一种降低GaAs薄膜杂质含量的制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种降低GaAs薄膜杂质含量的制备方法，该方法包括母液提纯和外延生长二个步聚，依次是：将原料Ga和GaAs放入石墨舟，抽真空、通氢气，调控上段炉与下段炉形成稳定的温差，开始提纯母液；提纯后，打开阀门，使得石墨舟左侧室上部的母液流入右侧室，调控炉与上段炉温度相同，待母液匀化后，移开档板，插入衬底控制杆至衬底浸入母液，以恒速降温，开始外延生长，结束后拉动控制杆至衬底离开液面，转动控制杆，甩掉残留母液，冷却至室温。本发明的优点是：提纯步骤降低了薄膜的杂质含量，扩大了应用范围，并且工艺简单，可大规模量产。
【专利说明】一种降低GaAs薄膜杂质含量的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种GaAs薄膜的制备方法，具体涉及一种利用溶液的Soret效应(SP若在溶液的两端形成恒定的温差，一般溶质将由高温区向低温区扩散)提纯饱和母液，从而降低薄膜杂质含量的薄膜制备方法，并提供了一种实现该方法的新型结构的石墨舟，特别适合于制备高纯II1-V、I1-VI族化合物半导体薄膜，例如:GaAs、InAsSb, HgCdTe等高纯薄膜。
【背景技术】[0002]杂质的类型与浓度是半导体材料的重要参数，例如，掺入Be离子，GaAs表现出p型半导体特性，掺入Te离子，GaAs则表现出η型半导体特性，同时，通过改变Be、Te离子杂质浓度可以调节GaAs的迁移率与电导率。然而，杂质也会在GaAs薄膜中形成缺陷或陷阱，产生非辐射复合中心，降低器件的迁移率和光电转换效率，因此，根据器件的结构设计要求控制GaAs薄膜的杂质类型与含量非常重要。
[0003]阻挡杂质带红外焦平面探测器具有响应波长长的特点，特别适合于红外天文学的观察研究，是一类广受关注的红外探测器件，主要的器件类型及响应波段有:硅掺砷(SiiAs)覆盖10~25 μ m，硅掺锑(S1:Sb)覆盖20~40 μ m，锗掺镓(Ge:Ga)覆盖40~70 μ m，应变锗掺镓(Ge:Ga)覆盖70~200 μ m，特别是GaAs掺碲(GaAs:Te)的响应波长范围长达30~300 μ m,是探测深空冷对象的最优探测器，这类器件有一个共同的特点是要求生长一层高纯阻挡层，例如，GaAs阻挡层的载流子浓度要求〈10_13cm_3，采用常规的薄膜生长技术很难达到(见文献:Proc.SPIE Vol.4486:200)。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是提供一种利用溶液的Soret效应降低GaAs薄膜的杂质含量的制备方法，并提供一种实现该方法的一种新型石墨舟，其特征在于包括以下步骤:
[0005]①以高纯Ga和GaAs为原料，采用通用的方法清洗高纯GaAs表面，用氮气吹干后将GaAs和Ga放入特制的石墨舟的左侧室内；
[0006]②抽真空至系统的压强<10_4Pa后通入高纯氢气，接着调节三段式垂直炉的温度，使得上段炉与下段炉形成稳定的温差，上段炉的温度是700~850°C，比下段炉高50~150°C，开始提纯母液；
[0007]③保温5~10小时，待母液提纯之后，打开石墨舟中间的阀门，使得石墨舟左侧室上部分提纯后的GaAs饱和母液流入石墨舟的右侧室；
[0008]④调节中间炉与下段炉的温度，使得它们和上段炉的温度保持一致，接着保温2~4小时，待母液重新匀化之后，移开衬底档板，缓缓插入衬底控制杆，使得衬底刚好浸入石墨舟右侧室的GaAs饱和母液，然后垂直炉按照恒定的速率2~10°C /h降温，开始外延生长GaAs薄膜；
[0009]⑤外延结束后向上拉动衬底控制杆，使得衬底刚好离开GaAs饱和母液的液面后以350~850rpm的转速转动衬底控制杆,甩掉衬底表面的残留母液；
[0010]⑥冷却至室温，结束生长。
[0011]所述的特制的石墨舟的结构不同于当前垂直离心式液相外延方法采用的石墨舟，其特征在于:
[0012]①石墨舟分为左、右二个室，左侧室的高度约是右侧室的一倍，左侧室用来提纯母液，右侧室用来外延生长GaAs薄膜；
[0013]②左侧室与右侧室中间开有一个孔，用石墨块进行隔离，用来将上部提纯后的母液转入右侧生长室。
