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引言
本文研究了簡(jiǎn)單的化學(xué)清洗技術(shù)，易于在制造環(huán)境中使用，并使氮化鎵表面無損傷。?描述了使用同步加速器輻射~SR，研究氮化鎵的電子結(jié)構(gòu)，經(jīng)過濕式化學(xué)清洗序列后再加熱的表面，通過使用在200-1000eV范圍內(nèi)的SR，我們監(jiān)測(cè)了Ga、N、O和C的核心水平，表明在硫酸/過氧化氫處理后，一種弱結(jié)合的碳氧化物被化學(xué)吸附到氮化鎵表面，并通過加熱去除。
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實(shí)驗(yàn)
利用同步輻射對(duì)電子結(jié)構(gòu)的近表面探測(cè)，來確定一個(gè)簡(jiǎn)單而有效的清潔處方，以去除氮化鎵表面的碳和氧，利用光子能量范圍為200~1000eV的單色同步加速器輻射進(jìn)行光電發(fā)射電子能譜分析。用半球形能量分析儀對(duì)發(fā)射的光電子進(jìn)行分析，其能量分辨率約為0.2eV。所有已知感興趣的元素的核心水平強(qiáng)度~Ga、N、C和O！在探測(cè)氮化鎵表面的最后幾個(gè)單分子層時(shí)進(jìn)行了測(cè)量。這種表面靈敏度是所使用的光子能量的短逃逸深度的直接結(jié)果，我們估計(jì)為一個(gè)或兩個(gè)晶格單元單元。
研究了清洗過程的化學(xué)性質(zhì)、退火環(huán)境和退火過程的溫度。纖鋅巖氮化鎵~0001，薄膜為p型~Mg摻雜53 1017 cm2 3 -1 3 1018 cm2 3，0.1mm厚，分子束外延生長在c軸藍(lán)寶石基底上的AlN緩沖層上。通過優(yōu)化III-V清洗中傳統(tǒng)的硫酸化學(xué)方法，發(fā)現(xiàn)了清洗化學(xué)性質(zhì)。濕化學(xué)處理為4：1硫酸~51%，到過氧化氫的~值為30%，氨純度為99.99%的無水金屬氧化物半導(dǎo)體加工級(jí)氣體。最后，考慮了熱退火的溫度，以找到一個(gè)良好的溫度窗口，估計(jì)為900°C。
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結(jié)果與討論
使用4：1的硫酸到過氧化氫溶液中去除碳和氧：兩個(gè)氮化鎵樣品用4：1的硫酸到過氧化氫溶液清洗10分鐘，一個(gè)樣品在真空~中退火，底部有兩行，另一個(gè)在氨~前兩排，在590、636、700和740°C的溫度下，持續(xù)10min。經(jīng)過化學(xué)處理后的碳、氧覆蓋率約為1.0 6 0.5 單層~。根據(jù)測(cè)量的碳1s和氧1s的光發(fā)射強(qiáng)度與鎵3d的比例，計(jì)算出覆蓋率。氧覆蓋率低于單層表明，與普拉布卡蘭相比，氮化鎵沒有整體氧化。認(rèn)為這種整體氧化物的缺乏生長限制了半導(dǎo)體行業(yè)中用于清潔氮化鎵表面的典型酸和堿的有效性，這是因?yàn)闉榱舜蚱频夋I來釋放鎵原子來生長整體氧化物。Ga到N鍵的鍵能為8.9eV/原子，8使得氮化鎵在濕化學(xué)處理中難以氧化或蝕刻。
經(jīng)過4：1硫酸到過氧化氫處理，然后700°C真空退火，似乎有一種較弱的碳形式結(jié)合在氮化鎵表面，在我們的光電實(shí)驗(yàn)~1%的單層，在本實(shí)驗(yàn)中，氨的退火并不比一個(gè)簡(jiǎn)單的真空退火去除碳更有效。條件下，氧氣被還原到單層的8%。在氨通量下，氧覆蓋在退火過程中波動(dòng)，并保持高達(dá)單層的40%。這可能是氨作為回收氧氣的載體氣的結(jié)果。
