专利名称：一种砷化镓基半导体-氧化物绝缘衬底及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种砷化镓基半导体-氧化物绝缘衬底及其制备方法。
背景技术：
随着砷化镓(GaAs)基的场效应管(FET)，高电子迁移率晶体管(HEMT)和异质结双极晶体管(HBT)器件和电路在军用领域和民用无线通讯领域的广泛应用，性能要求不断提高，高温、高频、大功率、高线性，抗辐射器件已经成为急需。在上述器件的设计和制造中，不可避免地要考虑短沟道效应，背栅效应等衬底和缓冲层因素对器件性能的影响。硅基半导体-氧化物绝缘衬底(以下简称Si基SOI衬底)技术是在上世纪九十年代快速发展起来的一项技术，在解决某些寄生效应方面获得极大的成功，这一技术被成功地应用于砷化镓(GaAs)领域。砷化镓基半导体-氧化物绝缘衬底(以下简称GaAs基SOI衬底)的优点在于1、构成元件间，元件与衬底间全电隔离的器件，彻底消除了衬底泄漏电流，衬底缺陷的影响；2、克服了一些重要的寄生现象，如背栅效应等；3、互连电容及寄生电容大为减少，有利提高电路速度；4、可供发展三维结构立体电路，提高电路集成密度。
但是，一直以来没有很稳定可靠的方法制作GaAs基SOI衬底。现在国际上普遍采用的GaAs基SOI衬底制作方法有两种。一种是利用双片键合的方法，即将表面清洁的半导体材料与绝缘衬底面对面粘合，再对粘合的材料进行加压，高温退火来增强它们之间的键合。然后对半导体一边进行抛光，减薄至几十到几百纳米来形成SOI衬底。这种方法的缺点是1、由于GaAs材料太脆，在粘合过程中很容易碎裂，成品率太低；2、由于上述原因，无法制作大尺寸衬底，增加器件成本；3、由于表面处理的原因，表面上的尘埃颗粒，气泡等容易在衬底上形成空洞，导致器件失效。
第二种GaAs基SOI衬底制作方法是利用离子注入的方法形成绝缘层，这种方法是利用不同能量的离子注入到衬底中，然后高温退火形成一层绝缘层。这种方法缺点是1、由于GaAs是二元化合物，在高温时容易分解，给衬底带来不利影响；2、离子注入会给严重破坏晶体的完美性，从而给器件带来不利的影响。
发明内容
本发明的目的在于克服已有双片键合的方法制备GaAs基SOI衬底成品率太低、成本高，和易在衬底上形成空洞，导致器件失效的缺陷。以及克服离子注入方法中严重破坏晶体性能，而不能稳定可靠地制作GaAs基SOI衬底的缺陷，从而提供一种工艺简单、可靠且稳定性好的GaAs基SOI衬底的制备方法，得到GaAs基SOI衬底。
本发明的目的是通过如下的技术方案实现的本发明提供一种砷化镓基半导体-氧化物绝缘衬底(简称GaAs基SOI衬底)，包括砷化镓衬底，在砷化镓衬底上外延生长厚度为20～2000nm的含Al的半导体化合物层，上面覆盖厚度为5～500nm的砷化镓层。
所述的含Al的半导体化合物层包括含Al的二元或多元半导体化合物层。
所述的含Al的二元半导体化合物层包括AlAs。
所述的含Al的多元半导体化合物层包括GaxAl1-xAs，InxAl1-xAs，其中0＜x＜0.5。
所述的含Al的多元半导体化合物层包括InaGabAl1-a-bAs，其中0＜a＜0.5，0＜b＜1-a。
