專利名稱：在鍺襯底上生長無反相疇砷化鎵薄膜的分子束外延方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體材料技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種在非極性材料襯底上
極性異質(zhì)材料的外延生長方法，特別是指在鍺(Ge)襯底上無反相疇砷化 鎵(GaAs)薄膜的分子束外延生長方法。
背景技術(shù)：
隨著全球工業(yè)的高速發(fā)展及人口的增長，對能源的需求越來越大，而 傳統(tǒng)不可再生能源如煤、石油等化石燃料的蘊藏是有限的，這就使得太陽 能電池作為一種新型能源出現(xiàn)在人們面前。同時隨著通訊技術(shù)的不斷發(fā) 展，也需要越來越多的太陽能電池應(yīng)用于空間技術(shù)中。而高效率的GaAs 太陽能電池與Si電池相比，因其具有更高的光電轉(zhuǎn)換效率，更強的耐輻照 能力和更好的耐高溫性能，因此成為了國際公認(rèn)的新一代空間太陽能電 池。
從衛(wèi)星實際需要成本和機械強度考慮，由于GaAs襯底成本較高，同 時因為Ge的機械強度、熱導(dǎo)率更高，在Ge襯底上生長GaAs電池，效率 大大提高，可顯著提高重量比功率，增加組裝的可靠性并降低組裝成本， 大大提高太陽電池的性價比。目前GalnP/GaAs/Ge三結(jié)電池的效率達(dá)到30 %以上。因此，基于Ge襯底的高效太陽能電池生長技術(shù)具有重要意義。
眾所周知，在非極性材料上異質(zhì)外延極性材料時容易產(chǎn)生反相疇。以 Ge襯底上異質(zhì)外延GaAs為例，Ge和GaAs材料晶體結(jié)構(gòu)都是由兩套面 心立方沿體對角線位移1/4套構(gòu)而成。對于Ge，兩套面心立方晶格原子相 同，翻轉(zhuǎn)90度后晶體結(jié)構(gòu)無變化，而且
方向與
方向無區(qū)另lJ;對 于GaAs， 一個面心立方晶格是由Ga原子構(gòu)成，另一個面心立方晶格是由 As原子構(gòu)成，[Oll]方向與[Ol-l]方向有區(qū)別。當(dāng)襯底選用(100)面，GaAs 表面外延GaAs時，Ga原子和As原子在格點上位置明確，外延層晶體結(jié) 構(gòu)與襯底一致，容易獲得高質(zhì)量外延薄膜；而在Ge表面外延GaAs時，Ga原子和As原子在格點上有兩種選擇，出現(xiàn)不確定性。由于Ga原子和 As原子在(100)平面上沒有優(yōu)先成核的位置，極易造成反向疇。反相疇 會降低載流子壽命、影響表面形貌、加劇外延層內(nèi)微裂紋產(chǎn)生、破壞晶體 的完整性。所以，采用適當(dāng)?shù)姆椒ㄏ聪喈牐谦@得高質(zhì)量外延薄膜的 前提條件。
另外，目前國際上尚無利用分子束外延直接在Ge襯底上制備出無反 相疇GaAs薄膜的先例。 一般在Ge襯底上利用分子束外延方法生長GaAs 時，需要預(yù)先淀積一層Ge并進(jìn)行高溫退火處理，以使襯底表面平整。這 無疑使得整個外延過程更為復(fù)雜。因此利用分子束外延方法直接在Ge襯 底上生長高晶體質(zhì)量無反相疇的GaAs薄膜成為一個難題。
發(fā)明內(nèi)容
(一) 要解決的技術(shù)問題
有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于提供一種在Ge襯底上生長無反相 疇GaAs薄膜的分子束外延方法，通過創(chuàng)新生長方法、優(yōu)化生長參數(shù)，從 而得到表面無反相疇高晶體質(zhì)量的GaAs薄膜，并且無需預(yù)淀積Ge的過 程。
(二) 技術(shù)方案
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種在Ge襯底上生長無反相疇GaAs 薄膜的分子束外延方法，包括如下步驟
步驟1:選取(100)面偏向<111>方向6°或9°的Ge襯底; 步驟2:對Ge襯底進(jìn)行除氣脫氧及退火處理；
步驟3:將進(jìn)行退火處理后的Ge襯底在As蒸氣環(huán)境下暴露一定時間， 然后在溫度300至650°C范圍內(nèi)在該Ge襯底上生長無反相疇的GaAs薄膜。
上述方案中，步驟1中選擇的Ge襯底為(100)面偏向<111>方向6°或 90的Ge單晶片。
上述方案中，步驟2中所述對Ge襯底進(jìn)行退火處理，退火溫度500 至700。C，退火時間5至30分鐘，且退火過程中沒有As保護(hù)。
