在(100)GaAs襯底上制備ZnTe外延厚膜的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種制備ZnTe外延厚膜的方法，特別是涉及一種在(10)GaAs襯底上制備ZnTe外延厚膜的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]ZnTe晶體是一種I1-VI族化合物半導(dǎo)體材料，為直接帶隙半導(dǎo)體，室溫下禁帶寬度為2.26eV。其具有較高的二階非線性系數(shù)和電光系數(shù)，〈110〉晶向ZnTe體材料在800nm附近激光脈沖作用下相位匹配最好，目前已成為最常用的產(chǎn)生和探測(cè)太赫茲(THz)輻射的電光材料(Turchinovich D, Dijkhuis J 1.Performance of combined<100> - <110>ZnTecrystals in an amplified THz time-domain spectrometer[J], Optics communicat1ns, 2007，270(1):96-99.) dnTe材料的器件的理論研究和實(shí)際應(yīng)用等方面的發(fā)展，對(duì)制備高結(jié)晶質(zhì)量，特定厚度，大尺寸的ZnTe晶體材料提出了更嚴(yán)苛的要求。所述厚膜即指膜厚在1ym以上的薄膜材料。厚度10?400 μπι范圍的ZnTe體材料，可以應(yīng)用于發(fā)射探測(cè)寬譜段太赫茲波。滿足要求的制備工藝主要是由傳統(tǒng)ZnTe體材料打磨拋光切割而成的ZnTe晶片。但傳統(tǒng)ZnTe晶體生長(zhǎng)方式生長(zhǎng)設(shè)備昂貴，磨拋工藝產(chǎn)生的損傷層極大的影響了其光學(xué)性質(zhì)。相關(guān)報(bào)道提出可以通過(guò)MOVPE法制備ZnTe外延薄膜，但其生長(zhǎng)速率低，難以外延厚度ΙΟμπι以上的ZnTe薄膜。
[0003]文獻(xiàn)I “Yusuke K μ me, Qixin Guo, Yuji Fukuhara, Tooru Tanaka, MitsuhiroNish1, and Hiroshi Ogawa Growth and Characterizat1n of ZnTe epilayers on (100)GaAs substrates by metalorganic vapor phase epitaxy Journal of CrystalGrowth, 298，445-448 (2007) ”公開(kāi)了一種采用 MOVPE 方法在(10)GaAs 襯底上外延 ZnTe 薄膜的方法。該方法采用DMZn (二甲基鋅)和DETe (二乙基鋅)為源材料，H2為載氣，生長(zhǎng)之前，將(10)GaAs襯底化學(xué)腐蝕，隨后在580度下進(jìn)行預(yù)熱處理30min，薄膜生長(zhǎng)階段，DMZn及DETe傳輸速率控制在15 μ mol/min,所得薄膜生長(zhǎng)速率最高為10 μ m/h，結(jié)晶質(zhì)量隨外延膜厚度增加而增加，其12 μ m厚的外延膜X射線雙晶搖擺曲線半峰寬為103arcSec。但是MOVPE法其生長(zhǎng)速率低，難以實(shí)現(xiàn)外延10 μπι以上、厚度可控的外延膜。
[0004]文獻(xiàn)2 “申請(qǐng)公開(kāi)號(hào)是CN104153001A的中國(guó)發(fā)明專利”公開(kāi)了一種在(10)GaAs單晶襯底上制備CdZnTe外延膜的方法。該方法采用近空間升華法(CSS)Ji (10)GaAs襯底進(jìn)行化學(xué)腐蝕、預(yù)加熱處理。再將準(zhǔn)備好的CdZnTe生長(zhǎng)源與(100) GaAs襯底放入生長(zhǎng)腔室，調(diào)整好源與襯底之間的距離，抽真空，并充入Ar至目標(biāo)壓強(qiáng)，開(kāi)啟加熱系統(tǒng)升溫，待沉積完成后停止加熱，在(10)GaAs單晶襯底外延生長(zhǎng)了高質(zhì)量的CdZnTe薄膜。