[发明专利]生长在Si衬底上的GaAs薄膜及制备方法

说明书

技术领域

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

背景技术

III-V族化合物由于具有稳定性好、有效质量小、电子迁移率和峰值速度高、以及光吸收系数较高等优点，被广泛地应用于光电器件中。这其中，GaAs的带隙为1.42eV，对应于太阳光谱中能量最高的波段，因而十分适用于太阳能电池及光电探测器的制作。生长GaAs半导体器件的常用的衬底材料为GaAs或者Ge等，但这些材料价格昂贵，因而提高了GaAs基半导体材料的制备成本。而Si与GaAs及Ge相比，具有工艺成熟、价格便宜及易于大尺寸化等优点，如果能够在Si上实现高质量GaAs材料的外延生长，将有效降低GaAs基半导体器件的制造成本，同时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。为此，开发适当的缓冲层工艺来释放外延薄膜与衬底间的应力，十分关键。

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薄膜的制备方法，获得了晶体质量较好、表面平整的GaAs外延薄膜，同时大幅度简化了该薄膜材料的生长工艺。

本发明的另一目的在于提供一种生长在Si衬底上的GaAs薄膜。

本发明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：

(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In_xGa_1-xP缓冲层，0.57<x<0.63；

(5)GaAs薄膜的生长：在500～580℃的生长温度下，在In_xGa_1-xP缓冲层上生长GaAs薄膜。

步骤(4)所述缓冲层的生长，具体为：

将Si衬底温度升至350～500℃，在反应室压力3.0×10^-6～2.5×10^-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-xP缓冲层。

步骤(5)所述GaAs薄膜的生长，具体为：

将Si衬底温度升至500～580℃，在反应室真空度为4.0×10^-5～2.7×10^-8Pa、Ⅴ/Ⅲ值40～60、生长速度0.6～1ML/s条件下，生长GaAs外延薄膜。

步骤(1)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:H₂O＝1:10溶液中超声1～10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(2)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℃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℃，高温烘烤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、In_xGa_1-xP缓冲层以及GaAs薄膜，所述In_xGa_1-xAs缓冲层的厚度为2～20nm；其中0.57<x<0.63。

所述In_xGa_1-xP缓冲层的厚度为2～20nm。

所述In_xGa_1-xP缓冲层为在350～500℃生长的缓冲层。