台阶仪应用 | 半导体GaAs/Si异质外延层表面粗糙度优化

在半导体行业中，硅基光电子技术是实现光互联、突破集成电路电互联瓶颈的关键，而在硅si衬底上外延生长高质量GaAs 薄膜是硅基光源单片集成的核心。台阶仪作为重要的表征工具，在GaAs/Si 异质外延研究中，通过对样品表面粗糙度的测试，为优化生长工艺、提升薄膜质量提供了关键数据支撑，对探究外延片生长规律具有重要意义。

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实验方法

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本研究中使用台阶仪通过接触式测量，探针沿样品表面滑行，将表面起伏转化为电信号，经处理得到平均粗糙度（Ra）和均方根粗糙度（Rq）。

样品制备：采用金属有机物化学气相沉积（MOCVD）技术生长GaAs/Si外延片，通过两步生长法、三步生长法结合循环热退火等工艺调控生长参数。测试前，Si 衬底经 HF 溶液浸泡、去离子水清洗等预处理。

外延片实物

测试流程：将样品放置在台阶仪上，完成水平和垂直方向定位，使探针对准待测区域，随后进行扫描测试。误差控制上，与 AFM 等其他仪器测试结果对比，误差控制通过 3 次重复扫描，粗糙度误差 < ±0.3 nm。

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高温外延片温度优化

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不同高温层生长温度下 GaAs/Si 外延片的表面粗糙度

由台阶仪测试数据可知，在 600-650℃范围内，随着高温层生长温度降低，样品表面粗糙度逐渐减小。600℃时粗糙度为 11.0 nm，虽为该范围内最低，但样品表面仍呈雾状。这是因为温度降低虽减少表面起伏，但可能增加杂质含量，需平衡温度与晶体质量。

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低温成核层温度优化

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不同低温层生长温度下 GaAs/Si 外延片的表面粗糙度

高温层生长温度为 600 ℃，两步生长结构除低温成核层生长温度外的其他生长参数与之前保持一致。利用台阶仪对生长温度为390-430 ℃的低温成核层进行表面粗糙度的表征。结果显示：随着低温成核层生长温度的降低，台阶仪测得的表面粗糙度由 11.0 nm 降低到 7.6 nm，表面逐渐变得光亮表明生长质量得到改善。

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低温成核层厚度优化

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样品的表面均方根粗糙度(Rq)与算数平均粗糙度(Ra)与 GaAs低温成核层生长时间的关系

低温成核层的厚度在调控 GaAs 薄膜的晶体完美度方面起着重要作用。通过台阶仪追踪不同生长时间（0–122 min）的粗糙度变化：随着生长时间的增加，样品的表面粗糙度先减小后增大。62 min 时表面粗糙度较优，此时 GaAs 岛屿合并更均匀，表面更平整。这表明合适的低温成核层生长条件可通过减少表面起伏提升外延片质量。

台阶仪在 GaAs/Si 异质外延研究中，通过对不同生长条件下样品表面粗糙度的测试，为优化高温层和低温成核层生长参数提供了定量依据，其测试结果表明，600℃高温层生长温度、390℃低温成核层生长温度及62 min生长时间等条件，有助于降低表面粗糙度。台阶仪的表征数据支撑了生长工艺优化的有效性，对获得高质量 GaAs/Si外延片具有重要意义。

Flexfilm探针式台阶仪

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在半导体、光伏、LED、MEMS器件、材料等领域，表面台阶高度、膜厚的准确测量具有十分重要的价值，尤其是台阶高度是一个重要的参数，对各种薄膜台阶参数的精确、快速测定和控制，是保证材料质量、提高生产效率的重要手段。

• 配备500W像素高分辨率彩色摄像机
• 亚埃级分辨率，台阶高度重复性1nm
• 360°旋转θ平台结合Z轴升降平台
• 超微力恒力传感器保证无接触损伤精准测量

Flexfilm探针式台阶仪的

亚埃级分辨率和1nm重复性可以准确追踪测量 GaAs/Si 异质外延全过程表面粗糙度变化，为半导体行业硅基光电子技术研究提供了快速质检依据。

原文参考：《InGaAs/GaAsP 超晶格在 GaAs/Si 异质外延中作用研究》

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