生长在GaAs衬底上n‑InGaAs薄膜及其制备方法与流程

本发明涉及InGaAs薄膜，特别涉及生长在GaAs衬底上n-InGaAs薄膜及其制备方法。

背景技术：

由于In_xGa_1-xAs材料具有禁带宽度连续可调、载流子迁移率高等优点，是十分理想的多结太阳能电池材料。目前，科研工作者已经成功在GaAs衬底上制备出InGaP/GaAs/InGaAs结构的三结太阳能电池，但是对于InGaAs底电池的掺杂仍有很多问题需要解决。常用的n型掺杂剂Sn由于会产生表面分凝现象，获得突变的杂质分布十分困难。还有一种可选的掺杂剂是Ge。但是Ge是非常强烈的双性掺杂剂，因为在引入Ge的情况下仅仅通过改变衬底温度和V/III比就可以生长出相反极性的GaAs薄膜。之后，科研人员发现另一种IV族元素Si能够克服上述掺杂剂的大部分短板：Si有一致性的粘附系数而不会产生表面分凝，易于获得突变的杂质分布；Si掺杂剂对生长条件的变化不敏感，掺杂工艺要求较低。对于高电子迁移率晶体管等GaAs基半导体器件而言，需要一个载流子浓度极高(>10¹⁹cm^-3)的掺杂层来实现器件的功能。但是，当Si重掺杂载流子浓度到达10¹⁸cm^-3数量级时，会产生非常严重的自补偿效应，从而导致载流子浓度无法进一步提高，并且载流子迁移速下降。重掺杂还会造成晶体质量的急剧下降，从而对器件性能造成恶劣的影响。

传统的In_0.3Ga_0.7As薄膜掺杂工艺而言，一般是通过调整V/III比、掺杂源温度、生长速度和外延温度等条件来控制生长过程中的参数。或者是在外延生长前先对衬底进行处理，例如预掺杂一层杂质层。而对于外延后的薄膜，还可以选择进行退火、杂质离子激活等手段进行进一步处理。

技术实现要素：

为了克服现有技术的上述缺点与不足，本发明的目的在于提供一种生长在GaAs衬底上n-InGaAs薄膜，Si掺杂剂在薄膜中呈现脉冲式分布，有效地抑制Si的自补偿效应，提高掺杂效率、电子迁移率及晶体质量。

本发明的另一目的在于提供上述生长在GaAs衬底上n-InGaAs薄膜的制备方法。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

生长在GaAs衬底上n-InGaAs薄膜，由下至上依次包括GaAs衬底和n个δ掺杂区；所述δ掺杂区由下至上包括InGaAs本征薄膜和δ掺杂InGaAs薄膜；δ掺杂InGaAs薄膜为Si掺杂的InGaAs薄膜；所述n≥1。

所述的Si掺杂的InGaAs薄膜，掺杂浓度为4.0×10¹¹～6×10¹²cm^-2。

所述InGaAs本征薄膜的厚度为1～10nm。

所述δ掺杂InGaAs薄膜的厚度为0.1～0.3nm。

生长在GaAs衬底上n-InGaAs薄膜的制备方法，包括以下步骤：

(1)GaAs衬底清洗；

(2)GaAs衬底预除气处理；

(3)GaAs衬底脱氧化膜；

(4)InGaAs本征薄膜的生长：GaAs衬底温度为500～580℃，在反应室真空度为4.0×10^-5～2.7×10^-8Pa条件下，保持III、V族源开启，In源温度在700～830℃、Ga源温度在900～1050℃、As源温度在250～310℃、生长速率为0.6～1ML/s条件下，生长厚度为1～10nm的InGaAs本征薄膜；

(5)δ掺杂InGaAs薄膜：GaAs衬底温度为500～580℃，在反应室真空度为4.0×10^-5～2.7×10^-8Pa条件下，关闭In与Ga的源炉，在As源温度为250～310℃、Si源温度为1000～1250℃的条件下，以0.01～0.05ML/s的生长速率生长厚度为0.1～0.3nm的δ掺杂InGaAs层。

所述的生长在GaAs衬底上n-InGaAs薄膜的制备方法，还包括以下步骤：

(6)重复步骤(4)～(5)多次。

步骤(1)所述GaAs衬底清洗，具体为：

经过丙酮、去离子水洗涤，去除衬底表面有机物；将GaAs衬底置于H₂O₂:H₂O:H₂SO₄＝1:1:5溶液中超声1～10分钟，之后经去离子水清洗去除表面氧化物；清洗后的GaAs衬底用高纯氮气吹干。

步骤(2)所述GaAs衬底预除气处理，具体为：

GaAs衬底送入分子束外延进样室预除气15～30分钟；再送入传递室300～400℃除气0.5～2小时，完成除气后送入生长室。

步骤(3)所述GaAs衬底脱氧化膜，具体为：

GaAs衬底进入生长室后，将衬底温度升至550～650℃，高温烘烤15～30分钟，除去衬底表面的氧化膜层。

与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：

(1)本发明的生长在GaAs衬底上n-InGaAs薄膜，Si掺杂剂在薄膜中呈现脉冲式分布，有效地抑制Si的自补偿效应，提高掺杂效率、电子迁移率及晶体质量。

(2)本发明的生长在GaAs衬底上n-InGaAs薄膜，能够有效降低n-InGaAs生长过程中受到的应力，抑制失配位错的形成，提高GaAs外延膜的晶体质量。

(3)本发明的生长在GaAs衬底上n-InGaAs薄膜的制备方法，通过在掺杂时关闭III族源，保持V族源开启同步打开掺杂源Si，实现Si掺杂剂在薄膜中呈现脉冲式分布，有效地抑制Si的自补偿效应。

