一种在硅衬底上生长锑化铟薄膜的方法与流程

本发明属于半导体材料领域，具体涉及一种在硅衬底上生长锑化铟单晶薄膜的方法，特别是利用分子束外延设备在Si(111)衬底上采用依次生长超薄Bi与InSb的低温双缓冲层法生长InSb(111)In极性单晶外延薄膜的方法。

背景技术：

InSb是一种由Ⅲ族元素In和Ⅴ族元素Sb组成的直接带隙极性半导体材料。InSb的电子有效质量较小，与其他Ⅲ-Ⅴ族化合物材料相比，InSb具有最大的电子迁移率，在77K和300K下的电子迁移率分别可以达到1.2×10⁶cm²V^-1s^-1和7.8×10⁴cm²V^-1s^-1，在电场作用下所表现出的优异的电子输运性能可使其作为高频前端的核心器件材料。InSb还具有较小的禁带宽度，在室温下的禁带宽度为0.18eV，是制作3～5μm红外探测器和成像系统的重要材料。

一直以来，在Si衬底上通过不同的方法制备InSb薄膜得到了广泛的重视和研究，目的是将Si材料成熟的微电子集成工艺和InSb优良光电性能结合起来。但是在Si衬底上直接生长高质量的InSb薄膜在材料工程学方面主要存在下面两方面的问题，包括：第一、Si和InSb之间的晶格失配非常大，约为19％；第二、Si和InSb材料之间还存在较大的热膨胀系数差异。因此，在Si衬底上外延InSb薄膜极易形成大量的失配位错和应力，从而影响薄膜的质量。

通常在硅表面外延生长InSb薄膜需要生长缓冲层，这样可将失配应力在薄膜生长的前期过程中进行释放，以克服Si和InSb之间比较高的晶格失配，保证在后续生长阶段能生长出质量较好的InSb薄膜。但是上述方法生长工艺复杂，需要生长的缓冲层厚度比较大才能达到充分释放生长应力的目的；而且在Si(111)衬底上生长InSb时，In以及Sb原子在Si衬底表面进行吸附的优先性差异不明显，因此InSb薄膜在Si表面倾向于同时以Si-In-Sb-…-In-Sb-(即Sb极性，其特征为沿外延生长方向的In-Sb键取向是由In指向Sb)和Si-Sb-In-…-Sb-In-(即In极性，其特征为沿外延生长方向的In-Sb键取向是由Sb指向In)两种堆垛次序进行外延生长，从而导致薄膜内出现In极性和Sb极性倒反畴共存的现象。

基于此，研究并开发设计一种在硅衬底上生长锑化铟薄膜的方法。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是：现有在硅衬底上直接生长InSb薄膜的方法，受制于Si衬底和InSb外延薄膜之间晶格常数与热膨胀系数失配过大，需要生长较厚的缓冲层以充分释放生长应力；Si衬底上直接外延InSb薄膜极易出现In极性和Sb极性倒反畴共存的情况，影响薄膜质量。本发明的目的在于：提供一种在硅衬底上生长In极性锑化铟薄膜的方法，通过依次沉积一层超薄铋缓冲层与超薄锑化铟低温形核层，再提高生长温度实现单一In极性锑化铟薄膜的外延，解决了现有生长InSb薄膜方法中需要采用大厚度缓冲层，且薄膜内容易出现In极性和Sb极性倒反畴共存的技术问题。

本发明通过下述技术方案实现：

一种在硅衬底上生长锑化铟薄膜方法，包括以下操作步骤：

步骤1)：采用晶面取向为(111)硅衬底制备获得Si(111)-7×7再构表面；

步骤2)：升温Bi束流源，在步骤1)制得的Si(111)-7×7再构表面上沉积生长Bi缓冲层；

步骤3)：待步骤2)中生长出Bi缓冲层后，分别升高铟束流源与锑裂解束流源温度，开始InSb形核层的生长；

步骤4)：待步骤3)InSb形核层生长后，开始InSb外延薄膜的生长，即得。

现有在Si表面外延生长InSb薄膜的方法，一般需要生长较厚的缓冲层，以充分释放Si与InSb之间的晶格与热膨胀系数失配带来的生长应力，但是存在生产工艺复杂，外延膜内In极性和Sb极性倒反畴缺陷密度高的问题。