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了克服現(xiàn)有方法制備ZnTe外延厚膜生長(zhǎng)速率慢的不足，本發(fā)明提供一種在(10)GaAs襯底上制備ZnTe外延厚膜的方法。該方法將經(jīng)過(guò)處理的ZnTe生長(zhǎng)源及(100)GaAs襯底放入生長(zhǎng)爐腔室內(nèi)，ZnTe生長(zhǎng)源置于AlN陶瓷片上，(10)GaAs襯底位于ZnTe生長(zhǎng)源正上方，采用石墨塊支撐，通過(guò)調(diào)整石墨塊擺放方式與規(guī)格調(diào)控生長(zhǎng)源與襯底的間距，生長(zhǎng)前采用高純Ar反復(fù)清洗生長(zhǎng)爐腔室以去除殘余空氣并充入Ar至目標(biāo)壓強(qiáng)，加熱ZnTe生長(zhǎng)源和(10)GaAs襯底，待生長(zhǎng)源與襯底升至在一定溫度后，生長(zhǎng)源繼續(xù)升溫至目標(biāo)溫度，襯底停止加熱，依靠生長(zhǎng)源處熱輻射維持厚膜生長(zhǎng)所需溫度，通過(guò)控制不同生長(zhǎng)時(shí)間生長(zhǎng)不同厚度的ZnTe外延厚膜。為了生長(zhǎng)更厚的ZnTe外延厚膜，可采用疊層生長(zhǎng)方式，即分多次生長(zhǎng)，每次生長(zhǎng)只使用溫差能夠穩(wěn)定的時(shí)長(zhǎng)，隨后停止生長(zhǎng)并降溫，待到生長(zhǎng)爐腔室降至室溫后，再次加熱生長(zhǎng)。本發(fā)明方法制備ZnTe外延厚膜生長(zhǎng)速率快并可外延生長(zhǎng)10 μπι以上ZnTe厚膜。
[0006]本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是:一種在(10)GaAs襯底上制備ZnTe外延厚膜的方法，其特點(diǎn)是包括以下步驟:
[0007]步驟一、將ZnTe生長(zhǎng)源打磨、拋光、清洗后，用氮?dú)獯蹈?，再?100) GaAs襯底用體積比H2SO4:H2O2:H2O為3:1:1的腐蝕液化學(xué)腐蝕90?150s，超聲清洗后，用氮?dú)獯蹈蓚溆谩?br>[0008]步驟二、將經(jīng)過(guò)步驟一處理的(10)GaAs襯底和ZnTe生長(zhǎng)源放入生長(zhǎng)爐腔室，ZnTe生長(zhǎng)源置于AlN陶瓷片上，GaAs襯底位于生長(zhǎng)源正上方，采用石墨塊支撐，通過(guò)調(diào)整石墨塊調(diào)控生長(zhǎng)源與襯底間距1.5mm?5mm，密閉生長(zhǎng)爐腔室。
[0009]步驟三、將生長(zhǎng)爐腔室抽真空至彡1X10 1Pa,通入150?250Pa高純Ar后，再抽真空至< 1X10 1Pa,經(jīng)3?5次如上操作以去除生長(zhǎng)爐腔室內(nèi)殘余空氣，將生長(zhǎng)爐腔室氣壓穩(wěn)定在< 1X10 1Pa0
[0010]步驟四、對(duì)(100) GaAs襯底進(jìn)行預(yù)熱處理，S卩加熱(100) GaAs襯底至300?450°C，保溫0.5h?lh，將生長(zhǎng)爐腔室內(nèi)溫度降至室溫。
[0011]步驟五、將生長(zhǎng)爐腔室內(nèi)抽真空至彡1X10 1Pa,將ZnTe生長(zhǎng)源和(10)GaAs襯底加熱至300?350°C，保溫0.5h?lh，保溫期間，將生長(zhǎng)爐腔室抽真空至< 1X10 1Pa,通入150?250Pa高純Ar后，再抽真空至彡1X10 1Pa,經(jīng)3?5次如上操作以去除生長(zhǎng)爐腔室內(nèi)殘余空氣，充入高純Ar至80?200Pa，保溫結(jié)束后，加熱ZnTe生長(zhǎng)源至生長(zhǎng)所需溫度700?850°C，(10)GaAs依靠生長(zhǎng)源處熱輻射的熱量維持生長(zhǎng)時(shí)所需溫度350?500°C，生長(zhǎng)過(guò)程中保持ZnTe生長(zhǎng)源與GaAs(10)襯底的溫差為250?350°C，生長(zhǎng)時(shí)間為0.5h?6h0