本发明提供一种砷化镓基半导体-氧化物绝缘衬底(简称GaAs基SOI衬底)的制备方法，包括如下步骤1)用公知的外延手段在砷化镓衬底上外延生长含Al的半导体化合物层，其厚度为20～2000nm，上面覆盖砷化镓层，其厚度为5～500nm；2)利用常规光刻技术将步骤1)中得到的材料刻成所需器件的形状和尺寸，并将其边缘刻蚀到含Al化合物层以下；3)将步骤2)刻蚀得到的基片置入氧化炉中，将氮气通过盛水的容器后导入氧化炉中进行湿法氧化，水的温度为10～150℃，氮气流量为0.2～10升/分，氧化温度为350～550℃，氧化至含Al化合物层完全氧化为止；4)将步骤3)的氧化完毕的样品用浓度为10～35％的盐酸，浸泡5～20分钟去掉表面氧化膜后，制得砷化镓基半导体-氧化物绝缘衬底。
所述的步骤1)中外延生长的含Al的半导体化合物层包括含Al的二元或多元半导体化合物层。
所述的含Al的二元半导体化合物层包括AlAs。
所述的含Al的多元半导体化合物层包括GaxAl1-xAs，InxAl1-xAs，其中0＜x＜0.5。
所述的含Al的多元半导体化合物层包括InaGabAl1-a-bAs，其中0＜a＜0.5，0＜b＜1-a。
本发明提供的砷化镓基半导体-氧化物绝缘衬底的优点在于1、构成元件间、元件与衬底间全电隔离的器件，彻底消除了衬底泄漏电流，衬底缺陷的影响；2、克服了诸如背栅效应之类的寄生现象；3、互连电容及寄生电容大为减少，有利于提高电路速度；4、可供发展三维结构立体电路，提高电路集成密度。
本发明提供的砷化镓基半导体-氧化物绝缘衬底的制备方法的优点在于首次成功地制作了砷化镓基半导体-氧化物绝缘衬底，此方法工艺简单可靠，稳定性好；绝缘层的形状和尺寸可控；可以大面积氧化，减低器件制作成本；不损坏器件的结构和材料质量；此衬底适用于MBE，CVD等各种外延手段，可应用于各种需要实现器件之间，器件与衬底之间完全电隔离的器件材料的生长。
图1是本发明的砷化镓基半导体-氧化物绝缘衬底的制备方法的工艺流程图；图2是本发明实施例1制备的砷化镓基半导体-氧化物绝缘衬底的透射电子显微镜截面图；图3是本发明实施例1制备的砷化镓基半导体-氧化物绝缘衬底的X-射线衍射图；图4是本发明在实施例3制备的砷化镓基半导体-氧化物绝缘衬底生长PHEMT材料后的表面原子力显微镜图；图5是普通砷化镓衬底生长PHEMT材料后的表面原子力显微镜图；图6是本发明实施例3制备的砷化镓基半导体-氧化物绝缘衬底二次外延生长的PHEMT器件其器件电流-电压关系；图7是普通砷化镓衬底生长的PHEMT器件其器件电流-电压关系。
具体实施例方式
下面结合本发明的制备方法和附图对本发明进行详细的说明实施例1.在GaAs衬底上制作含有50nm的AlAs层的GaAs基SOI衬底如图1所示的本发明的工艺流程图，在砷化镓衬底上制作含有50nm的AlAs层的砷化镓基半导体-氧化物绝缘衬底，其具体步骤如下
1、市售的GaAs衬底在1×10-10乇的本底真空中，As分子束保护下，加热到580℃脱去表面氧化膜，然后在Ga∶As束流比为1∶30，衬底温度580℃的条件下，在其表面外延500nm的GaAs缓冲层；再在Al∶As束流比为1∶5，衬底温度660℃的条件下，在GaAs缓冲层的表面外延50nm的AlAs层；最后在Ga∶As束流比为1∶30，衬底温度580℃的条件下，在AlAs层的表面外延50nm的GaAs盖帽层；2、将步骤1中生长好的样品通过普通的光刻技术刻成宽50μm，间隔为3μm的长条，用柠檬酸∶双氧水＝1∶1的混合液做选择腐蚀，将3μm间隔处的表面GaAs盖帽层腐蚀掉，露出待氧化的AlAs层；3、将光刻，腐蚀好的样品置入氧化炉中，用氮气通过盛水的容器后导入氧化炉中进行湿法氧化，氮气流量1升/分，水温85℃，氧化温度400℃，30分钟后氧化完毕，含Al化合物层完全氧化，取出样品，冷却；4、把氧化完毕的样品用35％盐酸水溶液浸泡5分钟后取出，用去离子水清洗干净，制得一块GaAs基SOI衬底。
