一种硅基GaAs单晶薄膜及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种硅基GaAs单晶薄膜及其制备方法，方法首先对硅衬底进行脱氧及退火，然后分为四个温度在硅衬底上依次形成GaAs低温成核层、GaAs中温缓冲层、GaAs中温缓冲层及高温GaAs外延层，最后降温得到硅基GaAs薄膜。本发明专利技术制得的硅基GaAs薄膜具有表面光亮、起伏小及缺陷少的优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及硅基发光材料与光互连
，具体涉及在制备硅基量子点发光材料和器件过程中，一种高质量硅基砷化镓(GaAs)单晶薄膜及其制备方法。
技术介绍
随着时代的发展和科技的进步，电子元件间的电互连在物理性能方面的局限性已经越来越明显。即随着器件尺寸的减小，各个元件之间的数据交换(互连)速度已经跟不上元件本身的数据处理速度，并且这种数据交换也将耗费大量的能量。因此未来超大规模处理器内部数据交换急需一种功耗低、带宽高的互连技术。作为一种新的互连方式，光互连具有许多电互连不可比拟的优点，例如：时间和空间带宽积高、高度的并行性和无干扰性、损耗小等优点。在高性能CPU、高性能计算机、高速信息处理系统中，用光互连替代电互连，已成为人们的共识。在各种光互连方案中，硅基光互连技术被认为是最有发展前途的一个方案。硅材料已经被广泛应用于CMOS集成电路，其结构制作工艺成熟，可进行大规模、低成本生产。另外，硅材料在光通信波段(波长在1310nm或1550nm附近)也具有非常优秀的光学性质：吸收损耗非常低、折射率很高。基于以上原因，硅基光集成器件有尺寸小、功耗低、同CMOS工艺兼容、可集成、成本低等优点，是实现片间和片上光互连的理想平台。并且，由于采用与集成电路兼容的工艺制作，可以方便地在电学芯片的内部引入硅基集成光路，实现光通信电路与控制电路和驱动电路的紧密集成，进一步降低成本。而实现硅基光电集成和光互连目前的瓶颈问题则是硅基发光材料和器件的缺乏，尤其是发光波长在光通信波段的激光器。而硅材料有着自身的物理局限性，由于是间接带隙半导体材料，所以硅材料的发光效率很低。因此为了实现硅基发光，人们提出了利用其他发光材料与硅结合的方法，而III-V族激光器与硅技术的结合是最有发展前景的方法之一。在实现III-V族激光器与硅技术相结合的各种技术方案中，人们最希望采用的是通过直接外延生长技术来制备Si基III-V族激光器。然而，首先要解决的问题是如何在硅衬底上外延出高质量的III-V族单晶薄膜，如Si基GaAs薄膜。由于GaAs与Si之间存在着4％的晶格失配以及250％的热膨胀系数差异，所以在Si衬底上外延生长GaAs薄膜时，就会产生失配应变，从而引起失配应力。随着生长厚度的增加，外延表面起伏变大、位错等缺陷增多，对材料和器件的光电性能造成不利的影响。目前，为了直接外延生长出高质量Si基GaAs单晶薄膜，人们常采用的是两步生长法，即先在低温区生长一定厚度低温GaAs成核层，然后再进入高温区正常生长GaAs薄膜。通过此方法，可以得到表面如镜面般光亮且起伏小、缺陷少的GaAs薄膜。但是，此方法对低温成核层的生长条件要求极其严格，稍有偏差则外延生长出的表面就会变污；而且由低温升到高温的过程中很可能会破坏成核层导致薄膜质量变差。故此方法的可重复性较差，不能稳定地生长出高质量Si基GaAs薄膜。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题本专利技术的目的在于，提供一种高质量硅基GaAs单晶薄膜及其制备方法，可以更稳定地得到表面光亮且起伏小、缺陷少的硅基GaAs薄膜。(二)技术方案本专利技术提供一种硅基GaAs单晶薄膜的制备方法，包括：S1，对一硅衬底进行脱氧处理及退火处理，以除去该硅衬底表面的氧化层并对表面存在原子台阶的地方进行再构，形成较多的双原子台阶；从原子尺度来看，硅衬底表面并不是完全平整的，有很多地方存在着台阶，类似我们生活中的楼梯，台阶高度有单个原子高度的，也有双原子高度的，高温退火的目的就是使硅衬底表面存在原子台阶的地方尽可能变成双原子或者其他偶数个原子高度的台阶，以消除一些后续生长中可能出现的缺陷；其中，硅衬底为带有偏角度的硅单晶片，衬底取向为(100)向<110>方向偏4～8°；S2，降低硅衬底的温度至第一温度，然后，在硅衬底表面生长一层GaAs，以形成第一GaAs层，该第一GaAs层可作为GaAs低温成核层，用于形成小而密的GaAs岛并限制位错的移动；S3，升高硅衬底的温度至第二温度，然后，在第一GaAs层上生长一层GaAs，以形成第二GaAs层，该第二GaAs层可作为GaAs低温缓冲层，用于保护初始成核层中的GaAs岛且促进小岛的融合；S4，升高硅衬底的温度至第三温度，然后，在第二GaAs层上生长一层GaAs，以形成第三GaAs层，该第三GaAs层可作为GaAs中温缓冲层，用于进一步促进GaAs岛的融合至二维生长过程；S5，升高硅衬底的温度至第四温度，然后，在第三GaAs层上生长一层GaAs，以形成第四GaAs层，该第四GaAs层可作为高温GaAs外延层，用于提高GaAs薄膜的成晶质量；S6，降低硅衬底的温度至常温，得到硅基GaAs单晶薄膜。