一种砷化镓表面形貌控制方法与流程

本发明涉及一种砷化镓表面形貌控制方法，属于半导体集成技术领域。

背景技术：

砷化镓(GaAs)具有良好的半导体性质，对固体物理和固体电子学的发展有重要作用。另外砷化镓还具备多方面的特殊性质，在航空航天测控、核物理探测、光纤通讯、光电探测、太阳能电池、化学催化剂、生物医学等领域也有广泛而重要的应用，是一种重要的战略资源。

随着环境污染和资源枯竭问题的日益突出，为了实现经济的可持续发展，太阳能作为取之不尽用之不竭的可再生资源，也是可直接利用的清洁能源之一，逐渐发展为备受瞩目的产业。目前中国太阳能光伏产业以倍增速度快速发展，然而与发达国家相比我国太阳能应用市场发展明显滞后，其中太阳能电池(solar cell)的成本是制约光伏产业发展的主要原因。因此进一步降低制造成本是太阳能电池得以大规模应用的关键，而提高太阳能电池转换效率是降低成本的有效途径之一。除了寻找新型材料、研究新的制备工艺之外，提高太阳能电池转换效率的关键包括减小表面反射、提高电池受光表面积和提高太阳辐射能密度。

传统太阳能电池主要利用择优腐蚀原理来形成表面结构以达到降低表面反射率进而提高转换效率的目的，可能存在的问题是：衬底片表面处理过程复杂药剂消耗多，表面沾污严重，表面结构的一致性和均匀性差。因此，实现砷化镓(GaAs)表面形貌结构低成本高效益简单易行的控制变得非常重要。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明的目的在于通过控制氧气(O₂)分压和反应温度，使砷化镓(GaAs)与氧气(O₂)反应生成易挥发的三氧化二砷(As₂O₃)与一氧化二镓(Ga₂O)，利用氧分子和砷化镓反应速率的各向异性，提供一种砷化镓(GaAs)表面形貌控制方法，以期解决前述现有技术中存在的至少部分技术问题。

(二)技术方案

为了实现上述目的，本发明提供一种砷化镓表面形貌控制方法，其包括如下步骤：

步骤1：将待刻蚀表面形貌的砷化镓样品置于真空室中，然后向真空室内充入氧分压气体；

步骤2：调节氧分压，根据氧分压将真空室升温至对应温度，使砷化镓与氧分子在高温低压工作区域结合生成气态的三氧化二砷与一氧化二镓，控制反应时间实现砷化镓表面的形貌控制。

优选地，步骤1中，所述砷化镓样品为单晶砷化镓衬底结构或者是在其他绝缘体上形成的砷化镓表面结构。所述砷化镓样品的形状为砷化镓平面、砷化镓纳米线或者砷化镓纳米带。

优选地，步骤1中，所述氧分压气体为纯氧气或者氧气和其它性质稳定气体的混和气体。所述其它性质稳定气体是指化学性质稳定，在700℃以下不会和砷化镓或者氧气发生化学反应的气体，优选氮气、氩气、氦气、氖气或者上述气体的混合气体。

优选地，步骤1中，所述真空室的原始氧气分压小于10^-4Pa。

步骤2中，反应过程中氧气分压控制在0.1Pa-10⁵Pa之间，可以根据刻蚀速率的要求调节氧气分压。刻蚀速率由氧气分压和反应温度以及砷化镓材料的晶态和取向决定。刻蚀速率随温度的升高而增加，刻蚀速率随氧气分压的升高而增加。从晶态和取向上讲，刻蚀速率的关系为：单晶(110)>单晶(100)>单晶(111)。对于不同的砷化镓材料，通过改变反应温度、氧气分压，可以实现不同的刻蚀速率。

优选地，步骤2中，所述高温低压工作区域通过下述方法确定：在真空室中，氧气分压控制在0.1Pa-10⁵Pa，反应温度控制在300℃-700℃，在反应温度和氧气分压为横纵坐标的二维图里，连接(520℃，0.1Pa)和(680℃，10⁵Pa)两点将二维坐标图分成两个半区，高温且低压的半区即为所述的高温低压工作区域。

(三)有益效果

本发明的技术方案取得了下述有益效果：

1、本发明所提供的砷化镓(GaAs)表面形貌控制技术，工艺非常简单，只需要调节氧气分压和反应温度就可以实现砷化镓表面形貌控制的效果；

2、更加环保，反应过程只生成可挥发性三氧化二砷与一氧化二镓，不会引入化学污染；

3、成本低廉，不需要使用大规模的刻蚀机器；

4、根据刻蚀速率随氧气分压和反应温度的关系，可以实现砷化镓材料表面形貌结构的精确控制，具有重要意义。

附图说明

图1为本发明实施例的制备工艺流程图；

图2为本发明实施例的结构示意图；

图3为本发明实施例的结构示意图；

图4为砷化镓表面形貌深度与反应时间关系的示意图；

图5为砷化镓与氧气反应的热力学平衡关系图。

具体实施方式

为使本发明的目的、内容和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步的详细描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

实施例1

本实施例具体描述本发明所提供的一种砷化镓表面形貌控制方法。请参考图1，其显示本实施例中砷化镓衬底表面形貌结构的制备工艺流程图。本实施例中的砷化镓表面形貌控制方法，包括如下步骤：

步骤1：开始

步骤2：如图2所示，将单晶砷化镓衬底结构置于真空室101中，初始真空度为10^-5Pa；单晶砷化镓层102厚度为500微米。

步骤3：如图2所示，对真空室101中充入氮气和氧气的混合气体，调节氧气分压为10Pa。

步骤4：调节真空室反应温度，原位对该衬底结构升温至650℃，保持加热状态。

步骤5：如图3所示，加热使砷化镓衬底形成四角锥立体结构103，控制真空室内反应时间，可以控制砷化镓衬底形貌结构深度。

步骤6：结束。

其中，所述步骤1提供了单晶砷化镓衬底结构，应该说明的是其他绝缘体上形成的砷化镓表面结构也是可行的。

图4为砷化镓表面形貌深度与反应时间关系的示意图，图示了砷化镓表面形貌深度与反应时间的基本关系，砷化镓衬底的初始不平整致形貌深度为0.3nm，在反应时间的前期，形貌深度随着反应时间增加急剧变化，而经过充分反应时间后，砷化镓表面形貌结构深度随时间变化缓慢。典型工作点，是在适当氧气分压和反应温度下，经过半小时反应时间，砷化镓表面的形貌深度达到了3μm。

图5为砷化镓与氧气反应的热力学平衡关系图，图示了砷化镓氧化反应产物与反应温度的基本关系，通过图5的反应平衡常数的计算可以推断出砷化镓氧化生成三氧化二砷与一氧化二镓压强与初始氧分压之间的关系。

上述实施例说明，本发明所提供的砷化镓(GaAs)表面形貌控制技术，工艺非常简单，只需要调节氧气分压和反应温度就可以实现砷化镓表面形貌控制的效果；由于反应过程只生成可挥发性三氧化二砷与一氧化二镓，不会引入化学污染，因此更加环保，同时因为不需要使用大规模的刻蚀机器而使成本更为低廉。本发明的方法根据刻蚀速率随氧气分压和反应温度的关系，可以实现砷化镓材料表面形貌结构的精确控制，具有重要意义。

以上所述的具体实施例，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，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已， 并不用于限制本发明，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。