对此GaAs基SOI衬底进行了性能测试。其透射电子显微镜的截面图如图2所示，由图可知该衬底界面平整，无应力。此GaAs基SOI衬底的X-射线衍射图如图3所示，可以看出，此GaAs基SOI衬底两侧有好几个干涉峰存在，这些干涉峰是衬底与表面GaAs反射的X射线相互干涉的结果，表明了该GaAs基SOI衬底表面的GaAs结构完整且GaAs与AlAs氧化物界面平滑。
实施例2.在GaAs衬底上制作含有100nm的Ga0.1Al0.9As层的GaAs基SOI衬底如图1所示的本发明的工艺流程图，在GaAs衬底上制作含有100nm的Ga0.1Al0.9As层的GaAs基SOI衬底，其具体步骤如下1、市售的GaAs衬底在1×10-10乇的本底真空中，As分子束保护下，加热到580℃脱去表面氧化膜，然后在Ga∶As束流比为1∶30，衬底温度580℃的条件下，在其表面外延500nm的GaAs缓冲层；再在Al∶As束流比为1∶8，衬底温度630℃的条件下，在GaAs缓冲层的表面外延100nm的Ga0.1Al0.9As层；最后在Ga∶As束流比为1∶30，衬底温度580℃的条件下，在AlAs层的表面外延100nm的GaAs盖帽层；2、将步骤1中生长好的样品通过普通的光刻技术刻成宽20μm，间隔为3μm的长条，用柠檬酸∶双氧水＝1∶1的混合液做选择腐蚀，将3μm间隔处的表面GaAs盖帽层腐蚀掉，露出待氧化的Ga0.1Al0.9As层；3、将光刻，腐蚀好的样品置入氧化炉中，用氮气通过盛水的容器后导入氧化炉中进行湿法氧化，氮气流量1升/分，水温75℃，氧化温度430℃，100分钟后氧化完毕，含Al化合物层完全氧化，取出样品，冷却；4、把氧化完毕的样品用35％盐酸水溶液浸泡5分钟后取出，用去离子水清洗干净，制得GaAs基SOI衬底。
实施例3.在GaAs衬底上制作含有200nm的In0.01Ga0.09Al0.9As层的GaAs基SOI衬底如图1所示的本发明的工艺流程图，在GaAs衬底上制作含有200nm的In0.01Ga0.09Al0.9As层SOI衬底，其具体步骤如下1、市售的GaAs衬底在1×10-10乇的本底真空中，As分子束保护下，加热到580℃脱去表面氧化膜，然后在Ga∶As束流比为1∶30，衬底温度580℃的条件下，在其表面外延500nm的GaAs缓冲层；再以同样的条件在GaAs缓冲层的表面外延200nm的In0.01Ga0.09Al0.9As层；最后在上述条件下在AlAs层的表面外500nm的GaAs盖帽层；2、将步骤1中生长好的样品通过普通的光刻技术刻成宽20μm，间隔为3μm的长条，用柠檬酸∶双氧水＝1∶1的混合液做选择腐蚀，将3μm间隔处的表面GaAs盖帽层腐蚀掉，露出待氧化的In0.01Ga0.09Al0.9As层；3、将光刻，腐蚀好的样品置入氧化炉中，用氮气通过盛水的容器后导入氧化炉中进行湿法氧化，氮气流量10升/分，水温30℃，氧化温度460℃，100分钟后氧化完毕，含Al化合物层完全氧化，取出样品，冷却；4、把氧化完毕的样品用35％盐酸水溶液浸泡5分钟后取出，用去离子水清洗干净，制得GaAs基SOI衬底。
用制得的GaAs基SOI衬底再二次外延PHEMT材料，其表面原子力显微镜图如图4所示，由图可知其粗糙度小于4nm，与图5所示的普通GaAs衬底生长PHEMT材料后的表面原子力显微镜图一样，说明GaAs基SOI衬底表面平整，适用于外延生长。
