一種砷化鎵表面形貌控制方法與流程

2023-06-05 09:26:26 3

本發明涉及一種砷化鎵表面形貌控制方法，屬於半導體集成技術領域。

背景技術：

砷化鎵(GaAs)具有良好的半導體性質，對固體物理和固體電子學的發展有重要作用。另外砷化鎵還具備多方面的特殊性質，在航空航天測控、核物理探測、光纖通訊、光電探測、太陽能電池、化學催化劑、生物醫學等領域也有廣泛而重要的應用，是一種重要的戰略資源。

隨著環境汙染和資源枯竭問題的日益突出，為了實現經濟的可持續發展，太陽能作為取之不盡用之不竭的可再生資源，也是可直接利用的清潔能源之一，逐漸發展為備受矚目的產業。目前中國太陽能光伏產業以倍增速度快速發展，然而與發達國家相比我國太陽能應用市場發展明顯滯後，其中太陽能電池(solar cell)的成本是制約光伏產業發展的主要原因。因此進一步降低製造成本是太陽能電池得以大規模應用的關鍵，而提高太陽能電池轉換效率是降低成本的有效途徑之一。除了尋找新型材料、研究新的製備工藝之外，提高太陽能電池轉換效率的關鍵包括減小表面反射、提高電池受光表面積和提高太陽輻射能密度。

傳統太陽能電池主要利用擇優腐蝕原理來形成表面結構以達到降低表面反射率進而提高轉換效率的目的，可能存在的問題是：襯底片表面處理過程複雜藥劑消耗多，表面沾汙嚴重，表面結構的一致性和均勻性差。因此，實現砷化鎵(GaAs)表面形貌結構低成本高效益簡單易行的控制變得非常重要。

技術實現要素：

(一)要解決的技術問題

有鑑於此，本發明的目的在於通過控制氧氣(O2)分壓和反應溫度，使砷化鎵(GaAs)與氧氣(O2)反應生成易揮發的三氧化二砷(As2O3)與一氧化二鎵(Ga2O)，利用氧分子和砷化鎵反應速率的各向異性，提供一種砷化鎵(GaAs)表面形貌控制方法，以期解決前述現有技術中存在的至少部分技術問題。

(二)技術方案

為了實現上述目的，本發明提供一種砷化鎵表面形貌控制方法，其包括如下步驟：

步驟1：將待刻蝕表面形貌的砷化鎵樣品置於真空室中，然後向真空室內充入氧分壓氣體；

步驟2：調節氧分壓，根據氧分壓將真空室升溫至對應溫度，使砷化鎵與氧分子在高溫低壓工作區域結合生成氣態的三氧化二砷與一氧化二鎵，控制反應時間實現砷化鎵表面的形貌控制。

優選地，步驟1中，所述砷化鎵樣品為單晶砷化鎵襯底結構或者是在其他絕緣體上形成的砷化鎵表面結構。所述砷化鎵樣品的形狀為砷化鎵平面、砷化鎵納米線或者砷化鎵納米帶。

優選地，步驟1中，所述氧分壓氣體為純氧氣或者氧氣和其它性質穩定氣體的混和氣體。所述其它性質穩定氣體是指化學性質穩定，在700℃以下不會和砷化鎵或者氧氣發生化學反應的氣體，優選氮氣、氬氣、氦氣、氖氣或者上述氣體的混合氣體。

優選地，步驟1中，所述真空室的原始氧氣分壓小於10-4Pa。

步驟2中，反應過程中氧氣分壓控制在0.1Pa-105Pa之間，可以根據刻蝕速率的要求調節氧氣分壓。刻蝕速率由氧氣分壓和反應溫度以及砷化鎵材料的晶態和取向決定。刻蝕速率隨溫度的升高而增加，刻蝕速率隨氧氣分壓的升高而增加。從晶態和取向上講，刻蝕速率的關係為：單晶(110)>單晶(100)>單晶(111)。對於不同的砷化鎵材料，通過改變反應溫度、氧氣分壓，可以實現不同的刻蝕速率。

