[发明专利]一种硅基Ⅲ-V族砷化镓半导体材料制备方法和系统

摘要

本发明提供一种硅基III‑V族砷化镓半导体材料制备方法和系统，包括：在清洁的单晶硅衬底表面制备二氧化硅膜；在所述二氧化硅膜上，采用纳米压印技术得到二氧化硅纳米图形层，所述二氧化硅纳米图形层包括裸露单晶硅衬底表面的生长窗口区，以及二氧化硅图形区，生长窗口区和二氧化硅图形区交错分布；在所述生长窗口区上，沉积接近或等于所述二氧化硅图形区的台面高度的砷化镓缓冲层；在所述砷化镓缓冲层和所述二氧化硅图形区上外延生长III‑V族半导体材料。本发明采用纳米压印的技术制作二氧化硅纳米图形层，作为半导体材料生长的图形衬底，打破了之前的材料尺寸限制问题，更加有利于工业化的材料生长制备，有效地降低了材料制作成本，具有广泛的应用前景。

主权项

1.一种硅基Ⅲ‑Ⅴ族砷化镓半导体材料制备方法，其特征在于，包括：在清洁的单晶硅衬底表面制备二氧化硅膜；在所述二氧化硅膜上，采用纳米压印技术得到二氧化硅纳米图形层，所述二氧化硅纳米图形层包括裸露单晶硅衬底表面的生长窗口区，以及二氧化硅图形区，生长窗口区和二氧化硅图形区交错分布；在所述生长窗口区上，沉积接近或等于所述二氧化硅图形区的台面高度的砷化镓缓冲层；在所述砷化镓缓冲层和所述二氧化硅图形区上外延生长Ⅲ‑Ⅴ族半导体材料；利用纳米压印技术得到二氧化硅纳米图形层的方法为：利用电子束光刻制作具有纳米尺寸周期图形的纳米压印模板，将纳米压印光刻胶旋涂于二氧化硅膜表面，厚度为200nm，在140℃温度下烘烤2分钟；再把模板置于涂有光刻胶的二氧化硅膜表面，在温度为130℃、压强为3MPa下保持2分钟，然后减小压力并降温至50℃脱模；接着，采用反应离子刻蚀方法去除凹下去部分的底胶，完成纳米图形向光刻胶的转移；之后，以光刻胶为掩膜，采用干法刻蚀技术去除无掩膜区域的二氧化硅膜，形成生长窗口区，完成纳米图形向二氧化硅膜的转移；所述在所述生长窗口区上沉积砷化镓缓冲层包括：利用金属有机化合物化学气相沉积技术生长非故意掺杂的砷化镓材料：首先将衬底升温到220℃，在氢气氛围烘烤30分钟；然后升温到750℃，在氢气和砷烷混合气体氛围烘烤15分钟；再降温到400～420℃，生长一层厚度为18nm的砷化镓成核层，源流量为：三甲基镓2.7×10‑5mol/min、砷烷6.5×10‑3mol/min、输入Ⅴ/Ⅲ比240；10分钟后升温到650～680℃，生长300～400nm厚的砷化镓缓冲层，源流量为：三甲基镓4.0×10‑5mol/min、砷烷4.0×10‑3mol/min、输入Ⅴ/Ⅲ比100；最后，在氢气和砷烷混合气体氛围进行350到750℃之间的原位热循环退火，循环退火次数为三次；所述在所述砷化镓缓冲层和所述二氧化硅图形区上外延生长Ⅲ‑Ⅴ族半导体材料包括：利用金属有机化合物化学气相沉积技术，在420～750℃温度范围内，在所述砷化镓缓冲层和所述二氧化硅图形区上外延生长Ⅲ‑Ⅴ族半导体材料，生长厚度为1000‑2000nm，反应室压力为50～100Torr；当所述Ⅲ‑Ⅴ族半导体材料为非故意掺杂的砷化镓时，外延生长的载气为高纯氢气，Ⅲ族有机源为三甲基镓，Ⅴ族源为99.999％高纯砷烷，源流量分别为：三甲基镓流量4.0×10‑5mol/min、砷烷流量4.0×10‑3mol/min、输入Ⅴ/Ⅲ比为100。