在Ge襯底上生長GaAs外延薄膜的方法

在Ge襯底上生長GaAs外延薄膜的方法
【專利摘要】本發明公開了一種在Ge襯底上生長GaAs外延薄膜的方法，包括步驟：S101、選取Ge襯底置于反應腔室中；S102、在所述Ge襯底上生長一As原子層；S103、在所述As原子層上生長一GaAs緩沖層，對所述GaAs緩沖層反復進行退火工藝，直至由RHEED觀察到的圖像由點狀變為線狀；S104、在所述GaAs緩沖層上生長GaAs外延薄膜。該方法能夠促進Ge襯底和GaAs外延薄膜之間的反相疇自湮滅，提高了外延薄膜的晶體質量和改善了外延薄膜的表面形貌。
【專利說明】
在Ge襯底上生長GaAs外延薄膜的方法
技術領域
[0001]本發明涉及半導體材料技術領域，尤其涉及一種在Ge襯底上生長GaAs外延薄膜的方法。
【背景技術】
[0002]近年來，異質外延器件引起人們越來越多的重視，主要是由于其在改進外延層厚度和晶格失配度方面存在很大的空間。長期以來，人們普遍認為在Si襯底上外延GexSi1 ,合金可以用來制作多種光電器件，從而符合Si基集成電路和光電器件集成的要求。實際上，直接在Si襯底上外延IIIA-VA族化合物可以制作出更多新類型的光電器件，困難在于晶格失配較大，異質界面處會產生大量的位錯，從而限制了其應用。
[0003]由于Ge與GaAs的晶格常數相差很小，所以受到人們更多的重視，例如應用在Ge基多結太陽能電池中。Ge的帶隙寬度為0.67eV，與(In) GaAs,GaInP能組成光電轉換效率較高的帶隙組合，目前，InGaP/(In)GaAs/Ge三結級聯太陽能電池大規模生產的平均效率已經接近30%。在240倍聚光下，這種多結太陽能電池的實驗室AM1.效率已經超過了 40%。
[0004]然而，由于Ge是非極性半導體，與GaAs化合物半導體的極性相反，所以很容易產生反相疇，這些反相疇會成為載流子的復合中心，嚴重降低器件的性能，而且異質界面間的互擴散也會改變材料的光學和電學性質。

【發明內容】

[0005]本發明為了克服上述現有技術存在的缺陷，提供了一種在Ge襯底上生長GaAs外延薄膜的方法，該方法能夠促進Ge襯底和GaAs外延薄膜之間的反相疇自煙滅，提高了外延薄膜的晶體質量和改善了外延薄膜的表面形貌。
[0006]為了達到上述目的，本發明采用了如下的技術方案:
[0007]—種在Ge襯底上生長GaAs外延薄膜的方法，包括步驟:
[0008]S101、選取Ge襯底置于反應腔室中；
[0009]S102、在所述Ge襯底上生長一 As原子層；
[0010]S103、在所述As原子層上生長一 GaAs緩沖層，對所述GaAs緩沖層反復進行退火工藝，直至由RHEED觀察到的圖像由點狀變為線狀；
[0011]S104、在所述GaAs緩沖層上生長GaAs外延薄膜。
[0012]進一步地，所述Ge襯底采用(001)偏[110]面的方向，其偏角大小為I?9°。
[0013]進一步地，步驟S102具體為:
[0014]將Ge襯底加熱至600?700°C，反應腔室的真空壓力為I?3X 10 8Torr ；
[0015]向反應腔室中通入As蒸汽，在Ge襯底上獲得As原子層。
[0016]進一步地，步驟S103具體為:
[0017]將Ge襯底的溫度維持在530?570°C，反應腔室的真空壓力為I?3X 10 8Torr ；
[0018]向反應腔室中同時通入As和Ga蒸汽，在As原子層上獲得GaAs緩沖層；
[0019]對GaAs緩沖層反復進行退火工藝，直至由RHEED觀察到的圖像由點狀變為線狀；其中，退火溫度為600?660 0C。