[0012]步驟六、生長(zhǎng)結(jié)束后，通入100Pa?1000Pa高純Ar，按照設(shè)定的緩慢降溫曲線，以100?200 °C /h降到500?650 °C，在此溫度下保溫0.5h?3h ;隨后以100?300 °C /h降至300?450 °C，隨爐冷卻降至室溫，ZnTe厚膜生長(zhǎng)完成。
[0013]重復(fù)步驟五、步驟六多次，生長(zhǎng)不同厚度的ZnTe厚膜。
[0014]本發(fā)明的有益效果是:該方法將經(jīng)過(guò)處理的ZnTe生長(zhǎng)源及(100) GaAs襯底放入生長(zhǎng)爐腔室內(nèi)，ZnTe生長(zhǎng)源置于AlN陶瓷片上，(100) GaAs襯底位于ZnTe生長(zhǎng)源正上方，采用石墨塊支撐，通過(guò)調(diào)整石墨塊擺放方式與規(guī)格調(diào)控生長(zhǎng)源與襯底的間距，生長(zhǎng)前采用高純Ar反復(fù)清洗生長(zhǎng)爐腔室以去除殘余空氣并充入Ar至目標(biāo)壓強(qiáng)，加熱ZnTe生長(zhǎng)源和(100)GaAs襯底，待生長(zhǎng)源與襯底升至在一定溫度后，生長(zhǎng)源繼續(xù)升溫至目標(biāo)溫度，襯底停止加熱，依靠生長(zhǎng)源處熱輻射維持厚膜生長(zhǎng)所需溫度，通過(guò)控制不同生長(zhǎng)時(shí)間生長(zhǎng)不同厚度的ZnTe外延厚膜。為了生長(zhǎng)更厚的ZnTe外延厚膜，可采用疊層生長(zhǎng)方式，即分多次生長(zhǎng)，每次生長(zhǎng)只使用溫差能夠穩(wěn)定的時(shí)長(zhǎng)，隨后停止生長(zhǎng)并降溫，待到生長(zhǎng)爐腔室降至室溫后，再次加熱生長(zhǎng)。本發(fā)明方法制備ZnTe外延厚膜生長(zhǎng)速率快并可外延生長(zhǎng)10 μπι以上ZnTe厚膜。
[0015]本發(fā)明方法通過(guò)生長(zhǎng)工藝的優(yōu)化控制，生長(zhǎng)出了滿足太赫茲發(fā)射及探測(cè)器件要求的ZnTe外延厚膜。(I)通過(guò)控制ZnTe生長(zhǎng)源溫度、生長(zhǎng)爐腔室壓力以及生長(zhǎng)源與襯底之間的距離，可控制生長(zhǎng)的ZnTe外延厚膜生長(zhǎng)速率，其速率范圍為20 μ m/h?ΙΟΟμπι/h，生長(zhǎng)速率快。(2)本發(fā)明通過(guò)控制生長(zhǎng)時(shí)間以及采用疊層生長(zhǎng)工藝可以生長(zhǎng)出設(shè)計(jì)厚度的ZnTe外延厚膜，其厚度為10 μπι?400 μπι。(3)本發(fā)明通過(guò)調(diào)整降溫制度、生長(zhǎng)源與襯底之間距離、生長(zhǎng)爐腔室壓力等工藝參數(shù)，所生長(zhǎng)ZnTe外延厚膜的結(jié)晶質(zhì)量滿足器件要求，采用高分辨X射線衍射儀測(cè)量(10)GaAs襯底上ZnTe外延膜的Θ/2 Θ和雙晶搖擺曲線掃描譜。Θ /2 Θ XRD衍射譜僅有(200)與(400)兩個(gè)衍射峰存在，表明所生長(zhǎng)的ZnTe膜在垂直于襯底表面的方向僅為(100)取向，在沉積速率100 μ m/h下生長(zhǎng)的厚度為200 μ mZnTe外延膜，其(400)面X射線雙晶搖擺曲線的半峰寬僅為264arcSec ;表明具有較好的結(jié)晶質(zhì)量。
[0016]下面結(jié)合【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明作詳細(xì)說(shuō)明。
【具體實(shí)施方式】
[0017]實(shí)施例1:在(10)GaAs襯底上生長(zhǎng)10 μπι厚ZnTe外延厚膜。
[0018]步驟一:準(zhǔn)備生長(zhǎng)源:采用垂直布里奇曼法生長(zhǎng)的ZnTe晶錠，將其在切去單晶后余下的多晶塊料切割為5 X 5 X 2mm3