在Ge衬底上生长GaAs外延薄膜的方法

摘要

本发明公开了一种在Ge衬底上生长GaAs外延薄膜的方法，包括步骤：S101、选取Ge衬底置于反应腔室中；S102、在所述Ge衬底上生长一As原子层；S103、在所述As原子层上生长一GaAs缓冲层，对所述GaAs缓冲层反复进行退火工艺，直至由RHEED观察到的图像由点状变为线状；S104、在所述GaAs缓冲层上生长GaAs外延薄膜。该方法能够促进Ge衬底和GaAs外延薄膜之间的反相畴自湮灭，提高了外延薄膜的晶体质量和改善了外延薄膜的表面形貌。

说明书

技术领域

本发明涉及半导体材料技术领域，尤其涉及一种在Ge衬底上生长GaAs外延薄膜的方法。

背景技术

近年来，异质外延器件引起人们越来越多的重视，主要是由于其在改进外延层厚度和晶格失配度方面存在很大的空间。长期以来，人们普遍认为在Si衬底上外延Ge_xSi_1-x合金可以用来制作多种光电器件，从而符合Si基集成电路和光电器件集成的要求。实际上，直接在Si衬底上外延IIIA-VA族化合物可以制作出更多新类型的光电器件，困难在于晶格失配较大，异质界面处会产生大量的位错，从而限制了其应用。

由于Ge与GaAs的晶格常数相差很小，所以受到人们更多的重视，例如应用在Ge基多结太阳能电池中。Ge的带隙宽度为0.67eV，与(In)GaAs、GaInP能组成光电转换效率较高的带隙组合，目前，InGaP/(In)GaAs/Ge三结级联太阳能电池大规模生产的平均效率已经接近30％。在240倍聚光下，这种多结太阳能电池的实验室AM1.5D效率已经超过了40％。

然而，由于Ge是非极性半导体，与GaAs化合物半导体的极性相反，所以很容易产生反相畴，这些反相畴会成为载流子的复合中心，严重降低器件的性能，而且异质界面间的互扩散也会改变材料的光学和电学性质。

发明内容

本发明为了克服上述现有技术存在的缺陷，提供了一种在Ge衬底上生长GaAs外延薄膜的方法，该方法能够促进Ge衬底和GaAs外延薄膜之间的反相畴自湮灭，提高了外延薄膜的晶体质量和改善了外延薄膜的表面形貌。

