GaAs表面钝化技术概述.pdf

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1、GaAs表面钝化技术概述刘玉岭袁育杰(河北工业大学徽电子研究所。天津300130)摘要：综述了各种GaAs表面处理技术尤其是硫钝化技术的发展、现状以及趋势．引言砷化镓(GaAs)具有直接能隙、高的电子和空穴迁移率以及高饱和漂移速度等优越性，是一种非常重要的高速和发光半导体器件材料。但GaAs表面非常容易氧化，形成很高的表面和界面态密度，从而引起费米能级钉扎和高表面复合速度，影响了GaAs器件的性能和稳定性。为了解决这个问题，很多研究者对GaAs表面采用各种化学钝化方法，消除其表面氧化层，降低表面态密度

2、，提高GaAs材料的电学和光学性能。钝化是GaAsMESFET研究领域一个广泛关注的问题，导致国产GaAsMESFET栅漏击穿电压低的一个重要因素是钝化技术不过关。钝化涉及半导体物理学、化学等基础理论和半导体工艺技术。GaAs材料简介III—V族化合物半导体材料砷化镓(GaAs)，一种重要的化合物半导体材料，它是镓和砷在高温和一定的砷蒸气压下人工合成的晶体。GaAs是一种直接带隙半导体材料，砷化镓的特殊结构使其具备吸引人的优良特性：它具有电子、空穴迁移率高(是硅的5～6倍)、禁带宽度大(它为1．43e

3、V，Si为1．1eV)、高饱和漂移速度、本征载流子浓度低、光电特性好、以及具有耐热、抗辐射性能好和对磁场敏感等优良特性。根据量子力学原理，电子的有效质量越小，它的运动速度就越快。砷化镓中电子的有效质量是自由电子质量的1／5，只有硅电子的1／3。因此，用GaAs制成的晶体管开关速度比硅晶体管快1～4倍，用它可以制造出速度更快，功能更强的计算机，还可以制备高工作频率的微波器件。在卫星数据传输，通信，军用电子等方面具有关键性的作用。另外，以砷化镓为代表的Ⅲ一V族半导体的最大特点是其光电特性，它的光发射效率比

4、其他半导体材料高，所以，它还广泛应用于光通信，光计算机和空间技术等领域。但这种材料固有的高表面态密度和高表面复合速率却又使它的上述优点得不到充分利用。因此，为了提高器件的功能，提出了多种表面处理的方法。GaAs表面钝化的概念半导体清洁表面的制备，在半导体工艺中是极其重要的，半导体表面上的杂质和缺陷所导致的表面态，是造成半导体器件性能降低的主要因素之～，尤其是III—V族化合物半导体，由于表面本征缺陷和在空气中被氧化导致很高的表面态密度，使得费米能级钉扎在带隙之间，影响了III—V族化合物半导体器件的性

5、能和稳定性，特别是导致GaAs器件的电学和光学性质的不稳定。所以，要解决这一问题，最有效的方法是采用表面钝化来改善器件的表面特性。所谓GaAs表面钝化，即采用某种工艺除去GaAs表面自然氧化层，在其表面形成一层稳定的致密的薄膜，以有效地抑制其表面寄生效应，进一步来说由于表面态可以视为因表面处晶格失配形成不饱和的悬挂键或者由于其它晶格缺陷或吸附原子等原因而在禁带中引入的电子能级。所以表面钝化就是要首先除去GaAs表面自然氧化层，然后在其表面引入某种元素成分(如s、Se等Ⅵ族元素、与As或Ga原子在表面形

6、成某种牢固的共价键，将表面态能级由禁带转移到导带或价带中，从而改善其表面特性。GaAs表面钝化技术研究进展·自然的GaAs表面由于表面带本征缺陷和在空气中被氧化导致很高的表面态密度，使得费米能级钉扎在带隙中央附近，影响了半导体器件的性能和稳定性。人们提出多种改善GaAs表面的方法来提高器件的性能。许多实验应用金属蚀刻和终端加热的方法来清洁GaAs表面。但是引起了表面附近的晶格缺陷【I】．人们应用去离子水对表面清洗后，有效地去除了砷、镓表面的氧化物，避免了对晶格的损坏，但是并不能形成钝化膜来对新表面进行

7、保护【2】。后来人们用紫外线超声／臭氧进行处理，处理后发现，它与其他化学处理方法相比，有两大优势：(a)避免砷、镓氧化物优先氧化以及砷氧化物分解的问题。(b)表面碳氢化合物被清除的同时形成一层氧保护层【3】，而且对丁GaAs表面，经臭氧处理后，能有效地生成一层适用于MBE(分子束外延)生长的氧化物。目前，对于GaAs表面处理采用最多的是钝化技术，即在表面生成一层钝化膜。对于钝化膜有两个基本的要求：一是电子特性的钝化，即在钝化膜和半导体界面处不存在界面态，并且在界面处有足够的势垒，以阻止在器件工作时载流

8、子进入钝化层：二是化学钝化，是指钝化膜能够保护界面，使它在器件工作寿命内不会因温度和环境的影响而退化。钝化工艺是GaAsMESFET(金属半导体场效应晶体管)制造技术中的关键：i：艺。研究表明，GaAs表面对器件的源漏击穿电压有重要影响【4】。近年来，人们研究了许多针对GaAs表面的钝化方法，其中用的最多的是硫钝化技术。1987年，Sandroff等人首先提出了GaAs表面的硫钝化方法。他们利用Nazs·9Hz0溶液来处理GaAs异质结双极性晶体管(HB