砷化镓表面特性及紫外光激发下表面氧化反应研究

摘要

砷化镓(GaAs)半导体材料在国防、卫星通讯等领域有极其重要的作用.但由于砷化镓表面的特殊性和复杂性,限制了该类器件的发展.该文用各种现代表面分析技术着重研究了砷化镓表面的化学特性以及紫外光激发下砷化镓表面的氧化反应,讨论了反应机理,开展了表面处理技术在砷化镓器件中的应用研究.通过研究取得如下成果:1.建立了一套用XPS准确测量砷化镓表面化学组成、氧化层厚度的测量方法.研究发现自然氧化层主要由Ga<,2>O<,3>、As<,2>O<,5>、As<,2>O<,3>及元素As组成,表面明显富镓,而且表面晶体完整性越差,表面自然氧化层越厚;而氧化层越厚镓砷比越大.2.首次尝试了用有机溶剂作为Na<,2>S和(NH<,4>)<,2>S处理介质,对砷化镓表面进行硫钝化处理.结果表明,砷化镓表面硫化层厚度与所用溶液的极性有关,用极性小的有机醇(乙醇和异丙醇)作溶剂可以得到更厚的硫钝化层.首次用软硬酸碱理论解释了实验现象,即:溶剂改变了含硫物质(Lewis碱)的软硬度,使之能与GaAs表面相匹配.3.首次系统地研究了紫外光激发下,反应气氛、紫外光源强度、样品与光源距离、辅助臭氧增强装置等对砷化镓表面氧化反应的影响,并对砷化镓表面的氧化反应过程进行了较深入的探讨.研究发现,紫外光激发下,GaAs表面生成了氧化膜,同时清除了表面污染碳.一定时间内,氧化膜中的镓砷比可以与基体完全保持一致;随着反应时间的延长,更有利于As氧化物的形成.用此方法获得了具有一定的化学稳定性的,适合于器件制备的钝化层.首次发现该反应分两个阶段,并提出紫外光激发的砷化镓表面氧化反应的实质是光催化反应.4.首次成功地将

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第一章绪论

1.1砷化镓材料

1.1.1砷化镓基本性质

1.1.2砷化镓表面

1.2半导体表面研究方法

1.3砷化镓表面研究现状

1.3.1表面基本化学特性的研究

1.3.2表面钝化研究

1.4本文研究内容

1.5本课题研究意义

第二章实验装置及分析方法

2.1实验装置

2.1.1惰性气体保护送样进样装置

2.1.2紫外光/臭氧处理装置

2.2 X-射线光电子能谱分析方法

2.2.1基本原理

2.2.2 XPS测量半导体材料结合能的原理

2.2.3 XPS测量表面化学计量比的原理

2.2.4 XPS测量氧化层厚度的原理

2.2.5仪器构成

2.2.6 XPS测试条件设定

第三章砷化镓晶片表面自然氧化层特性研究

3.1研究方法

3.2结果及讨论

3.2.1砷化镓晶片表面污染物

3.2.2砷化镓晶片表面晶体完整性

3.2.3砷化镓晶片表面化学组成及价态

3.2.4砷化镓抛光片表面氧的深度分布

3.2.5砷化镓晶片表面晶体完整性与自然氧化层的关系

3.3砷化镓自然氧化层形成机理分析

3.3.1砷化镓表面晶体完整性对自然氧化层形成的影响

3.3.2砷化镓表面自然氧化的热力学分析

3.4本章小结

第四章砷化镓晶片表面硫钝化研究

4.1研究方法

4.2结果与讨论

4.2.1用Na2S·9H2O溶液进行钝化处理

4.2.1用(NH4)2S溶液进行钝化处理

4.3用Lewis酸碱理论分析砷化镓表面硫钝化

4.3.1 Lewis酸碱理论简介

4.3.2硫化物在溶液中软硬度的变化以及与GaAs表面的作用

4.4本章小结

第五章紫外光激发下砷化镓的表面氧化反应

5.1前言

5.2研究方法

5.2.1样品

5.2.2样品编号及处理过程

5.2.3 XPS测试

5.3结果与讨论

5.3.1紫外光/臭氧氧化对GaAs表面组成的影响

5.3.2反应气氛对紫外光激发的GaAs表面氧化的影响

5.3.3紫外光辐照强度对砷化镓表面氧化的影响

5.3.4砷化镓表面与光源的距离对氧化的影响

5.3.5辅助增强装置对砷化镓表面紫外光氧化的影响

5.4反应机理及动力学分析

5.4.1反应机理分析

5.4.2反应过程动力学分析

5.5本章小结

第六章紫外光/臭氧处理后砷化镓表面特性研究

6.1研究方法

6.2结果与讨论

6.2.1处理方法对砷化镓晶片表面形貌处理方法对

6.2.2处理方法对砷化镓晶片在空气中的化学稳定性处理方法对

6.2.3处理方法对砷化镓晶片光致发光性能的影响

6.4本章小结

第七章紫外光/臭氧处理在砷化镓器件中的应用研究

7.1实验

7.1.1器件结构

7.1.2器件制作工艺过程

7.1.3砷化镓晶片表面处理

7.1.4 GaAs MESFET性能测试

7.2应用结果

7.3本章小结

第八章全文总结

8.1主要成果及创新

8.2展望

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文

攻读博士学位期间的科研成果

附录

致谢