[发明专利]一种在砷化镓基片上外延生长钛酸锶薄膜的方法

说明书

技术领域

本发明属于材料技术领域，涉及在砷化镓(GaAs)基片上外延生长钛酸锶(SrTiO₃，简称STO)介电薄膜的方法。

背景技术

GaAs半导体材料是一种典型的直接带隙宽禁带半导体材料，室温下的带隙宽度为3.37电子伏特(ev)，电子迁移率高达8500cm²/V*s(每伏秒平方厘米)。近年来，人们一直希望将介电功能氧化物STO薄膜材料与砷化镓材料集成起来形成GaAs基的金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。利用STO作为介电材料时的电光、介电可调等特性与GaAs高迁移率、直接带隙的特性开发出具有电光耦合、光波导以及多功能一体化的高频率半导体器件。但是，与介电氧化物(如STO)集成的砷化镓基异质结器件还未能发展起来，这是因为相对于半导体工业常用的SiO₂/Si体系而言，GaAs半导体是二元化合物，其表面和界面具有更高的活性，它不能自氧化形成天然的化学钝化层，因此在GaAs基片上生长介电氧化物薄膜过程中，由界面反应或扩散会导致很高的界面态密度，这些高密度的界面态或使费米能级钉扎在带隙中央或导致铁电材料中电荷直接注入半导体内造成大的漏电流，严重阻碍了GaAs相关器件技术的发展。同时，这些界面态大大增强了表面复合中心的非辐射复合速率，并严重限制了少子器件的运行。

目前常用的介质氧化物(如STO)与GaAs半导体集成的生长方式包括：热氧化、阳极氧化、溶液氧化、等离子氧化及分子束外延等方法。但由于这些方法制备的氧化物都不能得到理想的化学计量比，阳极氧化和溶液氧化还会造成基底结构的破坏，而且与微电子工艺不相兼容，所以至今无法满足实际应用。2001-2004年间，日本普度大学Ye等人利用原子层淀积技术在GaAs基片上制备介质氧化物Al₂O₃取得的巨大突破。Al₂O₃/GaAs的界面态可以控制在5x10¹¹/cm²eV左右。同时，飞思卡尔公司(Freescale)的Liang等人用装备金属Ti(钛)、Sr(锶)源的MBE(分子束外延，Molecular Beam Epitaxy)晶体生长技术成功外延了氧化物介质SrTiO₃，但是这种方法十分复杂，需要独立的贵金属源，且生长温度较高，虽然能得到外延生长的STO，但是界面扩散破坏了GaAs应有的半导体特性。

由此可见，在GaAs上生长高质量的功能氧化物STO一直是半导体业极大的挑战和研究热点。在GaAs基片上的外延生长这类氧化物，包括GaAs表面保护、界面层的控制，界面态降低具有重要的研究意义和应用价值。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有的在砷化镓基片上外延生长钛酸锶薄膜的技术的不足，提出了一种在砷化镓基片上外延生长钛酸锶薄膜的方法。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：一种在砷化镓基片上外延生长钛酸锶薄膜的方法，包括如下步骤：

步骤1：对GaAs基片做表面处理形成原子级平整的Ga原子为终结面的清洁表面；

步骤2：将步骤1处理后的GaAs基片和STO靶材送入并固定在激光分子束外延设备的真空腔体中；

步骤3：对步骤2中固定好的GaAs基片加热到550℃-600℃之间；

步骤4：用激光束蒸发步骤2中固定好的STO靶材，使STO在GaAs基片上沉积，沉积过程中用反射高能电子衍射监测薄膜生长过程，当衍射花样出现典型STO的衍射条纹可得到STO外延薄膜。

本发明的有益效果：由于本方法中将GaAs基片做表面处理形成原子级平整的Ga原子为终结面的清洁表面，采用合适的生长温度，结合高能电子衍射实时监控STO薄膜生长特征衍射，克服了在GaAs基片二元化合物上生长介电氧化物薄膜的困难。采用本发明方法制备得到的STO介质薄膜为c方向(晶体长轴方向向上)外延生长，具有很高的热力学稳定性和均匀性，均匀分布的三个原胞厚(约为1nm)的STO能阻止界面的扩散，且薄膜表面平整，在结构上能满足存储器、光学器件的制作要求。

附图说明

图1是用于本发明的激光分子束外延设备的结构示意图。

图2是本发明的GaAs基片经过步骤1处理后的表面局部区域AFM表面形貌图。

图3是本发明的STO薄膜在步骤4的过程中在GaAs基片上生长初期的反射高能电子衍射花样图。

图4是本发明经过步骤4生长成STO薄膜/GaAs基片结构的X射线衍射图。