发明人针对在硅衬底外延生长InSb薄膜需克服晶格与热膨胀系数失配，易形成大量的失配位错和倒反畴等技术难点，创造性的提出采用与InSb晶格匹配的Bi超薄单晶层作为缓冲层。在室温条件就能在Si表面获得结晶性良好且与InSb晶格常数匹配的Bi单晶缓冲层，在Bi缓冲层上仅需较低温度生长厚度为10nm InSb形核层后，适当提高生长温度进行InSb外延层的生长，即可获得高表面平整度且为单一In极性的InSb薄膜，整个工序简单，在外延膜内不会产生Sb极性倒反缺陷。

进一步地，所述步骤1)中具体操作方法为：将硅衬底置于超高真空分子束外延系统中后，加热至400—500℃，加热去气，至背景真空度优于5×10^-10mbar量级，将硅衬底快速加热至1250℃后维持5～10秒时间，然后将温度降低到室温，即得Si(111)-7×7再构表面，硅衬底升温至1250℃的升温速率大于10℃/秒。

进一步地，所述步骤1)所述晶面取向为(111)硅衬底偏离(111)晶轴斜切角度小于2°，即衬底晶片实际切割表面的法线方向与理想Si(111)面法线取向夹角小于2°。研究表明，当在斜切角度小于2°的Si(111)基片上，才能生长出符合外延生长要求的Bi单晶缓冲层结构。

进一步地，所述步骤2)具体操作方法为：将硅衬底温度降低至室温，升温Bi束流，待Bi束流等效压强达到2×10^-8_20×10^-8mbar，打开Bi束流源挡板开始生长Bi缓冲层，Bi缓冲层的厚度大于2nm。仅当Bi缓冲层厚度大于2nm即2nm以上，Bi将自组装形成(001)取向的菱方晶系单晶薄膜，均匀沉积在Si(111)表面。该Bi(001)超薄膜表面呈原子级光滑，为六方对称，且面内晶格常数为与InSb(111)晶格(晶格常数)相匹配。

所述Bi束流等效压强达到2×10^-8-20×10^-8mbar，仅在此等效束流压强条件范围内生长的Bi缓冲层才具有原子级光滑平整的均匀表面形貌，有利于后续单一In极性InSb薄膜的形核及高质量外延生长；偏离此等效压强条件下制取的Bi薄膜表面各种岛、台阶密度显著增加，在其上生长InSb会导致出现Sb极性倒反畴，其它类型生长缺陷出现的概率也将增大，影响InSb的外延生长质量。

进一步地，所述Bi缓冲层的厚度为2-8nm。当Bi缓冲层厚度增大时，表面粗糙度随之增大，影响到后续InSb的生长质量。Si晶面上Bi薄膜在临界厚度即大于2nm时，具有自然形成原子级光滑六方对称单晶膜的趋势，该Bi薄膜即Bi缓冲层能与InSb晶格适配，且后续InSb薄膜在此Bi薄膜上形核时，初始表面Bi-In键结合的倾向性将大大高于Bi-Sb键，因此InSb薄膜的生长将以Bi-In-Sb…-In-Sb-堆垛方式进行(即In极性)，避免了Si与InSb之间高晶格失配，生长工艺复杂，生长出的InSb薄膜内出现In极性和Sb极性倒反畴共存的可能性。而在Bi厚度低于8nm时，Bi薄膜表面才能保持原子级光滑，利于高质量InSb的生长。

进一步地，所述步骤3)具体操作方法为：关闭Bi束流源挡板，分别升温铟束流源与锑裂解束流源温度至铟束流等效压强达到3×10^-8_5×10^-8mbar，锑裂解束流等效压强达到9×10^-8_15×10^-8mbar后，同时打开铟束流源与锑束流源挡板开始生长InSb形核层。

在对铟束流源升温至铟束流等效压强达到3×10^-8_5×10^-8mbar时，对锑裂解束流源升高温度的过程中，其等效压强达到9×10^-8_15×10^-8mbar，在铟束流源、锑裂解束流源的等效压强达到上述范围时，才能得到高质量外延生长且表面形貌良好的InSb薄膜；在上述压强范围之外生长制备获得的InSb薄膜表面粗糙度增加，得不到高质量外延生长的InSb薄膜。

进一步地，所述步骤4)具体操作方法为：保持In与Sb束流不变，将生长温度逐渐升高至200-300摄氏度，不间断连续生长InSb薄膜，直至生长结束。

进一步地，所述InSb薄膜厚度生长大于30nm后，结束加热并自然冷却至室温，即得InSb薄膜。Bi缓冲层与低温InSb形核层上进一步生长的InSb外延层厚度大于30nm后才可使大部分生长缺陷完全弛豫，从而获得具有高质量原子级光滑表面形貌和低缺陷密度的薄膜。

