一种大尺寸硅基GaAs衬底制备方法技术

本发明专利技术涉及半导体制造及设计技术领域，特别涉及一种大尺寸硅基GaAs衬底制备方法，该方法包括以下步骤：步骤1：选取单晶Si衬底，并对单晶Si衬底清洗；步骤2：在所述单晶Si衬底表面形成若干封闭沟道；步骤3：在步骤2处理过的单晶Si衬底上采用超高真空化学气相沉积方法外延锗层；步骤4：采用MOCVD的方法，在所述锗层上低温、低生长速率外延生长GaAs缓冲层；步骤5：在GaAs缓冲层上，生长GaAs层，完成衬底材料的制备。该方法解决大尺寸外延生长时衬底翘曲严重问题，同时解决Si衬底上生长GaAs外延层时产生大量位错以及反相畴问题，制备高质量大尺寸砷化镓衬底材料，为高质量GaAs器件奠定衬底基础。

【技术实现步骤摘要】

：本专利技术涉及半导体制造及设计
，特别涉及一种大尺寸硅基GaAs衬底制备方法。
技术介绍
GaAs由于其独特的物理化学性质(直接带隙、同太阳光谱匹配的禁带宽度、高光吸收系数等)越来越受人们关注，是近些年来国内外研究的热点。GaAs晶片被用于生产高频放大器和开关，以及发光组件，诸如半导体激光器和发光二极管。理论和实验都表明，采用GaAs作衬底同质外延器件时，器件性能得到大幅度提高。但是，GaAs体单晶的制备比较困难，难以得到大尺寸和质量比较好的体单晶GaN衬底。所以，GaAs的外延生长通常是以异质外延的方式进行的。同时，硅材料作为微电子技术的基础，是最为广泛研究的半导体材料；硅加工技术的成熟程度远高于III-V族化合物半导体材料。但是Si和GaAs的晶格失配较大(4.1％)，因此在异质外延时会产生大量的位错，同时，由于极性材料在非极性衬底上外延以及衬底台阶的存在，外延层中会产生大量的反相畴(Anti-phasedomain，APD)，反相畴边界(Anti-phaseboundary，APB)是载流子的散射和复合中心，同时在禁带引入缺陷能级，这些位错和反相畴边界会一直延伸到外延层的表面，严重影响了外延层的质量；Si和GaAs的热失配较大(Si和GaAs的热膨胀系数分别为2.59×10-6K-1，5.75×10-6K-1)，外延生长时需要不断的升降温，而外延层与衬底的热膨胀系数有所差异，所以在大尺寸外延生长时衬底翘曲会很严重，从而导致外延层受热不均匀，使得其光电参数不均匀、参数异常。因此，使用大尺寸Si衬底制造GaAs器件的工艺尚不成熟。
技术实现思路
本专利技术的目的在于，提供一种大尺寸硅基GaAs衬底制备方法，用于解决Si衬底上生长GaAs外延层时产生大量位错以及反相畴问题，同时解决大尺寸外延生长时衬底翘曲严重问题，制备高质量大尺寸砷化镓衬底材料，为高质量GaAs器件奠定衬底基础。本专利技术提供一种大尺寸硅基GaAs衬底制备方法，包括以下步骤：步骤1：选取单晶Si衬底，并对单晶Si衬底清洗；步骤2：在所述单晶Si衬底表面形成若干封闭沟道；步骤3：在步骤2处理过的单晶Si衬底上采用超高真空化学气相沉积方法外延锗层；步骤4：采用MOCVD的方法，在所述锗层上低温、低生长速率外延生长GaAs缓冲层；步骤5：在GaAs缓冲层上，生长GaAs层，完成衬底材料的制备。优选地,所述单晶硅衬底的晶面为(100)晶面，偏向(011)晶面4°～6°，为本征型、n型或p型硅片，厚度400～500μm。优选地，在所述单晶Si衬底表面形成若干封闭沟道过程为：1)在单晶Si衬底表面形成一层光刻胶掩膜；3)采用光刻技术将所述光刻胶掩膜图形化，以形成若干封闭沟道图形，封闭沟道图形数由单晶Si衬底尺寸决定；4)选择性刻蚀上述封闭沟道图形，在单晶Si表面形成若干封闭沟道；5)去除光刻胶；6)清洗经过处理的单晶Si衬底。可选地，在所述单晶Si衬底表面形成若干封闭沟道过程中，采用加热至200～300℃的强碱或强酸选择性湿法刻蚀形成封闭沟道。优选地，所述封闭沟道深10～20μm；优选地，所述封闭沟道宽20～40μm；可选地，所述封闭沟道之间的间隔距离可根据要制备的目标GaAs器件的尺寸设计；优选地，所述GaAs缓冲层以叔丁基二氢砷和三乙基镓为原料。本专利技术具有以下有益效果：本专利技术通过光刻技术在所述单晶Si衬底表面形成若干封闭沟道，有效释放了外延生长时的应力，避免了大尺寸衬底外延生长时翘曲严重的问题，进而使外延层受热均匀，光电性能大幅提高；通过超高真空化学气相沉积从硅衬底过渡到锗层，砷化镓与锗的晶格失配低，利用超高真空化学气相外延从硅衬底到锗层，避免了失配位错的产生；同时，锗层上低温、低生长速率外延生长GaAs缓冲层，促进APB的自消除效应的产生，减少异质界面的缺陷，抑制了反相畴问题。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例，下面结合附图对实施例进行详细的说明。