一種在硅襯底上生長銻化銦薄膜的方法技術

本發明專利技術公開了一種在硅襯底上生長銻化銦薄膜的方法，包括以下操作步驟：1)將(111)晶面取向硅襯底置于分子束外延系統中，襯底生長前高溫去氣，高溫退火得到Si(111)?(7×7)再構表面；2)Bi單晶超薄緩沖層生長；3)待步驟2)中生長出Bi緩沖層后，分別升高銦束流源與銻裂解束流源溫度，開始InSb形核層的生長；4)待步驟3)InSb形核層生長后，開始InSb外延薄膜的生長，即得。本技術方案采用與InSb晶格相匹配的Bi超薄單晶層作為緩沖層，在Bi緩沖層表面上生長厚度為10nm的低溫InSb形核層后，再適當提高生長溫度進行InSb外延層的生長，就可獲得高表面能平整度且單一In極性InSb單晶薄膜。

【技術實現步驟摘要】
一種在硅襯底上生長銻化銦薄膜的方法
本專利技術屬于半導體材料領域，具體涉及一種在硅襯底上生長銻化銦單晶薄膜的方法，特別是利用分子束外延設備在Si(111)襯底上采用依次生長超薄Bi與InSb的低溫雙緩沖層法生長InSb(111)In極性單晶外延薄膜的方法。
技術介紹
InSb是一種由Ⅲ族元素In和Ⅴ族元素Sb組成的直接帶隙極性半導體材料。InSb的電子有效質量較小，與其他Ⅲ-Ⅴ族化合物材料相比，InSb具有最大的電子遷移率，在77K和300K下的電子遷移率分別可以達到1.2×106cm2V-1s-1和7.8×104cm2V-1s-1，在電場作用下所表現出的優異的電子輸運性能可使其作為高頻前端的核心器件材料。InSb還具有較小的禁帶寬度，在室溫下的禁帶寬度為0.18eV，是制作3～5μm紅外探測器和成像系統的重要材料。一直以來，在Si襯底上通過不同的方法制備InSb薄膜得到了廣泛的重視和研究，目的是將Si材料成熟的微電子集成工藝和InSb優良光電性能結合起來。但是在Si襯底上直接生長高質量的InSb薄膜在材料工程學方面主要存在下面兩方面的問題，包括：第一、Si和InSb之間的晶格失配非常大，約為19％；第二、Si和InSb材料之間還存在較大的熱膨脹系數差異。因此，在Si襯底上外延InSb薄膜極易形成大量的失配位錯和應力，從而影響薄膜的質量。通常在硅表面外延生長InSb薄膜需要生長緩沖層，這樣可將失配應力在薄膜生長的前期過程中進行釋放，以克服Si和InSb之間比較高的晶格失配，保證在后續生長階段能生長出質量較好的InSb薄膜。但是上述方法生長工藝復雜，需要生長的緩沖層厚度比較大才能達到充分釋放生長應力的目的；而且在Si(111)襯底上生長InSb時，In以及Sb原子在Si襯底表面進行吸附的優先性差異不明顯，因此InSb薄膜在Si表面傾向于同時以Si-In-Sb-…-In-Sb-(即Sb極性，其特征為沿外延生長方向的In-Sb鍵取向是由In指向Sb)和Si-Sb-In-…-Sb-In-(即In極性，其特征為沿外延生長方向的In-Sb鍵取向是由Sb指向In)兩種堆垛次序進行外延生長，從而導致薄膜內出現In極性和Sb極性倒反疇共存的現象。基于此，研究并開發設計一種在硅襯底上生長銻化銦薄膜的方法。
技術實現思路