进一步地，所述步骤3)InSb形核层在室温下生长厚度为10nm-20nm。由于InSb最佳外延生长温度为200℃，在此温度Bi缓冲层将从Si(111)表面完全蒸发，因此必须首先在室温条件下生长一层InSb形核层覆盖Bi缓冲层再缓慢提高温度生长InSb外延层；而室温生长条件下，随着生长的进行InSb形核层有演化为非晶态的趋势，我们的研究发现，室温条件下生长InSb既能保持其单晶形态又能维持较佳表面平整度的薄膜厚度值低于10nm。设置该InSb 室温形核层的另一有益效果是可以促使生长应力尽快释放于该层，以有利于其后高质量InSb外延层的生长。

进一步地，所述步骤4)中InSb形核层的生长温度的升温速率为10-15℃/min，进行InSb外延薄膜的生长，直至生长结束获得InSb外延层。过快的升温速率如大于15℃/min将导致InSb外延过程中热膨胀系数失配带来的生长应力累积过快，从而导致外延层中缺陷密度增高甚至出现薄膜脱落等现象；而升温速率过慢以致生长过程中表面吸附原子迁移率不足，将导致薄膜表面形貌粗糙化。我们的实验发现，采用升温速率为10℃/min将获得最佳质量的InSb外延层。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

本发明针对InSb在Si上外延生长InSb薄膜需要克服较大的晶格失配、易形成大量的失配位错和倒反畴缺陷等方面的核心技术难点，创新性地提出采用与InSb晶格相匹配的Bi超薄单晶层作为缓冲层。由于Si(111)晶面上Bi薄膜在临界厚度以上即＞2nm时，具有自然形成六方对称单晶膜的趋势，因此在室温条件下就能在Si(111)-7×7表面获得结晶性良好且与InSb晶格常数匹配的Bi单晶缓冲层，在此Bi缓冲层表面上仅需生长厚度为10nm的低温InSb形核层后，再适当提高生长温度进行InSb外延层的生长，就可获得高表面能平整度且单一In极性的InSb单晶薄膜。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为Si衬底上制备InSb薄膜的工艺流程图；

图2为本发明实施例1制备锑化铟薄膜时Si(111)-(7×7)再构表面的反射式高能电子衍射原位观察结果图；

图3为本发明实施例1制备锑化铟薄膜时生长完超薄铋单晶缓冲层表面的反射式高能电子衍射原位观察结果图；

图4为本发明实施例1制备锑化铟薄膜时生长完锑化铟薄膜的表面的反射式高能电子衍射原位观察结果图；

图5为本发明实施例1制备得到的锑化铟薄膜的X射线衍射结果图；

图6中a曲线为在Si衬底上按本发明实施例1制备的锑化铟薄膜晶面的X射线面内Phi扫描衍射图谱；图6中b曲线为对应的Si衬底(220)晶面的X射线面内Phi扫描衍射图谱；

图7为本发明实施例1制备得到的锑化铟薄膜的STM图像。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1：

如图1所示，本发明为一种在硅衬底上生长锑化铟薄膜的方法，包括以下操作步骤：

步骤1)：将晶面取向(111)硅衬底置于超高真空分子束外延系统中后，加热至400℃，加热去气，至背景真空度优于5×10^-10mbar量级，将硅衬底继续快速加热至1250℃，保持5秒时间，然后将温度降低到室温，即得Si(111)-7×7再构表面；

步骤2)：将硅衬底温度降低至室温，升温Bi束流源，Bi束流等效压强达到2×10^-8mbar，打开Bi束流源挡板开始生长Bi缓冲层，Bi缓冲层的厚度为2nm；

步骤3)：待步骤2)中生长出Bi缓冲层后，分别升高铟束流源与锑裂解束流源温度，关闭Bi束流源挡板，分别升温铟束流源与锑裂解束流源温度，至铟束流等效压强达到3×10^-8mbar，锑裂解束流等效压强达到9×10^-8mbar后，同时打开铟束流源与锑束流源挡板开始InSb形核层；

步骤4)：保持In与Sb束流不变，同时逐渐将生长温度升高至200摄氏度，继续InSb薄膜的生长，InSb薄膜生长30nm后，结束加热并自然冷却至室温，即得InSb薄膜。

优选，所述步骤4)中InSb形核层初始生长温度为室温。

优选，所述步骤4)InSb形核层在室温下生长厚度等于10nm。

优选，所述步骤5)中InSb形核层由室温逐渐增长至200℃的升温速率为10℃/min。

优选，所述硅衬底为晶面取向(111)的Si衬底，且衬底倾切角度误差在-2°—2°之间。

在上述制备过程中，采用反射式高能电子衍射仪对样品进行原位观察。图2为Si(111)-(7×7)再构表面，图3为生长完铋单晶缓冲层的表面，图4为生长完锑化铟薄膜的表面。从衍射图反映的晶格常数变化来看，生长完铋缓冲层时失配应力就已得到基本释放，而且后续生长锑化铟薄膜也是非常平整的，对应的衍射图案也为理想的竖条纹形状。

