生长在Si衬底上的GaAs薄膜及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种生长在Si衬底上的GaAs薄膜的制备方法，包括以下步骤：(1)Si衬底清洗；(2)Si衬底预处理；(4)缓冲层的生长：在350～500℃的生长温度下，在经步骤(3)处理后的Si衬底表面生长2～20nm的InxGa1-xAs缓冲层，0.08<x<0.12；(5)GaAs薄膜的生长：在500～580℃的生长温度下生长GaAs薄膜。本发明专利技术还公开了生长在Si衬底上的GaAs薄膜，包括依次层叠的Si衬底、InxGa1-xAs缓冲层以及GaAs薄膜。本发明专利技术的制备方法简单，大为简化了缓冲层结构以及外延生长工艺，获得表面形貌好、残余应力低的GaAs外延薄膜。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及GaAs薄膜及其制备方法，特别涉及一种。
技术介绍
由于Si具有工艺成熟、价格便宜及易于大尺寸化等优点，在硅上外延II1-V族半导体材料，尤其是GaAs，十分有吸引力。目前，科研工作者已经成功在Si衬底上外延生长出GaAs基激光器，高效太阳能电池及其他具有特殊光电性能的光电器件。通常情况下，GaAs半导体器件是在Si (100)面上进行外延生长制备的。但是，在Si (100)上外延生长GaAs存在两方面的问题。一方面，由于Si (100)具有的单原子台阶的表面，造成了直接在Si (100)衬底上外延的GaAs薄膜中存在大量的反向畴缺陷。另一方面，由于Si(10)具有大的表面能，GaAs在Si(10)上按照的SK模式生长，造成了 GaAs外延膜表面凹凸不平。相比于Si (100)，Si (111)更适合高质量的GaAs半导体器件的生长。一方面，Si (111)具有双原子台阶的表面，能够抑制反向畴的形成。另一方面，Si (111)面的表面能要低于Si (100)面，更容易获得表面平整的GaAs半导体器件。但是，在Si (111)衬底上外延GaAs薄膜也存在着一些问题。一方面，Si与GaAs间具有超过4%的晶格失配，这会造成GaAs中产生大量的失配位错，恶化器件性能。为了降低GaAs生长时所受到的应力，并抑制位错的产生，最佳途径是通过插入缓冲层释放应力，再生长GaAs外延薄膜。通常情况下，在Si上外延GaAs时所用到的缓冲层结构复杂，往往需要多层的渐变缓冲结构，这极大的影响了半导体器件的制备工艺。如果能够通过简单的缓冲层工艺，以达到释放应力的目的，将能极大程度上简化现有的Si上制备GaAs基半导体器件的工艺，大大降低其生产周期，节约制造成本。另一方面，由于{111}为面心立方化合物中的孪晶面以及Ga在Si (111)面上的特殊重构，会造成在Si(Ill)上外延的GaAs薄膜中产生大量的双晶，在薄膜表面形成大量金字塔型突起，严重影响到GaAs半导体器件的表面平整度。
技术实现思路
为了克服现有技术的上述缺点与不足，本专利技术的目的在于提供一种生长在Si衬底上的GaAs薄膜的制备方法，抑制GaAs薄膜中失配位错及双晶的形成，提高GaAs外延膜的晶体质量。本专利技术的另一目的在于提供生长在Si衬底上的GaAs薄膜。本专利技术的目的通过以下技术方案实现:生长在Si衬底上的GaAs薄膜的制备方法，包括以下步骤:(I) Si衬底清洗；(2) Si衬底预处理；(3) Si衬底脱氧化膜；(4)缓冲层的生长:在300?450°C的生长温度下，在经步骤(3)处理后的Si衬底表面生长 2 ?20nm 的 InxGa1^xAs 缓冲层，0.08〈χ〈0.12 ；(5) GaAs薄膜的生长:在500?580°C的生长温度下生长GaAs薄膜。步骤(4)所述缓冲层的生长，具体为:将衬底温度升至350?450°C，在反应室压力3.0Χ1(Γ5?2.5 X l(T8Pa、V / III值20?30、生长速度0.1?0.5ML/s的条件下生长2?20nm的InxGa1^xAs缓冲层。