本專利技術所要解決的技術問題是：現有在硅襯底上直接生長InSb薄膜的方法，受制于Si襯底和InSb外延薄膜之間晶格常數與熱膨脹系數失配過大，需要生長較厚的緩沖層以充分釋放生長應力；Si襯底上直接外延InSb薄膜極易出現In極性和Sb極性倒反疇共存的情況，影響薄膜質量。本專利技術的目的在于：提供一種在硅襯底上生長In極性銻化銦薄膜的方法，通過依次沉積一層超薄鉍緩沖層與超薄銻化銦低溫形核層，再提高生長溫度實現單一In極性銻化銦薄膜的外延，解決了現有生長InSb薄膜方法中需要采用大厚度緩沖層，且薄膜內容易出現In極性和Sb極性倒反疇共存的技術問題。本專利技術通過下述技術方案實現：一種在硅襯底上生長銻化銦薄膜方法，包括以下操作步驟：步驟1)：采用晶面取向為(111)硅襯底制備獲得Si(111)-7×7再構表面；步驟2)：升溫Bi束流源，在步驟1)制得的Si(111)-7×7再構表面上沉積生長Bi緩沖層；步驟3)：待步驟2)中生長出Bi緩沖層后，分別升高銦束流源與銻裂解束流源溫度，開始InSb形核層的生長；步驟4)：待步驟3)InSb形核層生長后，開始InSb外延薄膜的生長，即得。現有在Si表面外延生長InSb薄膜的方法，一般需要生長較厚的緩沖層，以充分釋放Si與InSb之間的晶格與熱膨脹系數失配帶來的生長應力，但是存在生產工藝復雜，外延膜內In極性和Sb極性倒反疇缺陷密度高的問題。專利技術人針對在硅襯底外延生長InSb薄膜需克服晶格與熱膨脹系數失配，易形成大量的失配位錯和倒反疇等技術難點，創造性的提出采用與InSb晶格匹配的Bi超薄單晶層作為緩沖層。在室溫條件就能在Si表面獲得結晶性良好且與InSb晶格常數匹配的Bi單晶緩沖層，在Bi緩沖層上僅需較低溫度生長厚度為10nmInSb形核層后，適當提高生長溫度進行InSb外延層的生長，即可獲得高表面平整度且為單一In極性的InSb薄膜，整個工序簡單，在外延膜內不會產生Sb極性倒反缺陷。進一步地，所述步驟1)中具體操作方法為：將硅襯底置于超高真空分子束外延系統中后，加熱至400—500℃，加熱去氣，至背景真空度優于5×10-10mbar量級，將硅襯底快速加熱至1250℃后維持5～10秒時間，然后將溫度降低到室溫，即得Si(111)-7×7再構表面，硅襯底升溫至1250℃的升溫速率大于10℃/秒。進一步地，所述步驟1)所述晶面取向為(111)硅襯底偏離(111)晶軸斜切角度小于2°，即襯底晶片實際切割表面的法線方向與理想Si(111)面法線取向夾角小于2°。研究表明，當在斜切角度小于2°的Si(111)基片上，才能生長出符合外延生長要求的Bi單晶緩沖層結構。進一步地，所述步驟2)具體操作方法為：將硅襯底溫度降低至室溫，升溫Bi束流，待Bi束流等效壓強達到2×10-8_20×10-8mbar，打開Bi束流源擋板開始生長Bi緩沖層，Bi緩沖層的厚度大于2nm。僅當Bi緩沖層厚度大于2nm即2nm以上，Bi將自組裝形成(001)取向的菱方晶系單晶薄膜，均勻沉積在Si(111)表面。該Bi(001)超薄膜表面呈原子級光滑，為六方對稱，且面內晶格常數為與InSb(111)晶格(晶格常數)相匹配。所述Bi束流等效壓強達到2×10-8-20×10-8mbar，僅在此等效束流壓強條件范圍內生長的Bi緩沖層才具有原子級光滑平整的均勻表面形貌，有利于后續單一In極性InSb薄膜的形核及高質量外延生長；偏離此等效壓強條件下制取的Bi薄膜表面各種島、臺階密度顯著增加，在其上生長InSb會導致出現Sb極性倒反疇，其它類型生長缺陷出現的概率也將增大，影響InSb的外延生長質量。進一步地，所述Bi緩沖層的厚度為2-8nm。