为了达到上述目的，本发明采用了如下的技术方案：

一种在Ge衬底上生长GaAs外延薄膜的方法，包括步骤：

S101、选取Ge衬底置于反应腔室中；

S102、在所述Ge衬底上生长一As原子层；

S103、在所述As原子层上生长一GaAs缓冲层，对所述GaAs缓冲层反复 进行退火工艺，直至由RHEED观察到的图像由点状变为线状；

S104、在所述GaAs缓冲层上生长GaAs外延薄膜。

进一步地，所述Ge衬底采用(001)偏[110]面的方向，其偏角大小为1～9°。

进一步地，步骤S102具体为：

将Ge衬底加热至600～700℃，反应腔室的真空压力为1～3×10^-8Torr；

向反应腔室中通入As蒸汽，在Ge衬底上获得As原子层。

进一步地，步骤S103具体为：

将Ge衬底的温度维持在530～570℃，反应腔室的真空压力为1～3×10^-8Torr；

向反应腔室中同时通入As和Ga蒸汽，在As原子层上获得GaAs缓冲层；

对GaAs缓冲层反复进行退火工艺，直至由RHEED观察到的图像由点状变为线状；其中，退火温度为600～660℃。

进一步地，生长GaAs缓冲层的速率为0.1～0.3μm/hr，获得的GaAs缓冲层的厚度为1～10nm。

进一步地，步骤S104中，生长GaAs外延薄膜的速率为0.8～1μm/hr，生长温度为600～640℃，获得的GaAs外延薄膜的厚度为0.1～0.5μm。

进一步地，该方法中，采用固态分子束外延生长工艺生长各层结构。

进一步地，在进行步骤S101之前，还包括对Ge衬底进行清洗的步骤。

本发明的有益效果体现在：

一、对初始缓冲层的充分退火促进了反相畴的自湮灭，提高了外延薄膜的晶体质量和改善了外延薄膜的表面形貌。

二、在低温条件及低速率生长的GaAs缓冲层对Ge的扩散起到了抑制作用，改善了外延薄膜的电学和光学性质。

三、对初始缓冲层的充分退火，使生长外延薄膜可能产生的应力在初期得到释放，有利于后续薄膜的生长。

附图说明

图1是本发明实施例提供的在Ge衬底上生长GaAs外延薄膜的方法的工艺流程图。

图2a-图2c是本发明实施例提供的GaAs外延薄膜的TEM图。

图3a-图3b是本发明实施例提供的GaAs外延薄膜的AFM图

图4是本发明实施例提供的GaAs外延薄膜的XRD图谱。

图5是本发明实施例提供的GaAs外延薄膜的拉曼(RAMAN)图谱。

图6是本发明实施例提供的GaAs外延薄膜的光致发光(PL)图谱。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行详细地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护范围。

本实施例中IIIA族采用Ga元素作为IIIA族源、VA族采用As元素作为VA族源，在Ge衬底上制作GaAs外延薄膜。

如图1所示的工艺流程图，本实施例提供的在Ge衬底上生长GaAs外延薄膜的方法，包括步骤：

S101、选取Ge衬底置于反应腔室中。

具体地，选取(001)偏[110]面的方向、偏角大小为1～9°的Ge衬底单晶片，并对所选取的Ge衬底进行清洗，也可以选择免清洗的Ge衬底直接进入下一步的反应。

调节反应腔室的压力环境，采用液氮冷却配合下，利用冷泵将反应腔室中的背景压力控制在低于9×10^-10Torr，生长前保持反应腔室中残余Ga的压力低于2×10^-8Torr。由于反应腔室的压力有较高要求，因此，该方法中，采用固态分子束外延(SS-MBE)系统进行生长各层结构。将免清洗或已清洗的Ge衬底置于SS-MBE的反应腔室中，调节合适的压力环境后准备进入下一步骤。

S102、在Ge衬底上生长一As原子层。

具体地，首先将Ge衬底加热至600～700℃的范围内，保持反应腔室的真空压力为1～3×10^-8Torr的范围内；然后向反应腔室中通入VA族的As蒸汽，去除表面氧化层，保持该条件下的真空度和反应温度，使Ge衬底表面覆盖一层As单原子。

这个过程中如果在Ge表面先预通Ga等IIIA族源，由于这些材料自身的性质，会在Ge衬底表面产生堆积，改变Ge衬底表面的台阶分布，通入As蒸汽后就会产生反相畴等缺陷，并出现三维生长模式，降低材料的质量。因此本 实施例提供的技术方案经过改进后，在高温下先通入As蒸汽一段时间，As自身的性质决定只会在Ge衬底表面覆盖一层As单原子层，不会出现原子堆积现象，维持Ge衬底表面的台阶分布。当Ga并入时，衬底会更具有选择性，利用这种方法可以降低反相畴等缺陷的产生。

S103、在As原子层上生长一GaAs缓冲层，对GaAs缓冲层反复进行退火工艺，直至由RHEED(反射式高能电子衍射仪)观察到的图像由点状变为线状。

具体地，将Ge衬底降温至530～570℃的生长温度，真空压力依旧维持在1～3×10^-8Torr，同时向反应腔室通入VA族的As和IIIA族中的Ga蒸汽单质，开始生长GaAs缓冲层。生长速率控制在0.1～0.3μm/hr，当生长30s(厚度可以选择为1～10nm左右)后，将温度升到600～660℃，长时间反复退火直到RHEED图像由点状边为线状。在退火时，停止通入Ga蒸汽，仅通入As蒸汽作为保护气体。