将所生长的PHEMT材料通过标准的器件工艺制作流程制作成了PHEMT器件，对其及普通GaAs衬底生长的PHEMT器件进行了直流特性的测量。在器件版图设计为栅长0.8μm，单指栅宽100μm，总栅宽600μm，源漏间距4μm。两种器件的电流-电压关系如图6、7所示，由图可知，本发明提供的GaAs基SOI衬底的PHEMT饱和区I-V曲线平坦，随着源漏电压的升高只是微微上翘，说明输出电导极小，没有衬底泄漏电流而实现完全的器件与衬底的电学绝缘；而普通GaAs衬底上PHEMT器件饱和区I-V曲线随着源漏电压的升高明显上翘，输出电导较大，器件和衬底间存在着较大的电学绝缘问题。
另外，图6中的本发明提供的GaAs基SOI衬底上PHEMT器件的I-V特性在饱和区有相等的间距和良好的夹断性能，显示出其极好的电荷控制能力。而普通GaAs衬底上PHEMT器件的I-V特性间距差别较大，表明其跨导不均匀，也说明了其缓冲层中有很多载流子，器件和衬底之间的绝缘性差。
实施例4.在GaAs衬底上制作含有20nm的In0.1Al0.9As层的GaAs基SOI衬底如图1所示的本发明的工艺流程图，在GaAs衬底上制作含有20nm的In0.1Al0.9As层GaAs基SOI衬底，其具体步骤如下1、市售的GaAs衬底在1×10-10乇的本底真空中，As分子束保护下，加热到580℃脱去表面氧化膜，然后在Ga∶As束流比为1∶30，衬底温度580℃的条件下，在其表面外延500nm的GaAs缓冲层；再在Al∶As束流比为1∶2，衬底温度660℃的条件下，在GaAs缓冲层的表面外延20nm的In0.1Al0.9As层；最后在Ga∶As束流比为1∶30，衬底温度580℃的条件下，在AlAs层的表面外延5nm的GaAs盖帽层；2、步骤1中生长好的样品通过普通的光刻技术刻成宽50μm，间隔为3μm的长条，用柠檬酸∶双氧水＝1∶1的混合液做选择腐蚀，将3μm间隔处的表面GaAs盖帽层腐蚀掉，露出待氧化的In0.1Al0.9As层；3、将光刻，腐蚀好的样品置入氧化炉中，用氮气通过盛水的容器后导入氧化炉中进行湿法氧化，氮气流量0.2升/分，水温10℃，氧化温度550℃，60分钟后氧化完毕，含Al化合物层完全氧化，取出样品，冷却；4、把氧化完毕的样品用10％盐酸水溶液浸泡20分钟后取出，用去离子水清洗干净，制得一块GaAs基SOI衬底。
实施例5.在GaAs衬底上制作含有2000nm的AlAs层的GaAs基SOI衬底如图1所示的本发明的工艺流程图，在GaAs衬底上制作含有2000nm的AlAs层GaAs基SOI衬底，其具体步骤如下1、市售的GaAs衬底在1×10-10乇的本底真空中，As分子束保护下，加热到580℃脱去表面氧化膜，然后在Ga∶As束流比为1∶30，衬底温度580℃的条件下，在其表面外延500nm的GaAs缓冲层；再在Al∶As束流比为1∶10，衬底温度660℃的条件下，在GaAs缓冲层的表面外延2000nm的AlAs层；最后在Ga∶As束流比为1∶30，衬底温度580℃的条件下，在AlAs层的表面外延500nm的GaAs盖帽层；2、步骤1中生长好的样品通过普通的光刻技术刻成宽50μm，间隔为3μm的长条，用柠檬酸∶双氧水＝1∶1的混合液做选择腐蚀，将3μm间隔处的表面GaAs盖帽层腐蚀掉，露出待氧化的AlAs层；3、将光刻，腐蚀好的样品置入氧化炉中，用氮气通过盛水的容器后导入氧化炉中进行湿法氧化，氮气流量10升/分，水温150℃，氧化温度350℃，30分钟后氧化完毕，含Al化合物层完全氧化，取出样品，冷却；4、把氧化完毕的样品用35％盐酸水溶液浸泡20分钟后取出，用去离子水清洗干净，制得一块GaAs基SOI衬底。
