[发明专利]在锗衬底上生长无反相畴砷化镓薄膜的分子束外延方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体材料技术领域，尤其涉及一种在非极性材料衬底上 极性异质材料的外延生长方法，特别是指在锗(Ge)衬底上无反相畴砷化 镓(GaAs)薄膜的分子束外延生长方法。

背景技术

随着全球工业的高速发展及人口的增长，对能源的需求越来越大，而 传统不可再生能源如煤、石油等化石燃料的蕴藏是有限的，这就使得太阳 能电池作为一种新型能源出现在人们面前。同时随着通讯技术的不断发 展，也需要越来越多的太阳能电池应用于空间技术中。而高效率的GaAs 太阳能电池与Si电池相比，因其具有更高的光电转换效率，更强的耐辐照 能力和更好的耐高温性能，因此成为了国际公认的新一代空间太阳能电 池。

从卫星实际需要成本和机械强度考虑，由于GaAs衬底成本较高，同 时因为Ge的机械强度、热导率更高，在Ge衬底上生长GaAs电池，效率 大大提高，可显著提高重量比功率，增加组装的可靠性并降低组装成本， 大大提高太阳电池的性价比。目前GaInP/GaAs/Ge三结电池的效率达到30 ％以上。因此，基于Ge衬底的高效太阳能电池生长技术具有重要意义。

众所周知，在非极性材料上异质外延极性材料时容易产生反相畴。以 Ge衬底上异质外延GaAs为例，Ge和GaAs材料晶体结构都是由两套面 心立方沿体对角线位移1/4套构而成。对于Ge，两套面心立方晶格原子相 同，翻转90度后晶体结构无变化，而且[011]方向与[01-1]方向无区别；对 于GaAs，一个面心立方晶格是由Ga原子构成，另一个面心立方晶格是由 As原子构成，[011]方向与[01-1]方向有区别。当衬底选用(100)面，GaAs 表面外延GaAs时，Ga原子和As原子在格点上位置明确，外延层晶体结 构与衬底一致，容易获得高质量外延薄膜；而在Ge表面外延GaAs时， Ga原子和As原子在格点上有两种选择，出现不确定性。由于Ga原子和 As原子在(100)平面上没有优先成核的位置，极易造成反向畴。反相畴 会降低载流子寿命、影响表面形貌、加剧外延层内微裂纹产生、破坏晶体 的完整性。所以，采用适当的方法消除反相畴，是获得高质量外延薄膜的 前提条件。

另外，目前国际上尚无利用分子束外延直接在Ge衬底上制备出无反 相畴GaAs薄膜的先例。一般在Ge衬底上利用分子束外延方法生长GaAs 时，需要预先淀积一层Ge并进行高温退火处理，以使衬底表面平整。这 无疑使得整个外延过程更为复杂。因此利用分子束外延方法直接在Ge衬 底上生长高晶体质量无反相畴的GaAs薄膜成为一个难题。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种在Ge衬底上生长无反相 畴GaAs薄膜的分子束外延方法，通过创新生长方法、优化生长参数，从 而得到表面无反相畴高晶体质量的GaAs薄膜，并且无需预淀积Ge的过 程。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种在Ge衬底上生长无反相畴GaAs 薄膜的分子束外延方法，包括如下步骤：

步骤1：选取(100)面偏向<111>方向6°或9°的Ge衬底；

步骤2：对Ge衬底进行除气脱氧及退火处理；

步骤3：将进行退火处理后的Ge衬底在As蒸气环境下暴露一定时间， 然后在温度300至650℃范围内在该Ge衬底上生长无反相畴的GaAs薄膜。

上述方案中，步骤1中选择的Ge衬底为(100)面偏向<111>方向6°或 9°的Ge单晶片。

上述方案中，步骤2中所述对Ge衬底进行退火处理，退火温度500 至700℃，退火时间5至30分钟，且退火过程中没有As保护。

上述方案中，步骤3中所述在Ge衬底上生长无反相畴的GaAs薄膜 之前，无需在Ge衬底上生长Ge缓冲层，而直接在Ge衬底上生长GaAs 薄膜。

上述方案中，步骤3中所述将进行退火处理后的Ge衬底在砷As蒸气 环境下暴露一定时间，该暴露时间范围大于1分钟；衬底温度范围为500 至700℃。

上述方案中，步骤3中所述生长无反相畴的GaAs薄膜的厚度为1μm， 生长速率范围为0.1μm/h至1μm/h，生长温度范围为300至650℃。

(三)有益效果