[0014]本发明的优点是:[0015]1.GaAs薄膜外延生长之前在石墨舟左侧室进行了提纯，极大降低薄膜中各种类型的杂质含量。这是由于石墨舟左侧室很长，通过控制三段式垂直炉上、下炉的温差，根据Soret效应可知饱和母液中的杂质逐渐扩散至位于炉下段的低温区，使得母液的上部得到提纯，接着转移这部分提纯后母液至石墨舟右侧生长室进行外延生长，从而降低薄膜的杂质含量。
[0016]2.本发明可以针对某一种具体的杂质设定三段式垂直炉的结构和温差分布，达到对此杂质最佳的提纯效果。
[0017]3.本发明结构简单，制备成本低，容易推广应用。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1为本发明实施例的石墨舟，其中:(a)是正视图、(b)是左视图，(C)是俯视图。
[0019]图2为本发明实施例中母液提纯时对应的系统状态的示意图。
[0020]图3为本发明实施例中外延生长时对应的系统状态的示意图。
【具体实施方式】
[0021]下面结合附图和具体的实施例来详细阐述利用本发明一种降低GaAs薄膜杂质含量的制备方法制备低杂质含量的GaAs薄膜的工艺技术:
[0022]根据不同温度时GaAs在Ga中溶解度,并结合衬底漂浮技术确定Ga和GaAs的质量，接着采用通用的方法清洗高纯GaAs表面，用氮气吹干后将GaAs和Ga放入特制的石墨舟2的左侧室21内。石墨舟2的三视图如图1所示。
[0023]抽真空至系统的压强<10_4Pa后通入高纯氢气，接着调节三段式垂直炉I的温度，使得上段炉11的温度为700~850°C，比下段炉13的温度高50~150°C，开始提纯母液。此时系统的状态示意图如图2所示。
[0024]保温5~10小时后，打开石墨舟2中间的阀门23，使得石墨舟左侧室21上部分提纯后的GaAs饱和母液6流入石墨舟右侧室22。
[0025]调节中间炉12与下段炉13的温度，使得它们和上段炉11的温度都保持相同，接着保温2~4小时之后，移开衬底档板4，缓缓插入衬底控制杆3，使得衬底5刚好浸入石墨舟右侧室22的GaAs饱和母液，然后垂直炉I按照2~10°C /h的恒定速率降温，开始外延生长GaAs薄膜。此时系统的状态示意图如图3所示。
[0026]外延结束后向上拉动衬底控制杆3，使得衬底5刚好离开GaAs饱和母液的液面后转动衬底控制杆3,转速为350~850rpm,甩掉衬底5表面的残留液。最后系统冷却至室温，结束生长。[0027]通过调节母液提纯步骤中上、下段炉的温度和温差，以及外延生长步骤中垂直炉的温度，将有效控制杂质含量，得到不同杂质浓度的GaAs薄膜。
【权利要求】
1.一种降低GaAs薄膜杂质含量的制备方法，其特征在于包括以下步骤: ①以高纯Ga和GaAs为原料，采用通用的方法清洗高纯GaAs表面，用氮气吹干后将GaAs和Ga放入特制的石墨舟(2)的左侧室(21)内； ②抽真空至系统的压强<10_4Pa后通入高纯氢气，接着调节三段式垂直炉(I)的温度，使得上段炉(11)与下段炉(13)形成稳定的温差，上段炉(11)的温度是700~850°C，比下段炉(13)的温度高50~150°C，开始提纯母液(6)； ③保温5~10小时,待母液提纯之后，打开石墨舟(2)中间的阀门(23),使得石墨舟左侧室(21)上部分提纯后的GaAs饱和母液流入石墨舟右侧室(22)； ④调节中间炉(12)与下段炉(13)的温度，使得它们和上段炉(11)的温度保持一致，接着保温2~4小时，待母液重新匀化后，移开衬底档板(4)，缓缓插入衬底控制杆(3)，使得衬底(5)刚好浸入石墨舟右侧室(22)的GaAs饱和母液，然后垂直炉(I)以2~10°C /h的恒定速率降温，开始外延生长GaAs薄膜； ⑤外延结束后向上拉动衬底控制杆(3)，使得衬底(5)刚好离开GaAs饱和母液的液面后，以350~850rpm的转速转动衬底控制杆(3),甩掉衬底(5)表面的残留母液； ⑥冷却至室温，结束生长。
2.根据权利要求1所述的一种降低GaAs薄膜杂质含量的制备方法，所述的特制的石墨舟(2)的结构特征在于: ①石墨舟(2)分为左、右二个室，左侧室(21)的高度约是右侧室(22)的一倍，左侧室(21)用来提纯母液(6)，右侧室(22)用来外延生长GaAs薄膜； ②左侧室(21)与右侧室(22)中间开有一个孔，用石墨块(23)进行隔离，用来将上部提纯后的母液转入右侧生长室(22 )。
【文档编号】C30B29/42GK103898600SQ201410121076
【公开日】2014年7月2日 申请日期:2014年3月28日 优先权日:2014年3月28日
【发明者】邓惠勇, 郭建华, 刘雨从, 胡古今, 戴宁 申请人:中国科学院上海技术物理研究所