专利名称：砷化镓及其器件表面钝化保护膜的制备方法
技术领域：
本发明是一种稳定有效的砷化镓材料及其器件钝化效果的保护膜的制备方法。
砷化镓材料在制造高速器件方面有许多硅半导体所不及的优点。但它的性能的发挥一直被其高密度的表面态所限制。实验证明，硫钝化是解决这一问题的很有希望的方法。通过对表面氧化物的消除和S-Ga钝化层的生长，可以钝化表面缺陷，消除表面费米能级钉扎，从而提高砷化镓器件的性能。钝化效果可以分为电学特性钝化和化学钝化，前者指钝化膜与半导体界面处不存在界面态，并有足够高的势垒以阻止在器件工作时热载流子注入钝化层，后者指保护界面的钝化膜在器件的工作寿命内不会因温度和环境的影响而退化。较理想的电学特性钝化可以通过含硫的溶液方便地实现，特别是利用S2Cl2溶液处理(中国专利申请号94112024-4)，不但可以除去自然氧化层，而且有反应快，易控制，成膜质量高等特点。另外在器件钝化应用上还可以利用其绝缘性实时地观测钝化进程，掌握最佳的钝化时间。但是现有溶液钝化生长膜很薄，甚至是单原子层的，在光和氧存在的条件下很容易退化失效，这使得化学钝化很难实现。寻求长期稳定的钝化效果或有效的钝化保护措施，成为解决硫钝化实用性的关键问题。
本发明的目的是寻求一种既能制作砷化镓材料及其器件表面钝化保护膜又能适合于砷化镓MIS结构的绝缘层制作的简便制备的方法。
本发明砷化镓材料及其器件表面钝化保护膜制备方法是将样品用现有的钝化方法处理，如(NH4)2S、S2Cl2钝化等，如果经S2Cl2钝化处理，处理方法可用中国专利申请94112024-4，处理后的样品送到真空度为10-4τ-10-8τ的真空生长室中，加热束源炉中硫镓化合物源，束源炉加热的温度范围在500℃-1200℃，用气相化学淀积方式在样品上生长Ga-S键膜。此时样品温度可在20-400℃范围之间，通过控制加热电流可以调节S-Ga键保护膜的生长速率与样品温度。实验证明样品在常温下保护膜也可以有效地生长。生长速率可由晶振器监测，一般控制在10-2-101/s之间。生长层的厚度通过生长时间来控制，几十分钟即可达数千埃的厚度。一般生长十分钟达到千埃左右即可既保护钝化层又不影响使用效果。
用本发明方法淀积砷化镓材料及其器件表面钝化保护膜更为合适的条件是真空生长室真空度为10-5τ-10-6τ，束源炉的温度在700℃到900℃之间，生长速率维持在10-1-100/s范围内，样品温度保持在100-300℃之间。实验证明制备申化镓材料钝化保护膜时，衬底温度稍高一点成膜质量较好，而制备砷化镓器件钝化保护膜时，为了防止器件损坏，样品温度应偏低。
砷化镓材料及其器件钝化保护膜制备是将样品经过钝化，一般用S2Cl2处理，再将样品在氮气保护下进入真空腔，用本发明方法在其上生长一层上千埃的Ga-S层；或者样品经511溶液(H2SO4∶H2O2∶H2O＝5∶1∶1)60℃处理2分钟，送到真空腔中580℃退火去除氧化层，用本发明方法淀积硫镓化合物，都可以达到长期钝化的目的。
本发明用的硫镓化合物源一般有三硫化二镓(Ga2S3)，硫化镓(GaS)和亚硫化镓(Ga2S)。