通过高分辨X射线衍射(HRXRD)对制备得到的锑化铟薄膜进行了表征，θ-2θ扫描谱，如图5所示，仅可见InSb(111)与Si(111)衍射峰，说明InSb外延膜面外结晶取向为(111)；Phi扫描谱中，如图6所示，InSb(220)三个主要衍射峰位与衬底Si(220)三个衍射峰位重合，进一步说明该InSb薄膜为(111)取向的单晶薄膜。

进一步地，原子力显微镜表面形貌分析得到2μm×2μm范围内均方根粗糙度低于±1nm，接近InSb(111)面聚束双原子层台阶高度，表明InSb薄膜表面为原子级光滑。对所得到的InSb(111)薄膜进行扫描隧道显微镜分析得到其表面呈现为2×2再构，从该再构的原子构型特征可以判断，所制得的InSb(111)薄膜为In极性。

图5中数字对应薄膜面外取向，其中横坐标表示2θ衍射角度，单位为度；纵坐标表示对数化后的衍射峰强度，为探测器计数值，无单位；

图6中a在Si衬底上制备的锑化铟薄膜(220)晶面的X射线面内Phi扫描衍射图谱，每隔60°有一个峰，说明InSb薄膜的面内结构存在两个畴：一个是和Si(220)面具有相同方向的畴，另外一个是在Si(220)表面的沿其[220]晶向旋转60°的畴。

图6中纵坐标表示衍射峰强度,横坐标表示扫描角度Phi，其中纵坐标为探测器计数值，无单位，横坐标单位为度。

图7为用STM扫到的InSb(111)-2×2的原子分辨图，该表面再构特征仅为In极性InSb(111)表面所特有，由此可以证明所制备得到的锑化铟薄膜为单一极性——In极性的。

实施例2：

本发明为一种在硅衬底上生长锑化铟薄膜的方法，包括以下操作步骤：

步骤1)：将(111)晶面取向硅衬底置于超高真空分子束外延系统中后，加热至500℃，加热去气，至背景真空度优于5×10^-10mbar量级，将硅衬底继续加热至1250℃，然后将温度降低到室温，即得Si(111)-7×7再构表面；

步骤2)：将硅衬底温度降低至室温，升温Bi束流，Bi束流等效压强达到10×10^-8mbar，打开Bi束流源挡板开始生长Bi缓冲层，Bi缓冲层的厚度4nm；

步骤3)：待步骤2)中生长出Bi缓冲层后，分别升高铟束流源与锑裂解束流源温度，关闭Bi束流源挡板，分别升温铟束流源与锑裂解束流源温度，至铟束流等效压强达到4×10^-8mbar，锑裂解束流等效压强达到12×10^-8mbar后，同时打开铟束流源与锑束流源挡板开始InSb形核层；

步骤4)：保持In与Sb束流不变，将生长温度升高至300摄氏度，开始InSb薄膜的生长，InSb薄膜生长100nm后，结束加热并自然冷却至室温，即得InSb薄膜。

实施例3：

本发明为一种在硅衬底上生长锑化铟薄膜的方法，包括以下操作步骤：

步骤1)：将(111)晶面取向硅衬底置于超高真空分子束外延系统中后，加热至450℃，加热去气，至背景真空度优于5×10^-10mbar量级，将硅衬底继续加热至1250℃，然后将温度降低到室温，即得Si(111)-7×7再构表面；

步骤2)：将硅衬底温度降低至室温，升温Bi束流，Bi束流等效压强达到20×10^-8mbar，打开Bi束流源挡板开始生长Bi缓冲层，Bi缓冲层的厚度8nm；

步骤3)：待步骤2)中生长出Bi缓冲层后，分别升高铟束流源与锑裂解束流源温度，关闭Bi束流源挡板，分别升温铟束流源与锑裂解束流源温度，至铟束流等效压强达到5×10^-8mbar，锑裂解束流等效压强达到15×10^-8mbar后，同时打开铟束流源与锑束流源挡板开始InSb形核层；

步骤4)：保持In与Sb束流不变，将生长温度升高至250摄氏度，开始InSb薄膜的生长，InSb薄膜生长500nm后，结束加热并自然冷却至室温，即得InSb薄膜。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。