專利名稱：GaAs基InSb薄膜的分子束外延生長方法
技術領域：
本發明涉及一種用在霍爾器件、磁阻傳感器與光電探測器領域中的InSb薄膜的外延制備工藝，具體涉及GaAs基InSb薄膜的分子束外延生長的工藝技術。
背景技術：
InSb薄膜由于其優異的光電性能與磁阻特性越來越受到人們的重視，是近二十年來國內外的研究熱點。InSb薄膜已廣泛應用于制作霍爾器件、磁阻傳感器與光電探測器，其制備方法包括真空蒸鍍法、磁控濺射法、化學氣相沉積法與分子束外延法。在光電探測器應用方面，采用GaAs襯底或Si襯底上外延生長InSb薄膜，有利于將大面積的InSb探測器陣列與GaAs基或Si基信號讀出與處理部件進行單片集成。異質外延的InSb薄膜與襯底GaAs之間存在較大的晶格失配度(14.6％)，由于晶格失配引起界面處高密度的位錯，在薄膜中產生大量缺陷，影響了薄膜的質量與器件的性能。因此，獲取GaAs基單晶外延、高電子遷移率的InSb薄膜的分子束外延生長的工藝技術具有現實的應用價值。
發明內容
為了減小GaAs與InSb較大的晶格失配，獲得在GaAs襯底上的表面粗糙度小、結晶完整與電性能好的InSb薄膜，本發明提出一種GaAs基InSb薄膜的分子束外延生長方法。
本發明的具體步驟是a、除氣、脫氧化膜GaAs襯底首先在400℃下加熱除氣1小時，然后襯底升溫到580℃脫氧化膜；b、生長GaAs緩沖層(此步驟可以省略)GaAs緩沖層生長時，控制溫度為600℃，Ga束流為6×10-7mbar，As束流為1.2×10-5mbar，生長時間為20分鐘；c、生長低溫InSb緩沖層低溫InSb緩沖層生長時，控制溫度為320℃～330℃，In束流為6×10-8mbar，Sb束流為2.4×10-7mbar，生長時間為8～10分鐘；d、生長InSb外延層InSb外延層生長時，控制溫度為410℃，In束流為4.5×10-7mbar，Sb束流為2.7×10-6mbar，生長時間為2小時。
本發明采用免清洗的GaAs(001)半絕緣襯底，使用分子束外延設備在預處理的GaAs襯底上先生長GaAs緩沖層與低溫InSb緩沖層，再生長滿足需要厚度的InSb外延層。在GaAs襯底上先生長厚約0.2μm GaAs緩沖層，可以減小襯底表面雜質的影響，同時改善后續薄膜的結晶質量；低溫InSb緩沖層的生長需要精確控制膜厚在30～40nm，這能使后續InSb外延層的表面粗糙度小且電性能較好；InSb外延層的生長溫度選擇在出現InSb(1×3)再構以上20℃(大約為410℃)，在該生長條件下生長的InSb外延薄膜的表面粗糙度較小而且電性能較好。采用本發明的GaAs基InSb薄膜的分子束外延生長工藝方法制備出的結晶完整、表面光滑的外延InSb薄膜的室溫電子遷移率可達4.35×104cm2V-1s-1，室溫載流子濃度可達3.42×1016cm-3，為GaAs基光電器件的制作提供了材料工藝手段。
具體實施例方式
具體實施方式
一本實施方式按照如下步驟進行1、免清洗的GaAs(001)襯底首先在(預備室)400℃下加熱除氣1小時，然后襯底(傳入生長室)升溫到580℃左右在As氣氛保護下脫去氧化膜；2、襯底升溫20℃，控制Ga束流為6×10-7mbar，As束流為1.2×10-5mbar，生長20分鐘，生成GaAs緩沖層；3、襯底降溫至320℃，控制In束流為6×10-8mbar，Sb束流為2.4×10-7mbar，生長8～10分鐘，生成低溫InSb緩沖層；4、在Sb氣氛保護下襯底升溫至410℃，控制In束流為4.5×10-7mbar，Sb束流為2.7×10-6mbar，生長2小時，生成InSb外延層；5、在Sb氣氛保護下襯底降溫至300℃，關Sb快門，襯底降溫至室溫。
本實施方式中各源爐工作溫度以產生所給束流為準。第2步GaAs緩沖層的生長可以省略。第2步GaAs緩沖層的生長溫度以GaAs襯底脫去氧化膜以上20℃為準，其膜厚大約為0.2μm。第3步低溫InSb緩沖層的生長速率通過高能電子衍射儀強度振蕩曲線確定，其膜厚為30～40nm。第4步InSb外延層生長溫度以出現InSb(1×3)再構以上20℃為準，其膜厚大約為0.7～1.2μm。
本實施方式中，GaAs襯底為免清洗的GaAs(001)半絕緣襯底，外延生長的薄膜材料為InSb，外延生長使用的設備為分子束外延設備(VG，V-80H)。
具體實施例方式