制作砷化镓材料的MIS结构，其中绝缘层可以用本发明方法在清洁的衬底上生长一层高质量适当厚度的Ga-S层。恰当地控制生长条件，在膜的绝缘性和界面性能等方面都可得以很好地保证。实验表明，用本发明方法可以生长达μm量级的S-Ga化合物钝化保护层。俄歇电子能谱(AES)测量表明膜中只有硫与镓元素，长时间存放，成分保持不变。因为生长时砷化镓衬底温度可以不高，所以界面扩散很小。大功率激光照射，砷化镓光荧光(PL)强度比自然氧化的表面有很大增强且无衰减，这表明稳定有效的钝化效果得以实现。X光衍射(XRD)测量膜的结构，表明成膜是晶体，多晶且有很强的方向性，材料主要沿(002)(004)晶向生长。初步的电学特性测试表明膜的电阻率优于1011Ω·cm，击穿场强在106V/cm以上，证明其有很好的绝缘性。可见本发明用较简单易行的方法生长成了高质量很稳定的硫化镓层，为砷化镓表面硫钝化找到了很好的保护膜，为实现硫钝化成为砷化镓器件制造过程中实用的钝化工艺和GaxSy作为砷化镓MIS结构的理想的绝缘层找到了有效的手段，使得半导体器件中砷化镓时代的来临成为可能。
实施例1取掺Te为1017cm-3的单面抛光的砷化镓单晶片，其(100)面经常规方法清洗后，室温20℃时在S2Cl2∶CCl4＝1∶4的钝化液中处理25秒，送到10-4τ的真空腔中，衬底维持在370℃，加热束源炉中三硫化二镓(Ga2S3)源到850℃，淀积生长5分钟。生成晶体硫化镓GaS膜厚达600，成分中氧含量低于俄歇探测极限，大气中测量光荧光强度提高了两个数量级，且数十分钟无衰减，照射到样品上的激光功率密度是1.5Kw/cm2。这里用的Ga2S3源是由溶液中(NH4)2S＋GaCl3进行化学反应得到。实施例2GaAs/AlGaAs异质结双极型晶体管(HBT)经S2Cl2实时钝化后，直流特性有很大提高。送到10-6τ的真空腔中，样品常温下，加热GaS源到780℃淀积生长10分钟，覆盖约1000的GaS层，钝化效果得到至少半年以上的保持。
权利要求
1.一种砷化镓材料及其器件表面钝化保护膜的制备方法，其特征在于将经过钝化处理后的砷化镓样品在真空生长室中，用束源炉中的硫镓化合物源，气相淀积方式在砷化镓上生长硫-镓键膜，其淀积条件为(1)真空生长室真空度10-4τ-10-8τ(2)束源炉的温度500-1200℃(3)衬底温度20-400℃(4)生长速率10-2-101/s
2.根据权利要求1所述的砷化镓材料及其器件表面钝化保护膜的制备方法，其特征在于更为适合的淀积条件是(1)真空生长室真空度10-5τ-10-6τ(2)束源炉的温度700-900℃(3)衬底温度100-300℃(4)生长速率10-1-100/s
3.根据权利要求1所述的砷化镓材料及其器件表面钝化保护膜的制备方法，其特征在于束源炉中的硫镓化合物源可以是三硫化二镓(Ga2S3)，硫化镓(GaS)和亚硫化镓(Ga2S)。
4.根据权利要求1所述的砷化镓材料及其器件表面钝化保护膜的制备方法，其特征在于该方法可用于砷化镓MIS结构的绝缘层制作。
全文摘要
一种砷化镓表面钝化保护膜的制备方法。现有的砷化镓材料及其器件硫钝化后，虽然提高了其性能，但是在光、氧存在下易退化失效。本发明用硫镓化合物为束源，真空淀积钝化过的砷化镓及其器件，形成钝化后的保护膜，方便简便，效果良好，使长期稳定钝化效果的关键问题得以解决。
文档编号H01L21/314GK1146631SQ96116400
公开日1997年4月2日 申请日期1996年6月19日 优先权日1996年6月19日
发明者曹先安, 陈溪滢, 李喆深, 丁训民, 侯晓远, 王迅 申请人:复旦大学