當Bi緩沖層厚度增大時，表面粗糙度隨之增大，影響到后續InSb的生長質量。Si晶面上Bi薄膜在臨界厚度即大于2nm時，具有自然形成原子級光滑六方對稱單晶膜的趨勢，該Bi薄膜即Bi緩沖層能與InSb晶格適配，且后續InSb薄膜在此Bi薄膜上形核時，初始表面Bi-In鍵結合的傾向性將大大高于Bi-Sb鍵，因此InSb薄膜的生長將以Bi-In-Sb…-In-Sb-堆垛方式進行(即In極性)，避免了Si與InSb之間高晶格失配，生長工藝復雜，生長出的InSb薄膜內出現In極性和Sb極性倒反疇共存的可能性。而在Bi厚度低于8nm時，Bi薄膜表面才能保持原子級光滑，利于高質量InSb的生長。進一步地，所述步驟3)具體操作方法為：關閉Bi束流源擋板，分別升溫銦束流源與銻裂解束流源溫度至銦束流等效壓強達到3×10-8_5×10-8mbar，銻裂解束流等效壓強達到9×10-8_15×10-8mbar后，同時打開銦束流源與銻束流源擋板開始生長InSb形核層。在對銦束流源升溫至銦束流等效壓強達到3×10-8_5×10-8mbar時，對銻裂解束流源升高溫度的過程中，其等效壓強達到9×10-8_15×10-8mbar，本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種在硅襯底上生長銻化銦薄膜的方法，其特征在于，包括以下步驟：步驟1)：采用晶面取向為(111)硅襯底制備獲得Si(111)?7×7再構表面；步驟2)：升溫Bi束流源，在步驟1)制得的Si(111)?7×7再構表面上沉積生長Bi緩沖層；步驟3)：待步驟2)中生長出Bi緩沖層后，分別升高銦束流源與銻裂解束流源溫度，開始InSb形核層的生長；步驟4)：待步驟3)InSb形核層生長后，開始InSb外延薄膜的生長，即得。

【技術特征摘要】
1.一種在硅襯底上生長銻化銦薄膜的方法，其特征在于，包括以下步驟：步驟1)：采用晶面取向為(111)硅襯底制備獲得Si(111)-7×7再構表面；步驟2)：升溫Bi束流源，在步驟1)制得的Si(111)-7×7再構表面上沉積生長Bi緩沖層；步驟3)：待步驟2)中生長出Bi緩沖層后，分別升高銦束流源與銻裂解束流源溫度，開始InSb形核層的生長；步驟4)：待步驟3)InSb形核層生長后，開始InSb外延薄膜的生長，即得。2.根據權利要求1所述的一種在硅襯底上生長銻化銦薄膜的方法，其特征在于：所述步驟1)中具體操作方法為：將硅襯底置于超高真空分子束外延系統中后，加熱至400—500℃，加熱去氣，至背景真空度優于5×10-10mbar量級；將硅襯底繼續加熱至1250℃，然后將溫度降低到室溫，即得Si(111)-7×7再構表面。3.根據權利要求1所述的一種在硅襯底上生長銻化銦薄膜的方法，其特征在于：所述步驟1)所述晶面取向為(111)硅襯底偏離(111)晶軸斜切角度小于2°。4.根據權利要求1至3中任意項所述一種在硅襯底上生長銻化銦薄膜的方法，其特征在于：所述步驟2)具體操作方法為：將硅襯底溫度降低至室溫，升溫Bi束流源，Bi束流等效壓強達到2×10-8-20×10-8mbar，打開Bi束流源擋板開始生長Bi緩沖層，Bi緩沖層的厚度大于...

【專利技術屬性】
技術研發人員：李含冬，張忠陽，王志明，任武洋，李勇，龍城佳，周志華，姬海寧，牛曉濱，
申請(專利權)人：電子科技大學，
類型：發明
國別省市：四川,51