優選地，步驟2中，所述高溫低壓工作區域通過下述方法確定：在真空室中，氧氣分壓控制在0.1Pa-105Pa，反應溫度控制在300℃-700℃，在反應溫度和氧氣分壓為橫縱坐標的二維圖裡，連接(520℃，0.1Pa)和(680℃，105Pa)兩點將二維坐標圖分成兩個半區，高溫且低壓的半區即為所述的高溫低壓工作區域。

(三)有益效果

本發明的技術方案取得了下述有益效果：

1、本發明所提供的砷化鎵(GaAs)表面形貌控制技術，工藝非常簡單，只需要調節氧氣分壓和反應溫度就可以實現砷化鎵表面形貌控制的效果；

2、更加環保，反應過程只生成可揮發性三氧化二砷與一氧化二鎵，不會引入化學汙染；

3、成本低廉，不需要使用大規模的刻蝕機器；

4、根據刻蝕速率隨氧氣分壓和反應溫度的關係，可以實現砷化鎵材料表面形貌結構的精確控制，具有重要意義。

附圖說明

圖1為本發明實施例的製備工藝流程圖；

圖2為本發明實施例的結構示意圖；

圖3為本發明實施例的結構示意圖；

圖4為砷化鎵表面形貌深度與反應時間關係的示意圖；

圖5為砷化鎵與氧氣反應的熱力學平衡關係圖。

具體實施方式

為使本發明的目的、內容和優點更加清楚，下面結合附圖和實施例，對本發明的具體實施方式作進一步的詳細描述。以下實施例僅用於更加清楚地說明本發明的技術方案，而不能以此來限制本發明的保護範圍。

實施例1

本實施例具體描述本發明所提供的一種砷化鎵表面形貌控制方法。請參考圖1，其顯示本實施例中砷化鎵襯底表面形貌結構的製備工藝流程圖。本實施例中的砷化鎵表面形貌控制方法，包括如下步驟：

步驟1：開始

步驟2：如圖2所示，將單晶砷化鎵襯底結構置於真空室101中，初始真空度為10-5Pa；單晶砷化鎵層102厚度為500微米。

步驟3：如圖2所示，對真空室101中充入氮氣和氧氣的混合氣體，調節氧氣分壓為10Pa。

步驟4：調節真空室反應溫度，原位對該襯底結構升溫至650℃，保持加熱狀態。

步驟5：如圖3所示，加熱使砷化鎵襯底形成四角錐立體結構103，控制真空室內反應時間，可以控制砷化鎵襯底形貌結構深度。

步驟6：結束。

其中，所述步驟1提供了單晶砷化鎵襯底結構，應該說明的是其他絕緣體上形成的砷化鎵表面結構也是可行的。

圖4為砷化鎵表面形貌深度與反應時間關係的示意圖，圖示了砷化鎵表面形貌深度與反應時間的基本關係，砷化鎵襯底的初始不平整致形貌深度為0.3nm，在反應時間的前期，形貌深度隨著反應時間增加急劇變化，而經過充分反應時間後，砷化鎵表面形貌結構深度隨時間變化緩慢。典型工作點，是在適當氧氣分壓和反應溫度下，經過半小時反應時間，砷化鎵表面的形貌深度達到了3μm。

圖5為砷化鎵與氧氣反應的熱力學平衡關係圖，圖示了砷化鎵氧化反應產物與反應溫度的基本關係，通過圖5的反應平衡常數的計算可以推斷出砷化鎵氧化生成三氧化二砷與一氧化二鎵壓強與初始氧分壓之間的關係。

上述實施例說明，本發明所提供的砷化鎵(GaAs)表面形貌控制技術，工藝非常簡單，只需要調節氧氣分壓和反應溫度就可以實現砷化鎵表面形貌控制的效果；由於反應過程只生成可揮發性三氧化二砷與一氧化二鎵，不會引入化學汙染，因此更加環保，同時因為不需要使用大規模的刻蝕機器而使成本更為低廉。本發明的方法根據刻蝕速率隨氧氣分壓和反應溫度的關係，可以實現砷化鎵材料表面形貌結構的精確控制，具有重要意義。

以上所述的具體實施例，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而已， 並不用於限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。