进一步，在步骤S1中，脱氧处理的脱氧温度为800℃～850℃，退火处理的退火温度为850℃～1000℃，退火时间为30分钟。进一步，步骤S2包括：降低硅衬底的温度至250℃～350℃后，在硅衬底上生长厚度为30～50nm的GaAs，以形成第一GaAs层，其中，GaAs的生长速度为0.1～0.3μm/h。进一步，步骤S2中，生长厚度为30～50nm的GaAs包括：先以连续生长方式生长厚度为5～10nm的GaAs，再以增强迁移外延(MEE)方式生长厚度为25～40nm的GaAs，这样可以避免原子的过快积累。进一步，步骤S3包括：升高硅衬底的温度至350℃～450℃后，在第一GaAs层上生长厚度为100～300nm的GaAs，以形成第二GaAs层，其中，GaAs的生长速度为0.1～0.3μm/h。进一步，步骤S4包括：升高硅衬底的温度至450℃～550℃后，在第二GaAs层上生长厚度为50～200nm的GaAs，以形成第三GaAs层，其中，GaAs的生长速度为0.3～0.5μm/h。进一步，步骤S5包括：升高所述硅衬底的温度至550℃～620℃后，在所述第三GaAs层上生长厚度为500～1000nm的GaAs，以形成第四GaAs层，其中，GaAs的生长速度为1μm/h。进一步，步骤S5中，生长厚度为500～1000nm的GaAs包括：先以连续生长方式生长厚度为10～50nm的GaAs，再以增强迁移外延方式生长厚度为490～950nm的GaAs。进一步，在分子束外延设备中利用As束流与Ga束流生长GaAs，其中：在步骤S2中，GaAs的生长过程中As束流与本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种硅基GaAs单晶薄膜的制备方法，其特征在于，包括：S1，对一硅衬底进行脱氧处理及退火处理；S2，降低所述硅衬底的温度至第一温度，然后，在所述硅衬底表面生长一层GaAs，以形成第一GaAs层；S3，升高所述硅衬底的温度至第二温度，然后，在所述第一GaAs层上生长一层GaAs，以形成第二GaAs层；S4，升高所述硅衬底的温度至第三温度，然后，在所述第二GaAs层上生长一层GaAs，以形成第三GaAs层；S5，升高所述硅衬底的温度至第四温度，然后，在所述第三GaAs层上生长一层GaAs，以形成第四GaAs层；S6，降低所述硅衬底的温度至常温，得到硅基GaAs单晶薄膜。

【技术特征摘要】
1.一种硅基GaAs单晶薄膜的制备方法，其特征在于，包括：
S1，对一硅衬底进行脱氧处理及退火处理；
S2，降低所述硅衬底的温度至第一温度，然后，在所述硅衬底表面生
长一层GaAs，以形成第一GaAs层；
S3，升高所述硅衬底的温度至第二温度，然后，在所述第一GaAs层
上生长一层GaAs，以形成第二GaAs层；
S4，升高所述硅衬底的温度至第三温度，然后，在所述第二GaAs层
上生长一层GaAs，以形成第三GaAs层；
S5，升高所述硅衬底的温度至第四温度，然后，在所述第三GaAs层
上生长一层GaAs，以形成第四GaAs层；
S6，降低所述硅衬底的温度至常温，得到硅基GaAs单晶薄膜。
2.根据权利要求1所述的硅基GaAs单晶薄膜的制备方法，其特征在
于，在所述步骤S1中，脱氧处理的脱氧温度为800℃～850℃，退火处理
的退火温度为850℃～1000℃，退火处理的退火时间为30分钟。
3.根据权利要求1所述的硅基GaAs单晶薄膜的制备方法，其特征在
于，所述步骤S2包括：降低所述硅衬底的温度至250℃～350℃后，在所
述硅衬底上生长厚度为30～50nm的GaAs，以形成第一GaAs层，其中，
GaAs的生长速度为0.1～0.3μm/h。
4.根据权利要求2所述的硅基GaAs单晶薄膜的制备方法，其特征在
于，所述步骤S2中，生长厚度为30～50nm的GaAs包括：
先以连续生长方式生长厚度为5～10nm的GaAs，再以增强迁移外延方
式生长厚度为25～40nm的GaAs。
5.根据权利要求1所述的硅基GaAs单晶薄膜的制备方法，其特征在
于，所述步骤S3包括：升高所述硅衬底的温度至350℃～450℃后，在所
述第一GaAs层上生长厚度为100～300nm的G...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘广政，杨冠卿，于天，徐波，
申请(专利权)人：中国科学院半导体研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11