[0020]進一步地，生長GaAs緩沖層的速率為0.1?0.3 μ m/hr,獲得的GaAs緩沖層的厚度為I?1nm0
[0021]進一步地，步驟S104中，生長GaAs外延薄膜的速率為0.8?I μ m/hr，生長溫度為600?640°C，獲得的GaAs外延薄膜的厚度為0.1?0.5 μ m。
[0022]進一步地，該方法中，采用固態分子束外延生長工藝生長各層結構。
[0023]進一步地，在進行步驟SlOl之前，還包括對Ge襯底進行清洗的步驟。
[0024]本發明的有益效果體現在:
[0025]—、對初始緩沖層的充分退火促進了反相疇的自煙滅，提高了外延薄膜的晶體質量和改善了外延薄膜的表面形貌。
[0026]二、在低溫條件及低速率生長的GaAs緩沖層對Ge的擴散起到了抑制作用，改善了外延薄膜的電學和光學性質。
[0027]三、對初始緩沖層的充分退火，使生長外延薄膜可能產生的應力在初期得到釋放，有利于后續薄膜的生長。
【附圖說明】
[0028]圖1是本發明實施例提供的在Ge襯底上生長GaAs外延薄膜的方法的工藝流程圖。
[0029]圖2a-圖2c是本發明實施例提供的GaAs外延薄膜的TEM圖。
[0030]圖3a-圖3b是本發明實施例提供的GaAs外延薄膜的AFM圖
[0031]圖4是本發明實施例提供的GaAs外延薄膜的XRD圖譜。
[0032]圖5是本發明實施例提供的GaAs外延薄膜的拉曼(RAMAN)圖譜。
[0033]圖6是本發明實施例提供的GaAs外延薄膜的光致發光(PL)圖譜。
【具體實施方式】
[0034]下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行詳細地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實例，而不是全部實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動的前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護范圍。
[0035]本實施例中IIIA族采用Ga元素作為IIIA族源、VA族采用As元素作為VA族源，在Ge襯底上制作GaAs外延薄膜。
[0036]如圖1所示的工藝流程圖，本實施例提供的在Ge襯底上生長GaAs外延薄膜的方法，包括步驟:
[0037]S101、選取Ge襯底置于反應腔室中。
[0038]具體地，選取(001)偏[110]面的方向、偏角大小為I?9°的Ge襯底單晶片，并對所選取的Ge襯底進行清洗，也可以選擇免清洗的Ge襯底直接進入下一步的反應。
[0039]調節反應腔室的壓力環境，采用液氮冷卻配合下，利用冷栗將反應腔室中的背景壓力控制在低于9 X 10 wTorr,生長前保持反應腔室中殘余Ga的壓力低于2 X 10 8Torr0由于反應腔室的壓力有較高要求，因此，該方法中，采用固態分子束外延(SS-MBE)系統進行生長各層結構。將免清洗或已清洗的Ge襯底置于SS-MBE的反應腔室中，調節合適的壓力環境后準備進入下一步驟。
[0040]S102、在Ge襯底上生長一 As原子層。
[0041]具體地，首先將Ge襯底加熱至600?700°C的范圍內，保持反應腔室的真空壓力為I?3X 10 8Torr的范圍內；然后向反應腔室中通入VA族的As蒸汽，去除表面氧化層，保持該條件下的真空度和反應溫度，使Ge襯底表面覆蓋一層As單原子。