步骤(5)所述GaAs外延薄膜的生长，具体为:将Si衬底温度升至500?580 °C，在反应室真空度为4.0X 1(Γ5?2.7 X 10，a、V / III值40?60、生长速度0.6?IML/s条件下，生长GaAs外延薄膜。步骤⑴所述Si衬底清洗，具体为:经过丙酮、去离子水洗涤，去除衬底表面有机物；将Si衬底置于HF:H20 = 1:10溶液中超声I?10分钟，之后经去离子水清洗去除表面氧化物和有机物；清洗后的Si衬底用高纯氮气吹干。步骤⑵所述Si衬底预处理，具体为:Si衬底清洗完毕后，送入分子束外延进样室预除气15?30分钟；再送入传递室300?400°C除气0.5?2小时，完成除气后送入生长室。步骤(3)所述Si衬底脱氧化膜，具体为:Si衬底进入生长室后，将衬底温度升至950?1050°C，烘烤15?30分钟，除去衬底表面的氧化膜层。生长在Si衬底上的GaAs薄膜，包括依次层叠的Si衬底、InxGapxAs缓冲层以及GaAs薄膜，所述InxGa^As缓冲层的厚度为2?20nm ;其中0.08<x<0.12。本专利技术的生长在Si衬底上的GaAs薄膜，以预沉积In原子再沉积GaAs后退火处理得到InxGahAs (0.08<x<0.12)缓冲层，采用分子束外延外延生长得到了质量高的GaAs材料，并大为简化了缓冲层结构以及外延生长工艺，同时达到了可严格控制外延层的厚度、组分的要求，获得了表面形貌好、残余应力低的GaAs外延薄膜。与现有技术相比，本专利技术具有以下优点和有益效果:(I)本专利技术通过采用InxGa^As (0.08〈χ〈0.12)缓冲层，有效改变III族原子在Si (111)的表面重构过程，抑制GaAs薄膜中双晶的形成，提高外延膜表面的平整度。(2)本专利技术所采用的Ιη?8 (0.08<χ<0.12)缓冲层，能够有效降低GaAs生长过程中受到的应力，抑制失配位错的形成，提高GaAs外延膜的晶体质量。(3)本专利技术使用了单层InxGa^xAs (0.08<χ<0.12)缓冲层，与多层缓冲层相比，该方法大为简化了缓冲层结构以及外延生长工艺，到达可良好释放外延层中应力并抑制缺陷形成的要求，从而能获得表面形貌好、高弛豫度、晶体质量高的GaAs外延薄膜。(4)本专利技术技术手段简便易行，具有缓冲层结构简单、外延生长过程简便、GaAs外延薄质量高等优点，便于推广应用。【附图说明】图1为本专利技术的实施例的GaAs薄膜的结构示意图。图2为本专利技术的实施例的GaAs薄膜的扫描电镜表面形貌图。图3为本专利技术的实施例的GaAs薄膜的透射电镜截面形貌图。【具体实施方式】下面结合实施例，对本专利技术作进一步地详细说明，但本专利技术的实施方式不限于此。实施例1本实施例的生长在Si衬底上的GaAs薄膜的制备方法，包括以下步骤:(I)Si衬底清洗:经过丙酮、去离子水洗涤，去除衬底表面有机物；将Si衬底置于HFiH2O = 1:10溶液中超声I分钟，之后经去离子水清洗去除表面氧化物和有机物；清洗后的Si衬底用高当前第1页1 2 本文档来自技高网...

【技术保护点】
生长在Si衬底上的GaAs薄膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)Si衬底清洗；(2)Si衬底预处理；(3)Si衬底脱氧化膜；(4)缓冲层的生长：在300～450℃的生长温度下，在经步骤(3)处理后的Si衬底表面生长2～20nm的InxGa1‑xAs缓冲层，0.08<x<0.12；(5)GaAs薄膜的生长：在500～580℃的生长温度下生长GaAs薄膜。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李国强，温雷，高芳亮，张曙光，李景灵，管云芳，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东;44