用磁控溅射法在镓砷衬底上外延生长铟砷锑薄膜的方法

摘要

一种用磁控溅射法在镓砷衬底上外延生长铟砷锑薄膜的方法，其特征在于，包括如下步骤：1)以砷化镓单晶片为衬底；2)以用铟、砷和锑单质或含有它们的化合物按原子数比In∶As∶Sb＝1∶x∶(1－x)制成的成分均匀的铟砷锑块材料为溅射靶；3)以高纯氩气为溅射气体，其气压为Ps；4)设定溅射生长时的衬底温度为Ts；5)设定溅射生长时的溅射功率为Ws；6)设定溅射生长时靶离衬底的距离为d；7)用上述的生长条件，在一台基压可小于10－3Pa的磁控溅射仪中生长铟砷锑薄膜。

说明书

技术领域

本发明属于薄膜的外延生长技术领域，主要涉及半导体材料的外延生长方法。

背景技术

远红外线(λ＞8μm)探测器在民用和军用上都有广泛的用途，如热成像仪、驾驶员夜视增强观察仪和各种遥感设备等。现在人们广泛应用的远红外线探测材料就只有Hg_xCd_1-xTe一种，而Hg_xCd_1-xTe又有稳定性和大面积均匀性差的缺点，所以人们一直在致力于寻找Hg_xCd_1-xTe的替代材料，InAs_xSb_1-x是其中非常理想的一种。InAs_xSb_1-x的禁带宽度可随x从0.36eV变化到0.099eV(对应波长范围为3.1～12.5μm)，也像Hg_xCd_1-xTe一样有很高的载流子迁移率和低的介电常数，但它的化学稳定性好，自扩散系数低，而且III-V族半导体的外延生长和加工处理工艺相对容易并高度发达。

在砷化镓(GaAs)衬底上外延生长高质量的InAs_xSb_1-x薄膜是人们追求的目标，因为这样即可以大大降低探测元的成本，又能将探测元集成到集成电路中去，大幅简化探测器的结构。但是由于GaAs与InAsxSb_1-x之间有很大的晶格失配(7.2％＜Δa/a＜14.6％)，所以一般很难在GaAs衬底上生长出高质量的InAs_xSb_1-x外延膜。目前人们主要是用分子束外延(MBE)和低压有机金属化学气相沉积(LP-MOCVD)法来在GaAs衬底上外延生长InAs_xSb_1-x薄膜，但是这两种方法的设备昂贵，材料生长成本高。磁控溅射是一种常用的薄膜制备方法，其设备相对简单经济，材料生长方法简单、成本低廉，目前广泛应用于金属材料、磁性材料和功能陶瓷材料等的薄膜生长。若能用磁控溅射法在GaAs衬底上外延生长出高质量的InAs_xSb_1-x薄膜，对这种材料在实际中应用有很大的推动作用。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种用磁控溅射法在镓砷衬底上外延生长铟砷锑薄膜的方法，为长波长红外探测器提供实用化的探测元材料。要求保护的发明的技术方案：

本发明一种用磁控溅射法在镓砷衬底上外延生长铟砷锑薄膜的方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)以砷化镓单晶片为衬底；

2)以用铟、砷和锑单质或含有它们的化合物按原子数比In∶As∶Sb＝1∶x∶(1-x)制成的成分均匀的铟砷锑块材料为溅射靶；

3)以高纯氩气为溅射气体，其气压为P_s；

4)设定溅射生长时的衬底温度为T_s；

5)设定溅射生长时的溅射功率为W_s；

6)设定溅射生长时靶离衬底的距离为d；

7)用上述的生长条件，在一台基压可小于10^-3Pa的磁控溅射仪中生长铟砷锑薄膜。

其中生长铟砷锑薄膜的时间为0.1～20小时。

其中x的取值范围是：0＜x＜1。

其中P_s的取值范围是：10^-3Pa＜P_s＜10Pa。

其中T_s的取值范围是：500K＜T_s＜1500K。

其中W_s的取值范围是：0W＜W_s＜500W。

其中d的取值范围是：0cm＜d＜20cm。

发明与背景技术相比所具有的有意义的效果

本发明所提供的生长方法能实现在GaAs衬底上InAs_xSb_1-x外延膜的外延生长，与其它常用的生长方法(如LP-MOCVD和MBE)相比，有设备相对简单经济，材料生长方法简单、成本低廉的优点。并且所生长的InAs_xSb_1-x外延膜表面光洁度高，与衬底的附着力强。