图1是本专利技术实施例的Si基GaAs衬底的俯视图；图2是本专利技术实施例的Si基GaAs衬底的剖视图。具体实施方案下面详细描述本专利技术的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。本专利技术的一种大尺寸硅基GaAs衬底制备方法，包括以下步骤：步骤1：选取单晶Si衬底1，并对单晶Si衬底1清洗；所述单晶Si衬底1的晶面为(100)晶面，为本征型n型硅片，厚度400μm，硅的生长偏向(011)晶面6°，用以形成双原子台阶，抑制反向畴的形成。步骤2：在所述单晶Si衬底1表面形成若干封闭沟道2；在所述单晶Si衬底表面形成若干封闭沟道过程为：1)在单晶Si衬底表面旋涂一层光刻胶掩膜；3)采用光刻技术将所述光刻胶掩膜图形化，以形成若干封闭沟道图形，封闭沟道图形数由单晶Si衬底尺寸决定；4)强碱NaOH加热至200℃选择性湿法刻蚀上述封闭沟道图形，在单晶Si表面形成若干封闭沟道21，封闭沟道2深10～20μm、宽20～40μm；5)去除光刻胶；6)清洗经过处理的单晶Si衬底1。在单晶Si表面形成若干封闭沟道21，由于表面经过强碱腐蚀，外延层无法在所述封闭沟道2上生长，这就保证了在外延生长过程中，外延层被彼此相互隔开，形成分开独立的封闭区域，外延层生长在此这样分开独立的封闭区域生长，生长时可有效释放应力，从而能够改善大尺寸衬底外延生长时翘曲严重的问题。所述封闭沟道2之间的间隔距离可根据要制备的目标GaAs器件的尺寸设计，如此，可使后续器件加工过程更加容易。步骤3：在步骤2处理过的单晶Si衬底1上采用超高真空化学气相沉积方法外延锗层3；砷化镓与锗的晶格失配(大约-0.08％)低，利用超高真空化学气相外延从硅衬底到锗层，有效避免了GaAs生长过程中位错的产生。步骤4：采用MOCVD的方法，在所述锗层3上低温、低生长速率外延生长GaAs缓冲层4；所述GaAs缓冲层4以叔丁基二氢砷和三乙基镓为原料成核生长，生长过程中叔丁基二氢砷和三乙基镓的输入摩尔流量比V/III在40-50之间，生长速率在0.1-0.3nm/s，厚度100nm，温度在400-420℃，叔丁基二氢砷和三乙基镓的分解温度远低于砷烷和三甲基镓，因此可以在较低的温度下进行材料的外延生长，降低生长温度，降低生长速率，促进APB的自消除效应的产生。步骤5：在GaAs缓冲层4上，生长GaAs层5，完成衬底材料的制备。以砷烷和三甲基镓为原料，在620～650℃下生长GaAs层，完成衬底材料的制备。最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本专利技术的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本专利技术进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本专利技术各实施例技术方案的精神和范围。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种大尺寸硅基GaAs衬底制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：选取单晶Si衬底，并对单晶Si衬底清洗；步骤2：在所述单晶Si衬底表面形成若干封闭沟道；步骤3：在步骤2处理过的单晶Si衬底上采用超高真空化学气相沉积方法外延锗层；步骤4：采用MOCVD的方法，在所述锗层上低温、低生长速率外延生长GaAs缓冲层；步骤5：在GaAs缓冲层上，生长GaAs层，完成衬底材料的制备。

【技术特征摘要】
1.一种大尺寸硅基GaAs衬底制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：选取单晶Si衬底，并对单晶Si衬底清洗；步骤2：在所述单晶Si衬底表面形成若干封闭沟道；步骤3：在步骤2处理过的单晶Si衬底上采用超高真空化学气相沉积方法外延锗层；步骤4：采用MOCVD的方法，在所述锗层上低温、低生长速率外延生长GaAs缓冲层；步骤5：在GaAs缓冲层上，生长GaAs层，完成衬底材料的制备。2.根据权利要求1所述的大尺寸硅基GaAs衬底制备方法，其特征在于：单晶硅衬底的晶面为(100)晶面，偏向(011)晶面4°～6°，为本征型、n型或p型硅片，厚度400～500μm。3.根据权利要求1所述的大尺寸硅基GaAs衬底制备方法，其特征在于：在所述单晶Si衬底表面形成若干封闭沟道过程为：1)在单晶Si衬底表面形成一层光刻胶掩膜；3)采用光刻技术将所述光刻胶掩膜图形化，以形成若干封闭沟道图...

【专利技术属性】
技术研发人员：王文庆，
申请(专利权)人：东莞市联洲知识产权运营管理有限公司，
类型：发明
国别省市：广东;44