S104、在GaAs缓冲层上生长GaAs外延薄膜。

具体地，将温度为600～640℃的范围内，以0.8～1μm/hr的速率生长约10分钟，得到厚度为0.1～0.5μm左右的GaAs外延薄膜。

本实施例除了按照如上步骤制备得到GaAs外延薄膜(以下简称样品A3)之外，还制备了两种对比样品，分别为：未对GaAs缓冲层进行退火的GaAs外延薄膜(以下简称样品A1)；对GaAs缓冲层进行短时间不充分退火的GaAs外延薄膜(以下简称样品A2)。三种样品的制备过程的差别仅为对GaAs缓冲层进行退火工艺的不同。

图2a-图2c是GaAs外延薄膜的TEM图。其中，图2a是样品A1的TEM图；图2b是样品A2的TEM图；图2c是样品A3的TEM图。从图2a可看出，没有对GaAs缓冲层进行退火工艺的样品A1存在高密度的反相畴，延伸范围约100nm。从图2b可看出，对GaAs缓冲层进行短时间不充分退火的样品A2，反相畴尺寸有所减小，延伸范围为50nm。如图2c中，对GaAs缓冲层进行反复充分退火的样品A3，其反相畴密度和尺寸大大降低，延伸范围只有约10nm。由此可以说明，在低温及低速率生长的GaAs缓冲层，经过长时间反复充分退火工艺，可以促使反相畴在材料生长初期自湮灭，提升GaAs外延薄膜的质量。

图3a和图3b是GaAs外延薄膜的AFM图。图3a是样品A2的AFM图；图3b是样品A3的AFM图。经过测试，样品A2的表面粗糙度为2.77nm，样品A3的表面粗糙度为0.699nm。由此可以说明，反相畴的减少也促进了GaAs 外延薄膜表面形貌的改善。

图4是GaAs外延薄膜的XRD图谱。如图4所示的图谱，样品A1、A2和A3的半峰宽分别为0.0479deg/rlu、0.0366deg/rlu和0.0218deg/rlu。由此可以说明，随着反相畴延伸范围的降低，晶体质量得到提高。

图5是GaAs外延薄膜的拉曼(RAMAN)图谱。如图5所示的图谱，样品A1在574cm^-1处的拉曼峰说明GaAs薄膜层中含有n型杂质，其杂质浓度可估算出为1×10¹⁸cm^-3，由于样品是非故意掺杂，其n型杂质是由Ge的扩散造成的。样品A2和A3没有观察到这个峰，说明在低温及低速率生长的GaAs缓冲层对Ge的扩散起到了抑制作用。

图6是GaAs外延薄膜的光致发光(PL)图谱。如图6所示的图谱，1.74ev处的发光峰是由扩散入GaAs薄膜的Ge和反相畴相互作用引起。经过GaAs缓冲层退火，样品A2的1.74ev发光峰强度大大降低，样品A3几乎观察不到此发光峰。另一方面，经过缓冲层退火后的样品，本征发光峰的半峰宽也逐渐减小，说明晶体质量逐渐提高。

综上所述，与现有技术相比，本发明实施例提供的在Ge衬底上生长GaAs外延薄膜的方法，首先，通过对初始缓冲层的充分退火促进了反相畴的自湮灭，提高了外延薄膜的晶体质量和改善了外延薄膜的表面形貌；并且对初始缓冲层的充分退火，使生长外延薄膜可能产生的应力在初期得到释放，有利于后续薄膜的生长；另外，在低温条件及低速率生长的GaAs缓冲层对Ge的扩散起到了抑制作用，改善了外延薄膜的电学和光学性质。本发明的方法可制备得到高质量的异质结结构，能够用来制作光电器件，例如太阳能电池等。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。