GaAs基InSb薄膜的分子束外延生长方法

摘要

GaAs基InSb薄膜的分子束外延生长方法，涉及一种用在霍尔器件、磁阻传感器与光电探测器领域中的InSb薄膜的外延制备工艺。为了减小GaAs与InSb较大的晶格失配，本发明先采用衬底温度600℃，Ga束流为6×10－7mbar，As束流为1.2×10－5mbar，在GaAs衬底上生长GaAs缓冲层；衬底温度320℃，In束流为6×10－8mbar，Sb束流为2.4×10－7mbar，生长低温InSb缓冲层；衬底温度410℃，In束流为4.5×10－7mbar，Sb束流为2.7×10－6mbar，生长InSb外延层。采用本发明的方法制备出的结晶完整、表面光滑的外延InSb薄膜的室温电子迁移率可达4.35×104cm2V－1s－1，室温载流子浓度可达3.42×1016cm－3。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用在霍尔器件、磁阻传感器与光电探测器领域中的InSb薄膜的外延制备工艺，具体涉及GaAs基InSb薄膜的分子束外延生长的工艺技术。

背景技术

InSb薄膜由于其优异的光电性能与磁阻特性越来越受到人们的重视，是近二十年来国内外的研究热点。InSb薄膜已广泛应用于制作霍尔器件、磁阻传感器与光电探测器，其制备方法包括真空蒸镀法、磁控溅射法、化学气相沉积法与分子束外延法。在光电探测器应用方面，采用GaAs衬底或Si衬底上外延生长InSb薄膜，有利于将大面积的InSb探测器阵列与GaAs基或Si基信号读出与处理部件进行单片集成。异质外延的InSb薄膜与衬底GaAs之间存在较大的晶格失配度(14.6％)，由于晶格失配引起界面处高密度的位错，在薄膜中产生大量缺陷，影响了薄膜的质量与器件的性能。因此，获取GaAs基单晶外延、高电子迁移率的InSb薄膜的分子束外延生长的工艺技术具有现实的应用价值。

发明内容

为了减小GaAs与InSb较大的晶格失配，获得在GaAs衬底上的表面粗糙度小、结晶完整与电性能好的InSb薄膜，本发明提出一种GaAs基InSb薄膜的分子束外延生长方法。

本发明的具体步骤是：

a、除气、脱氧化膜：GaAs衬底首先在400℃下加热除气1小时，然后衬底升温到580℃脱氧化膜；

b、生长GaAs缓冲层(此步骤可以省略)：GaAs缓冲层生长时，控制温度为600℃，Ga束流为6×10^-7mbar，As束流为1.2×10^-5mbar，生长时间为20分钟；

c、生长低温InSb缓冲层：低温InSb缓冲层生长时，控制温度为320℃～330℃，In束流为6×10^-8mbar，Sb束流为2.4×10^-7mbar，生长时间为8～10分钟；

d、生长InSb外延层：InSb外延层生长时，控制温度为410℃，In束流为4.5×10^-7mbar，Sb束流为2.7×10^-6mbar，生长时间为2小时。

本发明采用免清洗的GaAs(001)半绝缘衬底，使用分子束外延设备在预处理的GaAs衬底上先生长GaAs缓冲层与低温InSb缓冲层，再生长满足需要厚度的InSb外延层。在GaAs衬底上先生长厚约0.2μm GaAs缓冲层，可以减小衬底表面杂质的影响，同时改善后续薄膜的结晶质量；低温InSb缓冲层的生长需要精确控制膜厚在30～40nm，这能使后续InSb外延层的表面粗糙度小且电性能较好；InSb外延层的生长温度选择在出现InSb(1×3)再构以上20℃(大约为410℃)，在该生长条件下生长的InSb外延薄膜的表面粗糙度较小而且电性能较好。采用本发明的GaAs基InSb薄膜的分子束外延生长工艺方法制备出的结晶完整、表面光滑的外延InSb薄膜的室温电子迁移率可达4.35×10⁴cm²V^-1s^-1，室温载流子浓度可达3.42×10¹⁶cm^-3，为GaAs基光电器件的制作提供了材料工艺手段。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式按照如下步骤进行：