附图说明

图1为本发明的实施例1的n-InGaAs薄膜的结构示意图。

图2为本发明的实施例1的n-InGaAs薄膜的原子力显微镜表面形貌图。

具体实施方式

下面结合实施例，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

本实施例的生长在GaAs衬底上n-InGaAs薄膜的制备方法，包括以下步骤：

(1)GaAs衬底清洗：

经过丙酮、去离子水洗涤，去除衬底表面有机物；将GaAs衬底置于H₂O₂:H₂O:H₂SO₄＝1:1:5溶液中超声1分钟，之后经去离子水清洗去除表面氧化物；清洗后的GaAs衬底用高纯氮气吹干。

(2)GaAs衬底预除气处理：

步骤(2)所述GaAs衬底预除气处理，具体为：

GaAs衬底送入分子束外延进样室预除气15分钟；再送入传递室300℃除气0.5小时，完成除气后送入生长室。

(3)GaAs衬底脱氧化膜：

GaAs衬底进入生长室后，将衬底温度升至550℃，高温烘烤15分钟，除去衬底表面的氧化膜层。

(4)InGaAs本征薄膜的生长：GaAs衬底温度为500℃，在反应室真空度为4.0×10^-5Pa条件下，保持III、V族源开启，In源温度在700℃、Ga源温度在900℃、As源温度在250℃、生长速率为0.6ML/s条件下，生长厚度为1nm的InGaAs本征薄膜；

(5)δ掺杂InGaAs薄膜：GaAs衬底温度为500℃，在反应室真空度为4.0×10^-5Pa条件下，关闭In与Ga的源炉，在As源温度为250℃、Si源温度为1000℃的条件下，以0.01ML/s的生长速度生长厚度为0.1nm的δ掺杂InGaAs层；所述的Si掺杂的InGaAs薄膜掺杂浓度达到4.0×10¹¹cm^-2。

(6)重复步骤(4)～(5)多次。

本实施例的n-InGaAs薄膜材料可采用分子束外延或金属有机气相沉积方法来制得。

如图1所示，本实施例制备得到的生长在GaAs衬底上n-InGaAs薄膜14由下至上依次包括GaAs衬底11和n个δ掺杂区；所述δ掺杂区由下至上包括InGaAs本征薄膜12和δ掺杂InGaAs薄膜13；δ掺杂InGaAs薄膜为Si掺杂的InGaAs薄膜；所述n≥1。

图2为本实施例制备的n-InGaAs薄膜的原子力显微镜表面形貌图，从图2中可以看出，应用本发明生长出的n-InGaAs外延薄膜，相较于用传统方法得到的n-InGaAs，晶体质量高，其(111)面X-射线摇摆曲线的半峰宽为1886弧秒。并且n-InGaAs表面十分平整，均方表面粗糙度为3.1nm。薄膜的电子迁移率达到650cm²/Vs。

实施例2

本实施例的生长在GaAs衬底上n-InGaAs薄膜的制备方法，包括以下步骤：

(1)GaAs衬底清洗：

经过丙酮、去离子水洗涤，去除衬底表面有机物；将GaAs衬底置于H₂O₂:H₂O:H₂SO₄＝1:1:5溶液中超声10分钟，之后经去离子水清洗去除表面氧化物；清洗后的GaAs衬底用高纯氮气吹干。

(2)GaAs衬底预除气处理：

步骤(2)所述GaAs衬底预除气处理，具体为：

GaAs衬底送入分子束外延进样室预除气30分钟；再送入传递室400℃除气2小时，完成除气后送入生长室。

(3)GaAs衬底脱氧化膜：

GaAs衬底进入生长室后，将衬底温度升至650℃，高温烘烤30分钟，除去衬底表面的氧化膜层。

(4)InGaAs本征薄膜的生长：GaAs衬底温度为580℃，在反应室真空度为2.7×10^-8Pa条件下，保持III、V族源开启，In源温度在830℃、Ga源温度在1050℃、As源温度在310℃、生长速率为1ML/s条件下，生长厚度为10nm的InGaAs本征薄膜；

(5)δ掺杂InGaAs薄膜：GaAs衬底温度为500～580℃，在反应室真空度为2.7×10^-8Pa条件下，关闭In与Ga的源炉，在As源温度为310℃、Si源温度为1250℃的条件下，以0.05ML/s的生长速度生长厚度为0.3nm的δ掺杂InGaAs层；所述的Si掺杂的InGaAs薄膜掺杂浓度达到6×10¹²cm^-2。

(6)重复步骤(4)～(5)多次。

本实施例制备得到的n-InGaAs薄膜的测试结果与实施例1类似，在此不再赘述。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。