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碳化學(xué)狀態(tài)
4：1的硫酸到過氧化氫溶液具有豐富的c1s結(jié)構(gòu)，表明碳有幾種不同的化學(xué)狀態(tài)。在我們的尺度上，碳的氧化物在化學(xué)上向更高的結(jié)合能~較低的動(dòng)能移動(dòng)，關(guān)于碳?xì)浠衔锏奶卣?。此外，各種成分的化學(xué)分配可以通過報(bào)告的溫度編程解吸~TPD來驗(yàn)證，因?yàn)槲覀冇谢パa(bǔ)的退火研究。安巴赫10的峰值解吸溫度從375°C到800°C6 100°，具有顯著的CHx分壓。因此，在氮化鎵表面的趨勢(shì)似乎是碳的氧化物比碳?xì)浠衔锔讚]發(fā)。
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圖1
在圖中1空氣暴露碳特征主要是碳?xì)浠衔锓N類，4：1硫酸到過氧化氫清潔~中間曲線，在我們的動(dòng)能尺度上，碳信號(hào)被四個(gè)以48.1、50.9、51.9和52.5eV為中心的四個(gè)單獨(dú)的高斯分量擬合。碳酸鹽的最低動(dòng)能峰為碳酸鹽種，50.9eV峰為二氧化碳特征，5 1.9eV為一氧化碳，52.5eV峰為碳?xì)浞?CHx其中x5 1,2,3，經(jīng)過700°C退火后，C1s信號(hào)降低到接近背景~底曲線，在真空中進(jìn)行700°C退火后的碳覆蓋率估計(jì)在單層的1%以內(nèi)。c1s信號(hào)的減少是hy轉(zhuǎn)換的結(jié)果。?
將碳變成4：1硫酸到過氧化氫溶液中的碳氧化物，這一假設(shè)的直接證據(jù)如圖所示1，其中，碳氧化物的擬合強(qiáng)度占化學(xué)清潔后表面開始碳含量的70%。碳氧化物的波動(dòng)性使我們能夠降低碳表面的碳濃度。這種在單層覆蓋水平上的替代化學(xué)反應(yīng)使我們可以用4：1的硫酸清潔成過氧化氫，即使不能生長出大量的氧化物來獲取碳。我們的結(jié)論是，4：1的硫酸到過氧化氫溶液，然后是700的°C退火，可以有效地清洗氮化鎵表面，留下幾個(gè)百分之一的單層C和O。
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圖2
? ? ? 在圖中進(jìn)行化學(xué)清洗后，與大塊氮化鎵峰相比，Ga3d峰向較低的動(dòng)力學(xué)移動(dòng)了0.8eV，這是由于鎵的氧化物。在圖中2 ，一個(gè)較低的動(dòng)力學(xué)特征也會(huì)發(fā)展，并可能表明氧在氮?dú)馕稽c(diǎn)上的化學(xué)吸附，經(jīng)過700°C退火~底曲線！Ga3d和N1s曲線下的面積顯示了一個(gè)化學(xué)計(jì)量學(xué)的氮化鎵表面，其中晶體在外單元格中的強(qiáng)度有接近1：1的Ga與N的比。
? ? ? 綜上所述，利用同步輻射進(jìn)行光發(fā)射電子能譜分析，研究了優(yōu)化硫酸處理后的濕式化學(xué)清洗氮化鎵的有效性。在700°C真空退火時(shí)，4：1的硫酸到過氧化氫溶液可以將碳和氧濃度降低到單層的百分之一。建議的化學(xué)狀態(tài)主要是浸泡在這種積極的清潔化學(xué)中后的揮發(fā)性碳氧化物。最后，退火研究表明，在740°C或以下的溫度下，碳和氧的熱解吸比氨環(huán)境比真空環(huán)境更差。因此，在700°C下的簡(jiǎn)單真空退火足以在4：1的硫酸到過氧化氫處理后清洗氮化鎵。