上述方案中，步驟3中所述在Ge襯底上生長無反相疇的GaAs薄膜之前，無需在Ge襯底上生長Ge緩沖層，而直接在Ge襯底上生長GaAs薄膜。
上述方案中，步驟3中所述將進(jìn)行退火處理后的Ge襯底在砷As蒸氣 環(huán)境下暴露一定時間，該暴露時間范圍大于1分鐘；襯底溫度范圍為500 至700 。C。
上述方案中，步驟3中所述生長無反相疇的GaAs薄膜的厚度為l)am， 生長速率范圍為0.1pm/h至lpm/h，生長溫度范圍為300至65(TC。
(三)有益效果
室溫下對樣品進(jìn)行了雙晶X射線衍射(XRD)搖擺曲線測試、室溫光 熒光譜(PL)測試以及原子力顯微鏡(AFM)測試。測試結(jié)果表明，在 Ge襯底上生長的GaAs薄膜有著很好的晶體質(zhì)量，遠(yuǎn)優(yōu)于目前國際上的最 優(yōu)結(jié)果。
圖1是本發(fā)明提供的在Ge襯底上生長無反相疇GaAs薄膜的分子束 外延方法流程圖2是(100)面偏向<111>方向6?；?。的Ge襯底上，利用分子束外延 生長設(shè)備制備得到的GaAs薄膜樣品的室溫光熒光(PL)譜圖3是(100)面偏向<111>方向6°或9°的Ge襯底上，利用分子束外延 生長設(shè)備制備得到的GaAs薄膜樣品的雙晶X射線衍射(XRD)搖擺曲線；
圖4是(100)面偏向<111>方向6°或9°的Ge襯底上，利用分子束外延 生長設(shè)備制備得到的GaAs薄膜樣品的原子力顯微鏡(AFM)圖，其中， AFM測試結(jié)果表明材料表面粗糙度rms僅為0.718nm。
具體實施例方式
為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實 施例，并參照附圖，對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。
將Ge襯底用銦(In)粘在樣品托上，并引入進(jìn)樣室在180度的溫度 條件下進(jìn)行烘烤。烘烤完畢的Ge襯底引入緩沖室并在420度條件下進(jìn)行除氣處理，緩 沖室大氣壓降至l(T8T0rr以下時表明除氣完畢。
除過氣的Ge襯底引入生長室，并對襯底加熱器進(jìn)行升溫，在沒有As 保護(hù)的情況下進(jìn)行樣品的脫氧和退火處理。其中退火溫度范圍500至 700°C，退火時間5至30分鐘。
在退火過程中，借助反射式高能電子衍射儀(RHEED)觀察Ge襯底表 面的原子再構(gòu)情況，確定是否形成雙臺階。
退火結(jié)束后將襯底加熱器溫度降至生長溫度300至65(TC，并打開 As快門，使得襯底在As環(huán)境下暴露1分鐘以上。
以0.1pm/h至ljim/h的生長速率在Ge襯底上生長厚度為l)im的GaAs 薄膜，襯底托盤轉(zhuǎn)速為2rpm，生長溫度定固定在300至65(TC。
如圖1所示，本發(fā)明提供了一種在Ge襯底上生長無反相疇GaAs薄 膜的分子束外延生長方法，包括如下步驟
步驟1:選取(100)面偏向<111〉方向6?；?。的Ge襯底；
步驟2:對Ge襯底進(jìn)行除氣脫氧及退火處理；
步驟3:將進(jìn)行退火處理后的Ge襯底在As蒸氣環(huán)境下暴露一定時間， 然后在溫度300至65(TC范圍內(nèi)在該Ge襯底上生長無反相疇高晶體質(zhì)量 的GaAs薄膜。
其中，步驟1中選擇的Ge襯底為(100)面偏向^ll〉方向6?；?。的Ge 單晶片。
步驟2中所述的退火處理，是指要通過先升溫后降溫來實施對Ge襯 底的退火處理。所述對Ge襯底進(jìn)行退火處理，退火溫度500至700°C， 退火時間5至30分鐘，且退火過程中沒有As保護(hù)。
步驟3中所述在Ge襯底上生長無反相疇的GaAs薄膜之前，無需在 Ge襯底上生長Ge緩沖層，而直接在Ge襯底上生長GaAs薄膜。
步驟3中所述將進(jìn)行退火處理后的Ge襯底在砷As蒸氣環(huán)境下暴露一 定時間，該暴露時間范圍大于1分鐘；襯底溫度范圍為500至70(TC。
步驟3中所述生長無反相疇的GaAs薄膜的厚度為lpm，生長速率范 圍為0.1nm/h至lnm/h，生長溫度范圍為300至650。C。
按照上述生長工藝成功地在Ge襯底上生長出了 GaAs薄膜，其室溫光熒光譜(PL)、雙晶X射線衍射譜(XRD)以及原子力顯微鏡圖(AFM) 分別如圖2、圖3和圖4所示。