[0042]這個過程中如果在Ge表面先預通Ga等IIIA族源，由于這些材料自身的性質，會在Ge襯底表面產生堆積，改變Ge襯底表面的臺階分布，通入As蒸汽后就會產生反相疇等缺陷，并出現三維生長模式，降低材料的質量。因此本實施例提供的技術方案經過改進后，在高溫下先通入As蒸汽一段時間，As自身的性質決定只會在Ge襯底表面覆蓋一層As單原子層，不會出現原子堆積現象，維持Ge襯底表面的臺階分布。當Ga并入時，襯底會更具有選擇性，利用這種方法可以降低反相疇等缺陷的產生。
[0043]S103、在As原子層上生長一 GaAs緩沖層，對GaAs緩沖層反復進行退火工藝，直至由RHEED (反射式高能電子衍射儀)觀察到的圖像由點狀變為線狀。
[0044]具體地，將Ge襯底降溫至530?570°C的生長溫度，真空壓力依舊維持在I?3X 10 8Torr,同時向反應腔室通入VA族的As和IIIA族中的Ga蒸汽單質，開始生長GaAs緩沖層。生長速率控制在0.1?0.3 μ m/hr，當生長30s (厚度可以選擇為I?1nm左右)后，將溫度升到600?660 °C，長時間反復退火直到RHEED圖像由點狀邊為線狀。在退火時，停止通入Ga蒸汽，僅通入As蒸汽作為保護氣體。
[0045]S104、在GaAs緩沖層上生長GaAs外延薄膜。
[0046]具體地，將溫度為600?640°C的范圍內，以0.8?I μ m/hr的速率生長約10分鐘，得到厚度為0.1?0.5 μπι左右的GaAs外延薄膜。
[0047]本實施例除了按照如上步驟制備得到GaAs外延薄膜(以下簡稱樣品A3)之外，還制備了兩種對比樣品，分別為:未對GaAs緩沖層進行退火的GaAs外延薄膜(以下簡稱樣品Al) JtGaAs緩沖層進行短時間不充分退火的GaAs外延薄膜(以下簡稱樣品Α2)。三種樣品的制備過程的差別僅為對GaAs緩沖層進行退火工藝的不同。
[0048]圖2a_圖2c是GaAs外延薄膜的TEM圖。其中，圖2a是樣品Al的TEM圖；圖2b是樣品A2的TEM圖；圖2c是樣品A3的TEM圖。從圖2a可看出，沒有對GaAs緩沖層進行退火工藝的樣品Al存在高密度的反相疇，延伸范圍約lOOnm。從圖2b可看出，對GaAs緩沖層進行短時間不充分退火的樣品A2，反相疇尺寸有所減小，延伸范圍為50nm。如圖2c中，對GaAs緩沖層進行反復充分退火的樣品A3，其反相疇密度和尺寸大大降低，延伸范圍只有約10nm。由此可以說明，在低溫及低速率生長的GaAs緩沖層，經過長時間反復充分退火工藝，可以促使反相疇在材料生長初期自煙滅，提升GaAs外延薄膜的質量。
[0049]圖3a和圖3b是GaAs外延薄膜的AFM圖。圖3a是樣品A2的AFM圖；圖3b是樣品A3的AFM圖。經過測試，樣品A2的表面粗糙度為2.77nm，樣品A3的表面粗糙度為0.699nm。由此可以說明，反相疇的減少也促進了 GaAs外延薄膜表面形貌的改善。
[0050]圖4是GaAs外延薄膜的XRD圖譜。如圖4所示的圖譜，樣品Al、A2和A3的半峰寬分別為0.0479deg/rlu、0.0366deg/rlu和0.0218deg/rlu。由此可以說明，隨著反相疇延伸范圍的降低，晶體質量得到提高。
[0051]圖5是GaAs外延薄膜的拉曼(RAMAN)圖譜。如圖5所示的圖譜，樣品Al在574cm 1處的拉曼峰說明GaAs薄膜層中含有η型雜質，其雜質濃度可估算出為lX10lscm3，由于樣品是非故意摻雜，其η型雜質是由Ge的擴散造成的。樣品Α2和A3沒有觀察到這個峰，說明在低溫及低速率生長的GaAs緩沖層對Ge的擴散起到了抑制作用。
