[0023]Si襯底進(jìn)入生長室后，將襯底溫度升至950?1050°C，烘烤15?30分鐘，除去襯底表面的氧化膜層。
[0024]生長在Si襯底上的GaAs薄膜，包括依次層疊的Si襯底、InxGapxAs緩沖層以及GaAs薄膜，所述InxGa^As緩沖層的厚度為2?20nm ;其中0.08<x<0.12。
[0025]本發(fā)明的生長在Si襯底上的GaAs薄膜，以預(yù)沉積In原子再沉積GaAs后退火處理得到InxGahAs (0.08<x<0.12)緩沖層，采用分子束外延外延生長得到了質(zhì)量高的GaAs材料，并大為簡化了緩沖層結(jié)構(gòu)以及外延生長工藝，同時達(dá)到了可嚴(yán)格控制外延層的厚度、組分的要求，獲得了表面形貌好、殘余應(yīng)力低的GaAs外延薄膜。
[0026]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)和有益效果:
[0027](I)本發(fā)明通過采用InxGa^As (0.08〈χ〈0.12)緩沖層，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。
[0028](2)本發(fā)明所采用的Ιη?8 (0.08<χ<0.12)緩沖層，能夠有效降低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。
[0029](3)本發(fā)明使用了單層InxGa^xAs (0.08<χ<0.12)緩沖層，與多層緩沖層相比，該方法大為簡化了緩沖層結(jié)構(gòu)以及外延生長工藝，到達(dá)可良好釋放外延層中應(yīng)力并抑制缺陷形成的要求，從而能獲得表面形貌好、高弛豫度、晶體質(zhì)量高的GaAs外延薄膜。
[0030](4)本發(fā)明技術(shù)手段簡便易行，具有緩沖層結(jié)構(gòu)簡單、外延生長過程簡便、GaAs外延薄質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)，便于推廣應(yīng)用。
【附圖說明】
[0031]圖1為本發(fā)明的實(shí)施例的GaAs薄膜的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0032]圖2為本發(fā)明的實(shí)施例的GaAs薄膜的掃描電鏡表面形貌圖。
[0033]圖3為本發(fā)明的實(shí)施例的GaAs薄膜的透射電鏡截面形貌圖。
【具體實(shí)施方式】
[0034]下面結(jié)合實(shí)施例，對本發(fā)明作進(jìn)一步地詳細(xì)說明，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。
[0035]實(shí)施例1
[0036]本實(shí)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:
[0037](I)Si襯底清洗:經(jīng)過丙酮、去離子水洗滌，去除襯底表面有機(jī)物；將Si襯底置于HFiH2O = 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(jī)物；清洗后的Si襯底用高