[发明专利]一种生长在Si衬底上的GaAs薄膜及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及生长在Si衬底上的GaAs薄膜，特别涉及一种生长在Si衬底上的GaAs薄膜及其制备方法。

背景技术

由于Si具有工艺成熟、价格便宜、机械强度高及易于大尺寸化等优点，在Si上外延III-V族半导体材料，尤其是GaAs，十分有吸引力。如果能够实现Si上高质量GaAs材料的外延生长，将能够大幅降低GaAs太阳能电池、光电子探测器等重要半导体器件的生产成本，并能够实现微电子与光电子的相互结合，具有广阔的应用前景。但是，在Si衬底上外延GaAs薄膜也存在着一些问题。一方面，Si的晶格常数比GaAs的要小，它们间具有超过4％的晶格失配，这会造成在生长时，GaAs中产生大量的失配位错，恶化器件性能。另一方面，Si衬底的表面特性，双晶、反向畴等缺陷也较为容易出现，尤其是当外延材料与衬底间存在较大的失配应力时。这些缺陷的形成会造成外延薄膜表面形成大量金字塔型或者沟壑型突起，严重影响到GaAs半导体器件的表面平整度。

为了抑制由于晶格失配所产生的位错及双晶对材料性能的影响，最直接的办法就是消除外延薄膜与衬底间的应力。消除应力的常用方法是在衬底与外延薄膜间插入几层组分渐变、厚度较厚的缓冲层。但是这种渐变结构缓冲层的生长步骤往往较为繁琐，且很难精确控制每一层材料的成分、厚度、以及晶体质量，从而影响最终获得的GaAs薄膜质量。因此，为了得到低缺陷密度、高质量的GaAs薄膜，就需要对缓冲层生长工艺进行优化。

发明内容

为了克服现有技术的上述缺点与不足，本发明的目的在于提供一种生长在Si衬底上的GaAs薄膜，晶体质量较好、表面平整。

本发明的另一目的在于提供上述生长在Si衬底上的GaAs薄膜的制备方法。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

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(111)衬底清洗；

(2)Si(111)衬底预处理；

(3)Si(111)衬底脱氧化膜；

(4)第一In_xGa_1-xAs缓冲层的生长：

将衬底温度降至350～500℃，在反应室压力3.0×10^-5～2.5×10^-8Pa、V/III值20～30、生长速度0.1～0.5ML/s的条件下生长2～20nm的In_xGa_1-xAs缓冲层，其中0.05<x<0.10；

(5)第一In_xGa_1-xAs缓冲层的原位退火：

将衬底温度升至500～540℃退火10～20min，反应室压力为3.0×10^-5～2.5×10^-8Pa；

(6)GaAs缓冲层的生长：

将衬底温度降至350～500℃，在反应室压力3.0×10^-5～2.5×10^-8Pa、V/III值20～30、生长速度0.1～0.5ML/s的条件下生长2～20nm GaAs缓冲层；

(7)GaAs缓冲层的原位退火；

将衬底温度升至500～540℃退火10～20min，反应室压力3.0×10^-5～2.5×10^-8Pa；

(8)第二In_xGa_1-xAs缓冲层的生长：

将衬底温度降至350～500℃，在反应室压力3.0×10^-5～2.5×10^-8Pa、V/III值20～30、生长速度0.1～0.5ML/s的条件下生长2～20nm In_xGa_1-xAs缓冲层；其中0.01<x<0.05；

(9)第二In_xGa_1-xAs缓冲层的原位退火：

将衬底温度升至500～540℃退火10～20min，在反应室压力3.0×10^-5～2.5×10^-8Pa；

(10)GaAs外延薄膜的生长：