1、免清洗的GaAs(001)衬底首先在(预备室)400℃下加热除气1小时，然后衬底(传入生长室)升温到580℃左右在As气氛保护下脱去氧化膜；

2、衬底升温20℃，控制Ga束流为6×10^-7mbar，As束流为1.2×10^-5mbar，生长20分钟，生成GaAs缓冲层；

3、衬底降温至320℃，控制In束流为6×10^-8mbar，Sb束流为2.4×10^-7mbar，生长8～10分钟，生成低温InSb缓冲层；

4、在Sb气氛保护下衬底升温至410℃，控制In束流为4.5×10^-7mbar，Sb束流为2.7×10^-6mbar，生长2小时，生成InSb外延层；

5、在Sb气氛保护下衬底降温至300℃，关Sb快门，衬底降温至室温。

本实施方式中各源炉工作温度以产生所给束流为准。第2步GaAs缓冲层的生长可以省略。第2步GaAs缓冲层的生长温度以GaAs衬底脱去氧化膜以上20℃为准，其膜厚大约为0.2μm。第3步低温InSb缓冲层的生长速率通过高能电子衍射仪强度振荡曲线确定，其膜厚为30～40nm。第4步InSb外延层生长温度以出现InSb(1×3)再构以上20℃为准，其膜厚大约为0.7～1.2μm。

本实施方式中，GaAs衬底为免清洗的GaAs(001)半绝缘衬底，外延生长的薄膜材料为InSb，外延生长使用的设备为分子束外延设备(VG，V-80H)。

具体实施方式二：本实施方式中，薄膜生长的结构依次为GaAs缓冲层、低温InSb缓冲层与InSb外延层。其中：衬底温度600℃，Ga束流为6×10^-7mbar，As束流为1.2×10^-5mbar，生长GaAs缓冲层0.2μm；衬底温度320℃，In束流为6×10^-8mbar，Sb束流为2.4×10^-7mbar，生长低温InSb缓冲层35nm；衬底温度410℃，In束流为4.5×10^-7mbar，Sb束流为2.7×10^-6mbar，生长InSb外延层1.2μm。生长得到的InSb薄膜双晶X射线衍射InSb(004)衍射峰半高峰宽503″，5×5μm选区表面均方根粗糙度5.54nm，室温下电子迁移率4.35×10⁴cm²v^-1s^-1，载流子浓度1.84×10¹⁶cm^-3。

具体实施方式三：本实施方式中，薄膜生长的结构依次为GaAs缓冲层、低温InSb缓冲层与InSb外延层。其中：衬底温度600℃，Ga束流为6×10^-7mbar，As束流为1.2×10^-5mbar，生长GaAs缓冲层0.2μm；衬底温度320℃，In束流为6×10^-8mbar，Sb束流为2.4×10^-7mbar，生长低温InSb缓冲层35nm；衬底温度410℃，In束流为4.5×10^-7mbar，Sb束流为2.7×10^-6mbar，生长InSb外延层0.7μm。生长得到的InSb薄膜双晶X射线衍射InSb(004)衍射峰半高峰宽764″，5×5μm选区表面均方根粗糙度4.35nm，室温下电子迁移率2.40×10⁴cm²v^-1s^-1，载流子浓度3.42×10¹⁶cm^-3。

具体实施方式四：本实施方式中，薄膜生长的结构依次为低温InSb缓冲层与InSb外延层。其中：衬底温度320℃，In束流为6×10^-8mbar，Sb束流为2.4×10^-7mbar，生长低温InSb缓冲层40nm；衬底温度410℃，In束流为4.5×10^-7mbar，Sb束流为2.7×10^-6mbar，生长InSb外延层1.2μm。生长得到的InSb薄膜双晶X射线衍射InSb(004)衍射峰半高峰宽608″，5×5μm选区表面均方根粗糙度3.89nm，室温下电子迁移率3.33×10⁴cm²v^-1s^-1，载流子浓度2.09×10¹⁶cm^-3。