專利名稱：一種在Si基片上外延生長GaAs薄膜的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及半導體材料技術領域，具體涉及硅(Si)基神化鎵(GaAs)薄膜分子束外延生長的エ藝技木。
背景技術：
GaAs薄膜由于其獨特的物理化學性質(直接帶隙、同太陽光譜匹配的禁帶寬度、高光吸收系數(shù)等)越來越受人們關注，是近些年來國內外研究的熱點。GaAs薄膜以廣泛應用于制作諸如太陽能電池、發(fā)光二極管等光電器件，其制備方法包括磁控濺射法、化學氣相沉積法和分子束外延法等。雖然在GaAs基上生長GaAs薄膜能實現(xiàn)無界面位錯和缺陷的高質量生長，但Ga、As元素在地球上含量較少，成本限制了其大規(guī)模應用。采用在Si基上外延生長GaAs薄膜，有利于降低成本和器件集成。然而，異質外延的GaAs薄膜與襯底Si之間存在較大的晶格失配度(4. 1%)，由于晶格失配引起界面處高密度的位錯，在薄膜中產生大量缺陷，影響了薄膜質量與器件性能。另外，對GaAs/Si異質外延，GaAs薄膜與襯底Si之間熱膨脹系數(shù)差異會導致熱失配應變和應力。為了同時消除和避免上述負面影響，人們通常采用選區(qū)外延的技術方法，但其存在エ藝復雜、容易引入雜質污染的缺點。因此，獲取Si基單晶外延、高質量GaAs薄膜的分子束外延生長的エ藝技術具有現(xiàn)實的應用價值。

發(fā)明內容
針對上述現(xiàn)有技術中存在的問題，本發(fā)明的目的在于提供ー種Si基GaAs薄膜分子束外延生長的方法，在保證GaAs薄膜晶體質量的同時，可降低GaAs薄膜中的應力，不引入雜質污染，エ藝相對簡単。本發(fā)明為實現(xiàn)其目的所采取的技術方案ー種Si基生長GaAs薄膜分子束外延的方法，包括下述步驟
(1)、選取Si(111)襯底，并對Si (111)襯底清洗；
(2)、將清洗后的Si(111)襯底在上制備Ga液滴，制備溫度為620至640°C，Ga束流為2Xl(T7Torr，生長時間為 25_35min ；
(3)、在Si(111)襯底上自催化生長I μπι的納米柱；自催化溫度為540至560°C，Ga束流為I. 5 X KT7Torr，As束流為2 X KT6Torr，生長時間為10_20min分鐘；
(4)、溫度降至380-420°C使Ga液滴固化，Ga束流為I.5 X 10_7Torr，As束流為2X ICT6Torr,生長時間為80-100 min,生長形成GaAs薄膜。在步驟(I)中，采用丙酮對所述Si (111)襯底超聲清洗4-6minl_3次，之后使用こ醇超聲清洗4-6minl-3次，再用去離子水清洗兩次，用氮氣吹干，快速放入真空室。
在步驟(3)中，可借助反射式高能電子衍射儀(RHEED)觀察Si (111)襯底表面來確定是否生長成有序納米柱。在步驟(4)中，降低溫度使Ga液滴固化,氣-液-固機制(Vapor-Liquid-Solid，VLS機制)的外延生長停止，其主要進行側向外延生長，生長形成高質量GaAs薄膜。本發(fā)明使用分子束外延設備在預處理的Si (111)襯底上先自催化生長Iym的GaAs納米柱，之后降低溫度使Ga液滴固化，氣-液-固機制(Vapor-Liquid-SoI id，VLS機制)的外延生長停止，主要開始側向外延生長，逐步形成薄膜。一定時間后固化Ga液滴被覆蓋，形成表面均勻、光滑的GaAs薄膜。
本發(fā)明具有以下有益效果
1)、實現(xiàn)了在價格便宜的Si(111)襯底上制備高質量的GaAs晶體薄膜；
2)、使用X射線雙晶搖擺技術(XRC)對利用本發(fā)明制備出的GaAs薄膜的測試結果表明，雙晶搖擺曲線半峰寬約為10弧秒，表明外延層與襯底應カ很小，且界面處的位錯和缺陷密度被大幅度減??；
3)、本發(fā)明中的外延生長為原位生長，不需要引入其它エ藝，無外部污染雜質引入，制備エ藝簡單。


圖I是本發(fā)明在Si (111)襯底上自催化生長I μπι的納米柱結構示意 圖2是本發(fā)明步驟(4)中溫度降至400°C生長GaAs薄膜過程結構示意圖A ；
圖3是本發(fā)明步驟(4)中溫度降至400°C生長GaAs薄膜過程結構示意圖B ；
