一種低溫生長(zhǎng)富砷的鎵砷銻薄膜的液相外延方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于中波紅外探測(cè)器材料與器件領(lǐng)域，具體涉及運(yùn)用傳統(tǒng)液相外延技術(shù)制備低溫富As的GaAs基GaAsSb薄膜材料。
【背景技術(shù)】
[0002]GaAsSb/GaAs量子阱的能帶結(jié)構(gòu)隨著Sb組分的增加有著巨大的變化。通過(guò)改變Sb組分濃度不但可以調(diào)節(jié)能帶寬度，還可以調(diào)節(jié)量子阱能帶排布在一型與二型之間轉(zhuǎn)換[1-6] ο這也是GaAsSb/GaAs量子阱吸引國(guó)內(nèi)外專家們?nèi)パ芯康闹饕蛑?。這樣的特點(diǎn)使GaAsSb/GaAs量子阱在光電器件和電子器件中都有很大的應(yīng)用潛力[7，8]。
[0003]到目前為止GaAs1 ^匕薄膜材料的制備方法多為分子束外延(MBE)方法、金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)方法。這些制備方法不受失配度、溶解度等條件限制，但是容易形成GaAs-GaSb兩相并存薄膜而非GaAsSb三元薄膜。而液相外延(LPE)技術(shù)是一種近平衡態(tài)生長(zhǎng)方法，可以避免生長(zhǎng)出GaAs-GaSb兩相并存薄膜的問(wèn)題的出現(xiàn)，且生長(zhǎng)出的外延材料位錯(cuò)密度低，晶體質(zhì)量高。但是由于As原子和Sb原子在薄膜生成的過(guò)程中不同的結(jié)合行為[9]使混合熔源在745°C時(shí)在0.32<x<0.62的范圍內(nèi)出現(xiàn)了不相混溶區(qū)(solid-phasemiscibility gap)，在這個(gè)區(qū)間內(nèi)無(wú)法形成GaAsSb三元薄膜，而且隨著溫度的降低，不相混溶區(qū)的區(qū)間逐漸擴(kuò)大[10，11]，并且隨著As組分的增加，液相外延生長(zhǎng)薄膜的溫度也會(huì)隨之增加[12]。這樣，使通過(guò)液相外延法低溫下(545°C左右)生長(zhǎng)富As的GaAsSb薄膜變得非常困難。因此，若能用液相外延方法低溫下生長(zhǎng)出富As的GaAsSb薄膜外延材料將對(duì)中紅外器件的發(fā)展起到極其重要的作用。
[0004]本專利通過(guò)改進(jìn)液相外延技術(shù)中的熔源的熔融方式，外延薄膜的生長(zhǎng)工藝參數(shù)，Sb組分的含量，成功地在545°C生長(zhǎng)出高質(zhì)量的GaAs。.94SSba(]52薄膜。所引用文獻(xiàn)如下:
[0005][1]G.Liu, S._L.Chuang, and S._H.Park, J.App1.Phys.88, 5554 (2000).
[0006][2] R.Teissier, D.Sicault，J.C.Harmand，G.Ungaro, G.L.Roux，andL.Largeau, J.App1.Phys.89, 5473 (2001).
[0007][ 3 ] M.Dinu，J.E.Cunningham, F.Quochi，and J.Shah, J.Ap p 1.Phys.94，1506(2003).
[0008][4] X.D.Luo, C.Y.Hu, Z.Y.Xu, H.L.Luo, Y.Q.Wang, J.N.Wang, and ff.K.Ge, App1.Phys.Lett.81, 3795 (2002).
[0009][5] G.Ji, S.Agarwal a, D.Huang, J.Chy i , and H.Morko, Phys.Rev.B38,10571(1988).
[0010][6] J.-B.Wang, S.R.Johnson, S.A.Chaparro , D.Ding, Y.Cao, Yu.G.Sadofyev, Y._H.Zhang, J.A.Gupta, and C.Z.Guo, Phys.Rev.B70, 195339 (2004).[0011 ] [7] P.-J.Niu, H.H.H.-ff.Dong, ff.Wang, and J.Zhou, Proc.SPIE 5624，630 (2005).
[0012][8]X.Sun, S.Wang, X.G.Zheng, X.Li, J.C.Campbell, and A.L.Holmes, Jr., J.App1.Phys.93，774(2003).
[0013][9]Jian-Ming Lin, L1-Chang Chou, and Hao-Hsiung Lin, J.Vac.Sc1.Technol.B29(2) (2011)
[0014][10]M.F.Gratton and J.C.Woolley, J.Electrochem.Soc.127, 55 (1980)
[0015][11] J.R.Pessetto and G.B.Stringfellow, J.Cryst.Growth 62, I (1983).
[0016][12]H.Mani, A.JouHie, F.Karouta, and C.Schiller, J.Appl.Phys.,Vol.59, N0.8(1986).