采用本發(fā)明設(shè)計的在Ge襯底上生長GaAs薄膜的分子束外延生長技 術(shù)參數(shù)，可以獲得高質(zhì)量的GaAs外延層，AFM測試結(jié)果表明材料表面粗 糙度僅為0.718nm，即成功地抑制了反相疇的產(chǎn)生，其材料質(zhì)量優(yōu)于目前 世界最好結(jié)果。另外室溫PL譜測試以及雙晶XRD衍射搖擺曲線也表明在 Ge襯底上外延生長的GaAs有著很好的晶體質(zhì)量。將這種外延技術(shù)應(yīng)用于 太陽能電池材料生長將極大地改善器件性能。
以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行 了進(jìn)一步詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而 已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修 改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1、一種在鍺襯底上生長無反相疇砷化鎵薄膜的分子束外延方法，其特征在于，包括如下步驟步驟1選取(100)面偏向<111>方向6°或9°的鍺Ge襯底；步驟2對Ge襯底進(jìn)行除氣脫氧及退火處理；步驟3將進(jìn)行退火處理后的Ge襯底在砷As蒸氣環(huán)境下暴露一定時間，然后在溫度300至650℃范圍內(nèi)在該Ge襯底上生長無反相疇的砷化鎵GaAs薄膜。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的在Ge襯底上生長無反相疇GaAs薄膜的分 子束外延方法，其特征在于，步驟1中選擇的Ge襯底為(100)面偏向〈111〉 方向6。或9。的Ge單晶片。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的在Ge襯底上生長無反相疇GaAs薄膜的分 子束外延方法，其特征在于，步驟2中所述對Ge襯底進(jìn)行退火處理，退 火溫度500至700°C，退火時間5至30分鐘，且退火過程中沒有As保護(hù)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的在Ge襯底上生長無反相疇GaAs薄膜的分 子束外延方法，其特征在于，步驟3中所述在Ge襯底上生長無反相疇的 GaAs薄膜之前，無需在Ge襯底上生長Ge緩沖層，而直接在Ge襯底上 生長GaAs薄膜。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的在Ge襯底上生長無反相疇GaAs薄膜的分 子束外延方法，其特征在于，步驟3中所述將進(jìn)行退火處理后的Ge襯底 在砷As蒸氣環(huán)境下暴露一定時間，該暴露時間范圍大于1分鐘；襯底溫 度范圍為500至70(TC。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的在Ge襯底上生長無反相疇GaAs薄膜的分 子束外延方法，其特征在于，步驟3中所述生長無反相疇的GaAs薄膜的 厚度為lpm，生長速率范圍為0.1pm/h至lpm/h，生長溫度范圍為300至 650°C。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種在鍺襯底上生長無反相疇砷化鎵薄膜的分子束外延方法，包括如下步驟步驟1選取(100)面偏向<111>方向6°或9°的Ge襯底；步驟2對Ge襯底進(jìn)行除氣脫氧及退火處理；步驟3將進(jìn)行退火處理后的Ge襯底在As蒸氣環(huán)境下暴露一定時間，然后在溫度300至650℃范圍內(nèi)在該Ge襯底上生長無反相疇的GaAs薄膜。測試結(jié)果表明，生長出的GaAs薄膜表面粗糙度僅為0.718nm，即成功地抑制了反相疇的產(chǎn)生，其晶體質(zhì)量優(yōu)于目前世界的最好結(jié)果。
文檔編號C30B29/10GK101624725SQ20081011641
公開日2010年1月13日 申請日期2008年7月9日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月9日
發(fā)明者倪海橋, 吳東海, 吳兵朋, 熊永華, 牛智川, 王鵬飛, 峰 詹, 黃社松 申請人:中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所