圖4是Si (111)襯底上，利用分子束外延生長設備制備得到的GaAs薄膜樣品的SEM截面 圖5是Si (111)襯底上，利用分子束外延生長設備制備得到的GaAs薄膜樣品的XRC圖。圖中1、納米柱，2、Si (111)襯底，3、Si基GaAs薄膜。
具體實施例方式如圖1-3所示，本發(fā)明使用分子束外延設備在預處理的Si (111)襯底I上先自催化生長I μ m的GaAs納米柱I，之后降低溫度使Ga液滴固化，VLS機制的外延生長停止，開始側向外延生長，逐步形成薄膜。一定時間后固化Ga液滴被覆蓋，形成表面均勻、光滑的GaAs薄膜，如圖4所示。使用X射線雙晶搖擺技術(XRC)對利用本發(fā)明制備出的GaAs薄膜的測試結果表明，雙晶搖擺曲線半峰寬約為10弧秒，表明外延層與襯底應カ很小，且界面處的位錯和缺陷密度被大幅度減小；如圖5所示。實施步驟如下
(I)、選取Si(Ill)襯底，并對Si (111)襯底清洗；采用丙酮對所述Si (111)襯底超聲清洗4-6min兩次，之后使用こ醇超聲清洗4_6min兩次，再用去離子水清洗兩次，用氮氣吹干，快速放入真空室。(2)、將清洗后的Si (111)襯底在上制備Ga液滴，制備溫度為620至640°C，Ga束流為2 X l(T7Torr，生長時間為30min ；(3)、在Si (111)襯底上自 催化生長I μπι的納米柱；自催化溫度為550°C，Ga束流為
I.5 X IO^7Torr, As束流為2X 10_6Torr，生長時間為15min分鐘；借助反射式高能電子衍射儀(RHEED)觀察Si (111)襯底表面來確定是否生長成有序納米柱。(4)、溫度降至400°C使Ga液滴固化，Ga束流為I. 5 X 10_7Torr，As束流為2X 10_6Torr，生長時間為80-100 min,生長形成GaAs薄膜。在該步驟中，VLS機制的外延生長停止，其主要進行側向外延生長，生長形成高質量GaAs薄膜。
權利要求
1.一種Si基生長GaAs薄膜分子束外延的方法，其特征在于包括下述步驟 (1)、選取Si(111)襯底，并對Si (111)襯底清洗； (2)、將清洗后的Si(111)襯底在上制備Ga液滴，制備溫度為620至640°C，Ga束流為2 X KT7Torr,生長時間為 25_35min ； (3)、在Si(111)襯底上自催化生長I Pm的納米柱；自催化溫度為540至560°C，Ga束流為I. 5 X KT7Torr, As束流為2 X KT6Torr,生長時間為10_20min分鐘； (4)、溫度降至380-420V使Ga液滴固化，Ga束流為I. 5 X KT7Torr, As束流為2X ICT6Torr,生長時間為80-100 min,生長形成GaAs薄膜。
2.根據(jù)權利要求I所述的Si基生長GaAs薄膜分子束外延的方法，其特征在于在步驟(I)中，采用丙酮對所述Si (111)襯底超聲清洗4-6minl-3次，之后使用乙醇超聲清洗4-6minl-3次，再用去離子水清洗兩次，用氮氣吹干，放入真空室。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種Si基生長GaAs薄膜分子束外延的方法，使用分子束外延設備在預處理的Si(111)襯底上先自催化生長1μm的GaAs納米柱，之后降低溫度使Ga液滴固化，氣-液-固機制(Vapor-Liquid-Solid,VLS機制)的外延生長停止，主要側向外延生長，逐步形成薄膜。一定時間后固化Ga液滴被覆蓋，形成表面均勻、光滑的GaAs薄膜。本發(fā)明實現(xiàn)了在價格便宜的Si(111)襯底上制備高質量的GaAs晶體薄膜；外延層與襯底應力很小，且界面處的位錯和缺陷密度被大幅度減??；外延生長為原位生長，不需要引入其它工藝，無外部污染雜質引入，制備工藝簡單。
文檔編號C30B25/16GK102618922SQ201210099098
公開日2012年8月1日 申請日期2012年4月6日 優(yōu)先權日2012年4月6日
發(fā)明者文龍, 李新華, 步紹姜, 趙志飛, 郭浩民 申請人:中國科學院合肥物質科學研究院