【發(fā)明內(nèi)容】

[0017]本發(fā)明的目的是提供一種低溫生長(zhǎng)富砷的鎵砷銻薄膜的液相外延方法，解決了液相外延技術(shù)無(wú)法低溫制備富As的GaAsSb薄膜材料的難題。
[0018]本發(fā)明中所說(shuō)的低溫是指薄膜生長(zhǎng)溫度低于550°C，富砷是指GaAs1 xSbjt膜中的As組分含量1-χ>0.85。
[0019]本發(fā)明涉及的富As的GaAsSb薄膜材料的制備方法包括以下步驟:
[0020]第一步，獲得GaAs同質(zhì)外延在550°C生長(zhǎng)的最佳工藝參數(shù)，包括生長(zhǎng)溫度550°C、過(guò)冷度20°C、生長(zhǎng)時(shí)間5min、降溫速率0.2°C /min。
[0021]第二步，熔源的兩次高溫熔融。第一次高溫熔源將純度為7N的Ga和GaAs單晶片在650°C熔融3h，然后降溫至550°C推舟使熔源與GaAs單晶襯底接觸12min以獲得穩(wěn)定組分的熔源，接著再次升溫到650°C恒溫Ih得到混合均勻的初始熔源材料；第二次高溫熔融，將初始熔源總質(zhì)量0.5%純度為7N的Sb粉末加入初始熔源并在650°C下恒溫2小時(shí)，得到生長(zhǎng)熔源。
[0022]第三步:生長(zhǎng)工藝如下，將在650°C下恒溫2小時(shí)的生長(zhǎng)熔源以10°C /min的降溫速率降溫至548°C，恒溫15分鐘，然后以0.2 0C /min的降溫速率降溫15min，接著推動(dòng)滑舟使恪源與GaAs襯底接觸，進(jìn)行富As的GaAsSb薄膜的生長(zhǎng)5min，最后推開(kāi)恪源獲得富As的GaAsSb 薄膜。
[0023]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是:可以在低溫下得到富As的GaAsSb外延薄膜，晶體質(zhì)量?jī)?yōu)良，且制備工藝簡(jiǎn)單易行，成本低廉。
【附圖說(shuō)明】
[0024]圖1 是 GaAsQ.948SbQ.Q52外延薄膜的 HRXRD 譜。
[0025]圖2是GaAs襯底和GaAsa94SSba(]5j延薄膜歸一化后的傅里葉紅外透射光譜。
[0026]圖3是GaAs襯底和GaAsa948SbatJ5;^延薄膜的拉曼光譜。
【具體實(shí)施方式】
[0027]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】做進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明:
[0028]首先，按照相圖配制550°C的GaAs飽和熔源，將清洗且腐蝕好的熔源材料(7N的Ga，非摻雜的GaAs單晶片)和非摻雜GaAs單晶襯底放入石墨舟相應(yīng)的腔體中，裝入石英管中，以15°C /min的速率快速升溫至650°C并恒溫3小時(shí)，然后以10°C /min的速度降溫至5700C，并推舟使熔源與GaAs單晶襯底接觸12min，接著再次升溫到650°C恒溫lh，之后開(kāi)風(fēng)扇使熔源溫度快速降至室溫，得到確定配比的初始熔源材料。隨后，將稱量好的初始熔源總質(zhì)量的0.5%的Sb粉末加入初始熔源中，并用清洗腐蝕好的非摻雜GaAs單晶襯底更換石墨舟中已經(jīng)用過(guò)的襯底，以15°C /min的速率快速升溫至650°C并恒溫2小時(shí)，使熔源中各組分混合均勻，然后以10°C /min速率降至548°C，并恒溫15分鐘，接著以0.2°C /min的速率開(kāi)始降溫，15min之后推動(dòng)滑舟使恪源與GaAs襯底接觸，進(jìn)行GaAsSb外延薄膜的生長(zhǎng)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種低溫生長(zhǎng)富砷的鎵砷銻薄膜的液相外延方法，其特征在于方法步驟如下:第一步，獲得GaAs同質(zhì)外延在550°C生長(zhǎng)的最佳工藝參數(shù):生長(zhǎng)溫度550°C、過(guò)冷度20 °C、生長(zhǎng)時(shí)間5min和降溫速率0.2 °C /min ； 第二步，熔源的兩次高溫熔融，第一次高溫熔融將純度為7N的Ga和GaAs單晶片在650°C熔融3h，然后降溫至550°C推舟使熔源與GaAs單晶襯底接觸以獲得穩(wěn)定組分的熔源，接著再次升溫到650°C恒溫Ih得到混合均勻的初始熔源材料；第二次高溫熔融，將初始熔源總質(zhì)量0.5%純度為7N的Sb粉末加入初始熔源并在650°C下恒溫2小時(shí)，得到生長(zhǎng)熔源； 第三步:生長(zhǎng)工藝如下，將在650°C下恒溫2小時(shí)的生長(zhǎng)熔源以10°C /min的降溫速率降溫至548°C，恒溫15分鐘，然后以0.20C /min的降溫速率降溫15min，接著推動(dòng)滑舟使恪源與GaAs襯底接觸，進(jìn)行富As的GaAsSb薄膜的生長(zhǎng)5min，最后推開(kāi)恪源獲得富As的GaAsSb 薄膜。
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種低溫生長(zhǎng)富砷的鎵砷銻薄膜的液相外延方法。該方法的工藝基于GaAs同質(zhì)外延在低溫生長(zhǎng)的最佳工藝參數(shù)，并將熔源的熔融過(guò)程分為兩次：第一次熔融獲得Ga、As為組分的初始熔源；第二次熔融時(shí)加入Sb組分，再次長(zhǎng)時(shí)間熔融得到生長(zhǎng)熔源。該發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是可以在低溫下獲得富As的GaAsSb薄膜，且制備工藝簡(jiǎn)單，工藝成本低，晶體質(zhì)量高。
【IPC分類(lèi)】H01L21/208
【公開(kāi)號(hào)】CN105006428
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510295876
【發(fā)明人】王洋, 胡淑紅, 呂英飛, 戴寧
【申請(qǐng)人】中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所
【公開(kāi)日】2015年10月28日
【申請(qǐng)日】2015年6月2日