二本實施方式中，薄膜生長的結構依次為GaAs緩沖層、低溫InSb緩沖層與InSb外延層。其中襯底溫度600℃，Ga束流為6×10-7mbar，As束流為1.2×10-5mbar，生長GaAs緩沖層0.2μm；襯底溫度320℃，In束流為6×10-8mbar，Sb束流為2.4×10-7mbar，生長低溫InSb緩沖層35nm；襯底溫度410℃，In束流為4.5×10-7mbar，Sb束流為2.7×10-6mbar，生長InSb外延層1.2μm。生長得到的InSb薄膜雙晶X射線衍射InSb(004)衍射峰半高峰寬503″，5×5μm選區表面均方根粗糙度5.54nm，室溫下電子遷移率4.35×104cm2v-1s-1，載流子濃度1.84×1016cm-3。
具體實施例方式
三本實施方式中，薄膜生長的結構依次為GaAs緩沖層、低溫InSb緩沖層與InSb外延層。其中襯底溫度600℃，Ga束流為6×10-7mbar，As束流為1.2×10-5mbar，生長GaAs緩沖層0.2μm；襯底溫度320℃，In束流為6×10-8mbar，Sb束流為2.4×10-7mbar，生長低溫InSb緩沖層35nm；襯底溫度410℃，In束流為4.5×10-7mbar，Sb束流為2.7×10-6mbar，生長InSb外延層0.7μm。生長得到的InSb薄膜雙晶X射線衍射InSb(004)衍射峰半高峰寬764″，5×5μm選區表面均方根粗糙度4.35nm，室溫下電子遷移率2.40×104cm2v-1s-1，載流子濃度3.42×1016cm-3。
具體實施例方式
四本實施方式中，薄膜生長的結構依次為低溫InSb緩沖層與InSb外延層。其中襯底溫度320℃，In束流為6×10-8mbar，Sb束流為2.4×10-7mbar，生長低溫InSb緩沖層40nm；襯底溫度410℃，In束流為4.5×10-7mbar，Sb束流為2.7×10-6mbar，生長InSb外延層1.2μm。生長得到的InSb薄膜雙晶X射線衍射InSb(004)衍射峰半高峰寬608″，5×5μm選區表面均方根粗糙度3.89nm，室溫下電子遷移率3.33×104cm2v-1s-1，載流子濃度2.09×1016cm-3。
權利要求
1.GaAs基InSb薄膜的分子束外延生長方法，其特征在于所述方法為a、除氣、脫氧化膜GaAs襯底首先在400℃下加熱除氣1小時，然后襯底升溫到580℃脫氧化膜；b、生長GaAs緩沖層GaAs緩沖層生長時，控制溫度為600℃，Ga束流為6×10-7mbar，As束流為1.2×10-5mbar，生長時間為20分鐘；c、生長低溫InSb緩沖層低溫InSb緩沖層生長時，控制溫度為320℃～330℃，In束流為6×10-8mbar，Sb束流為2.4×10-7mbar，生長時間為8～10分鐘；d、生長InSb外延層InSb外延層生長時，控制溫度為410℃，In束流為4.5×10-7mbar，Sb束流為2.7×10-6mbar，生長時間為2小時。
2.根據權利要求1所述的GaAs基InSb薄膜的分子束外延生長方法，其特征在于所述GaAs緩沖層的厚度為0.2μm。
3.根據權利要求1所述的GaAs基InSb薄膜的分子束外延生長方法，其特征在于所述低溫InSb緩沖層的厚度為30～40nm。
4.根據權利要求1所述的GaAs基InSb薄膜的分子束外延生長方法，其特征在于所述InSb外延層的厚度為0.7～1.2μm。
5.根據權利要求1所述的GaAs基InSb薄膜的分子束外延生長方法，其特征在于所述GaAs襯底為免清洗的GaAs半絕緣襯底。
6.GaAs基InSb薄膜的分子束外延生長方法，其特征在于所述方法為a、除氣、脫氧化膜GaAs襯底首先在400℃下加熱除氣1小時，然后襯底升溫到580℃脫氧化膜；b、生長低溫InSb緩沖層低溫InSb緩沖層生長時，控制溫度為320℃～330℃，In束流為6×10-8mbar，Sb束流為2.4×10-7mbar，生長時間為8～10分鐘；c、生長InSb外延層InSb外延層生長時，控制溫度為410℃，In束流為4.5×10-7mbar，Sb束流為2.7×10-6mbar，生長時間為2小時。
7.根據權利要求6所述的GaAs基InSb薄膜的分子束外延生長方法，其特征在于所述低溫InSb緩沖層的厚度為30～40nm。
8.根據權利要求6所述的GaAs基InSb薄膜的分子束外延生長方法，其特征在于所述InSb外延層的厚度為0.7～1.2μm。
9.根據權利要求6所述的GaAs基InSb薄膜的分子束外延生長方法，其特征在于所述GaAs襯底為免清洗的GaAs半絕緣襯底。
全文摘要
GaAs基InSb薄膜的分子束外延生長方法，涉及一種用在霍爾器件、磁阻傳感器與光電探測器領域中的InSb薄膜的外延制備工藝。為了減小GaAs與InSb較大的晶格失配，本發明先采用襯底溫度600℃，Ga束流為6×10
文檔編號C23C14/54GK1888127SQ200610010308
公開日2007年1月3日 申請日期2006年7月21日 優先權日2006年7月21日
發明者李美成, 熊敏, 王洪磊 申請人:哈爾濱工業大學