[0052]圖6是GaAs外延薄膜的光致發光(PL)圖譜。如圖6所示的圖譜，1.74ev處的發光峰是由擴散入GaAs薄膜的Ge和反相疇相互作用引起。經過GaAs緩沖層退火，樣品A2的1.74ev發光峰強度大大降低，樣品A3幾乎觀察不到此發光峰。另一方面，經過緩沖層退火后的樣品，本征發光峰的半峰寬也逐漸減小，說明晶體質量逐漸提高。
[0053]綜上所述，與現有技術相比，本發明實施例提供的在Ge襯底上生長GaAs外延薄膜的方法，首先，通過對初始緩沖層的充分退火促進了反相疇的自煙滅，提高了外延薄膜的晶體質量和改善了外延薄膜的表面形貌；并且對初始緩沖層的充分退火，使生長外延薄膜可能產生的應力在初期得到釋放，有利于后續薄膜的生長；另外，在低溫條件及低速率生長的GaAs緩沖層對Ge的擴散起到了抑制作用，改善了外延薄膜的電學和光學性質。本發明的方法可制備得到高質量的異質結結構，能夠用來制作光電器件，例如太陽能電池等。
[0054]以上所述僅是本申請的【具體實施方式】，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本申請原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本申請的保護范圍。
【主權項】
1.一種在Ge襯底上生長GaAs外延薄膜的方法，其特征在于，包括步驟: 5101、選取Ge襯底置于反應腔室中； 5102、在所述Ge襯底上生長一As原子層； 5103、在所述As原子層上生長一GaAs緩沖層，對所述GaAs緩沖層反復進行退火工藝，直至由RHEED觀察到的圖像由點狀變為線狀； 5104、在所述GaAs緩沖層上生長GaAs外延薄膜。2.根據權利要求1所述的在Ge襯底上生長GaAs外延薄膜的方法，其特征在于，所述Ge襯底采用(OOl)偏[110]面的方向，其偏角大小為I?9°。3.根據權利要求1所述的在Ge襯底上生長GaAs外延薄膜的方法，其特征在于，步驟S102具體為: 將Ge襯底加熱至600?700°C，反應腔室的真空壓力為I?3X 10 8Torr ； 向反應腔室中通入As蒸汽，在Ge襯底上獲得As原子層。4.根據權利要求1所述的在Ge襯底上生長GaAs外延薄膜的方法，其特征在于，步驟S103具體為: 將Ge襯底的溫度維持在530?570°C，反應腔室的真空壓力為I?3X 10 8Torr ; 向反應腔室中同時通入As和Ga蒸汽，在As原子層上獲得GaAs緩沖層； 對GaAs緩沖層反復進行退火工藝，直至由RHEED觀察到的圖像由點狀變為線狀；其中，退火溫度為600?660 °C。5.根據權利要求1或4所述的在Ge襯底上生長GaAs外延薄膜的方法，其特征在于，生長GaAs緩沖層的速率為0.1?0.3 μ m/hr,獲得的GaAs緩沖層的厚度為I?10nm。6.根據權利要求1所述的在Ge襯底上生長GaAs外延薄膜的方法，其特征在于，步驟S104中，生長GaAs外延薄膜的速率為0.8?I μπι/hr，生長溫度為600?640°C，獲得的GaAs外延薄膜的厚度為0.1?0.5 μ m。7.根據權利要求1所述的在Ge襯底上生長GaAs外延薄膜的方法，其特征在于，該方法中，采用固態分子束外延生長工藝生長各層結構。8.根據權利要求1所述的在Ge襯底上生長GaAs外延薄膜的方法，其特征在于，在進行步驟SlOl之前，還包括對Ge襯底進行清洗的步驟。
【文檔編號】C30B29/42GK105986321SQ201510082868
【公開日】2016年10月5日
【申請日】2015年2月16日
【發明人】賈少鵬, 何巍, 陸書龍
【申請人】中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所