附图说明

为进一步说明本发明的技术内容，以下结合实施例及附图详细说明如后，其中：

图1是本发明样品的X射线衍射谱图。

具体实施方式

1、实现发明的主要设备：磁控溅射仪；

2、按照生长方法，并根据生长设备的个体情况进行适当调整；

3、靶的纯度应大于或等于99.9999％；

4、高纯氩气的纯度应大于或等于99.999％；

5、磁控溅射仪的基压应小于10^-4Pa；

6、溅射气压设在0.1～0.15Pa范围内；

7、溅射生长时靶和衬底的距离设在3～5cm范围内；

8、溅射功率设在20～100W范围内；

9、衬底温度设在750K以上，应根据所生长InAs_xSb_1-x薄膜的成分x变动衬底温度，x越大衬底温度应越高。

本发明一种用磁控溅射法在镓砷衬底上外延生长铟砷锑薄膜的方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)以砷化镓单晶片为衬底；

2)以用铟、砷和锑单质或含有它们的化合物按原子数比In∶As∶Sb＝1∶x∶(1-x)制成的成分均匀的铟砷锑块材料为溅射靶，x的取值范围是：0＜x＜1；

3)以高纯氩气为溅射气体，其气压为P_s，P_s的取值范围是：10^-3Pa＜P_s＜10Pa；

4)设定溅射生长时的衬底温度为T_s，T_s的取值范围是：500K＜T_s＜1500K；

5)设定溅射生长时的溅射功率为W_s，W_s的取值范围是：0W＜W_s＜500W；

6)设定溅射生长时靶离衬底的距离为d，d的取值范围是：0cm＜d＜20cm；

7)用上述的生长条件，在一台基压可小于10^-3Pa的磁控溅射仪中生长铟砷锑薄膜，该生长铟砷锑薄膜的时间为0.1～20小时。

实施例

1、生长所用的主要设备：一台国产磁控溅射仪，其基压可达到3.0×10^-5Pa。

2、把高纯的(99.9999％以上)单质铟(In)、单质砷(As)和单质锑(Sb)按原子数比In∶As∶Sb＝1∶0.3∶0.7放入坩锅中，在高压氩气环境中熔融均匀混合，然后边搅拌边冷却，最后制成成分均匀的InAs_0.3Sb_0.7块材料。再用这种块材料制备一块磁控溅射仪中能用的溅射靶。

3、把上述InAs_0.3Sb_0.7靶装入磁控溅射仪中，把靶距调为4.0cm。在装入衬底之前先对靶进行预溅射，溅射气氛为0.13Pa的氩气(Ar)，溅射功率为60W(射频源)，溅射时间为1小时。

4、半绝缘GaAs衬底经过清洗腐蚀处理，除去表面污物和氧化层后，用衬托将其装入磁控溅射仪中。在通气溅射生长之前(基压的高真空环境下)，先将GaAs衬底加热到700℃，并在700℃下保温5～10分钟，以进一步除去其表面的氧化层。

5、把衬底温度降至溅射生长时的温度：480℃，待衬底温度稳定后即可通气开始溅射生长，生长时的工艺条件为：溅射气氛为0.13Pa的氩气(Ar)、溅射功率为60W(射频源)。溅射生长的时间为6小时。

6、生长结束后马上降温，待衬底温度降至100℃以下后将样品取出。

生长结果：

按照上述生长方法成功地在半绝缘砷化镓单晶衬底上外延生长出了InAs_0.3Sb_0.7薄膜，样品的X射线衍射谱如图1所示，其衍射峰位置与用维佳定律算出的InAs_0.3Sb_0.7的衍射峰位置非常吻合。图中InAs_0.3Sb_0.7的衍射峰的半高宽比较窄，说明InAs_0.3Sb_0.7外延膜质量比较好，而且InAs_0.3Sb_0.7外延膜的表面呈镜面状，非常平整与光洁。