权利要求
1.一种砷化镓基半导体一氧化物绝缘衬底，包括砷化镓衬底，在砷化镓衬底上外延生长厚度为20～2000nm的含Al的半导体化合物层，上面覆盖厚度为5～500nm的砷化镓层。
2.按权利要求1所述的砷化镓基半导体一氧化物绝缘衬底，其特征在于所述的含Al的半导体化合物层包括含Al的二元或多元半导体化合物层。
3.按权利要求2所述的砷化镓基半导体一氧化物绝缘衬底，其特征在于所述的含Al的二元半导体化合物层包括AlAs。
4.按权利要求2所述的砷化镓基半导体一氧化物绝缘衬底，其特征在于所述的含Al的多元半导体化合物层包括GaxAl1-xAs，InxAl1-xAs，其中0＜x＜0.5。
5.按权利要求2所述的砷化镓基半导体一氧化物绝缘衬底，其特征在于所述的含Al的多元半导体化合物层包括InaGabAl1-a-bAs，其中0＜a＜0.5，0＜b＜1-a。
6.一种砷化镓基半导体一氧化物绝缘衬底的制备方法，包括如下步骤1)公知的外延手段在砷化镓衬底上外延生长含Al的半导体化合物层，其厚度为20～2000nm，上面覆盖砷化镓层，其厚度为5～500nm；2)利用常规光刻技术将步骤1)中得到的材料刻成所需器件的形状和尺寸，并将其边缘刻蚀到含Al化合物层以下；3)将步骤2)刻蚀得到的基片置入氧化炉中，将氮气通过盛水的容器后导入氧化炉中进行湿法氧化，水的温度为10～150℃，氮气流量为0.2～10升/分，氧化温度为350～550℃，氧化至含Al化合物层完全氧化为止；4)将步骤3)的氧化完毕的样品用浓度为10～35％的盐酸，浸泡5～20分钟去掉表面氧化膜后，制得砷化镓基半导体一氧化物绝缘衬底。
7.按权利要求6所述的砷化镓基半导体一氧化物绝缘衬底的制备方法，其特征在于所述的步骤1)中外延生长的含Al的半导体化合物层包括含Al的二元或多元半导体化合物层。
8.按权利要求7所述的砷化镓基半导体一氧化物绝缘衬底的制备方法，其特征在于所述的含Al的二元半导体化合物层包括AlAs。
9.按权利要求7所述的砷化镓基半导体一氧化物绝缘衬底的制备方法，其特征在于所述的含Al的多元半导体化合物层包括GaxAl1-xAs，InxAl1-xAs，其中0＜x＜0.5。
10.按权利要求7所述的砷化镓基半导体一氧化物绝缘衬底的制备方法，其特征在于所述的含Al的多元半导体化合物层包括InaGabAl1-a-bAs，其中0＜a＜0.5，0＜b＜1-a。
全文摘要
本发明涉及一种砷化镓基半导体一氧化物绝缘衬底及其制备方法。本发明提供一种砷化镓基半导体一氧化物绝缘衬底，包括砷化镓衬底，在砷化镓衬底上外延生长厚度为20～2000nm的含Al的半导体化合物层，上面覆盖厚度为5～500nm的砷化镓层。本发明采用AlAs侧向氧化的方法制备砷化镓基半导体一氧化物绝缘衬底。本发明提供的砷化镓基半导体一氧化物绝缘衬底具有良好的热稳定性，并可二次外延，非常有利于器件的性能。另外，这种制作方法还大大增加了器件结构的灵活性，并且非常适于高性能电子器件结构和光电集成电路结构。
文档编号H01L21/00GK1536611SQ0312182
公开日2004年10月13日 申请日期2003年4月11日 优先权日2003年4月11日
发明者周均铭, 陈弘, 贾海强, 王文冲, 黄绮 申请人:中国科学院物理研究所