一種化合物半導體薄膜材料的製備方法

2023-05-09 00:48:46

一種化合物半導體薄膜材料的製備方法
【專利摘要】本發明涉及一種化合物半導體薄膜材料的製備方法，通過本發明中的一步法可以大規模的製備化合物半導體目標薄膜材料，一次製備多片薄膜，且製備周期短，製備效率高，對襯底(基片)材料適應性強，不需要對其襯底(基片)特別處理，製備成本低；採用兩步法製備的化合物半導體薄膜材料純度高、結晶度好；製備工藝中採用密封體系，避免因升華造成原料損失，工藝可控性高；且製備溫度更低，節約能耗。
【專利說明】一種化合物半導體薄膜材料的製備方法

【技術領域】
[0001] 本發明涉及薄膜材料製造領域，特別是涉及一種製備組成為 Gas Ini_sPyASl_y [0彡δ彡1，0 <y<l]的化合物半導體薄膜材料的製備方法。

【背景技術】
[0002] 砷化鎵（GaAs)是一種室溫下禁帶寬度為I. 42eV的人工合成的化合物半導體材 料。GaAs屬閃鋅礦型晶格結構，晶格常數5. 65X10^11，與磷化銦（InP)屬直接躍迀型能帶 結構。砷化鎵呈黑灰色固體，熔點1238°C。它在600°C以下，能在空氣中穩定存在，並且不 為非氧化性的酸侵蝕。
[0003] 砷化鎵是半導體材料中，兼具多方面優點的材料，砷化鎵於1964年進入實質性應 用階段。砷化鎵可以製成電阻率比矽、鍺高出3個數量級以上的半絕緣高阻材料，用來製作 集成電路襯底、紅外探測器、γ光子探測器等。由於其電子迀移率比矽大5?6倍，故在制 作微波器件和高速數字電路方面得到重要應用。用砷化鎵製成的半導體器件具有高頻、高 溫、低溫性能好、噪聲小、抗輻射能力強等優點。此外，還可以用於製作轉移器件-體效應器 件。
[0004] GaAs擁有一些比Si更好的電子特性，使得GaAs可以用在高於250GHz的場合。如 果等效的GaAs和Si元件同時都操作在高頻時，GaAs會產生較少的噪聲。同時因為GaAs擁 有較高的崩潰電壓，所以GaAs比同樣的Si元件更適合操作在高功率的場合。由於這些特 性，GaAs電路可以運用在行動電話、衛星通訊、微波點對點連線、雷達系統等方面。GaAs曾 用來做成甘恩二極體、微波二極體和耿氏二極體）以發射微波。由於GaAs是直接帶隙的半 導體材料，所以可以用來發光。而Si是間接帶隙材料，只能發射非常微弱的光。因此，GaAs 在LED中應用前景廣泛。
[0005] 砷化鎵在當代微電子和光電子產業中發揮著重要的作用，其產品50%應用在軍 事、航天方面，30%用於通信方面，其餘用於網絡設備、計算機和測試儀器方面。由於砷化鎵 優良的高頻特性，它被廣泛用於製造無線通信和光通信器件，半絕緣砷化鎵單晶已經成為 製造大功率微波、毫米波通信器件和集成電路的主要材料。用於光輻射、太陽能電池、紅外 探測器、移動通訊、光纖通訊、有線電視、衛星通信、汽車雷達、紅外LED、高亮度紅、橙、黃色 LED、半導體雷射二極體、軍用夜視儀和航天用高效太陽能電池。
[0006] 根據美國娃谷Strategies公司的預測，2000年全球基於砷化鎵材料的無線通信 器件市場需求為17億美元，其中砷化鎵拋光片與外延片的需求為6億美元，並將於2005年 達到25億美元，年增長率達到30 %。
[0007] 由於砷化鎵可在同一塊晶片上同時處理光電數據，因而被廣泛應用於遙控、手機、 DVD計算機外設、照明等諸多光電子領域。另外，因其電子迀移率比矽高6倍，砷化鎵成為超 高速、超高頻器件和集成電路的必需品。它還被廣泛使用於軍事領域，是雷射制導飛彈的重 要材料。
[0008] GaAs的另一個很重要的應用是高效率的太陽電池。1970年時，Zhores Alferov 和他的團隊在蘇聯做出第一個GaAs異質結構的太陽電池。用GaAs、Ge和InGaP三種材 料做成的三介面太陽電池，有32%以上的效率，且可以操作在2, OOOsuns下的光。這種太 陽電池曾運用在探測火星表面的機器人：精神號漫遊者（spirit rover)和機會號漫遊者 (opportunity rover)上。而且很多太陽電池都是用GaAs來做的電池陣列。
[0009] 磷化鎵（GaP)也是一種人工合成的III-V族化合物型半導體材料，高純GaP是一 種橙紅色透明晶體。磷化鎵（GaP)單晶材料的熔點為1467°C。磷化鎵（GaP)的晶體仍為閃 鋅礦型結構，晶格常數為0. 5447 ±0. 006nm，其化學鍵是以共價鍵為主的混合鍵，其離子鍵 成分約為20%，300K時能隙（Eg)為2. 26eV，屬間接躍迀型半導體。磷化鎵（GaP)與其他大 帶隙III-V族化合物半導體相同，可以通過引入深中心使費米能級接近帶隙中部，如摻入 鉻、鐵、氧等雜質元素可成為半絕緣材料。磷化鎵（GaP)分為單晶材料和外延材料。工業生 產的襯底單晶均為摻入硫、矽雜質的N型半導體。
[0010] GaP單晶早期通過液相法在常壓下製備。後採用液體覆蓋直拉法製備。現代半 導體工業生產的磷化鎵（GaP)單晶都是在高壓合成爐中，採用定向凝固工藝合成磷化鎵多 晶，進行適當處理後裝入高壓單晶爐進行單晶拉制。磷化鎵外延材料是在磷化鎵單晶襯底 上通過液相外延或氣相外延加擴散生長的方法製得。GaP多用於製造發光二極體（LED)。 液相外延材料可製造紅色光、黃綠色光、純綠色光的發光二極體，氣相外延加擴散生長的材 料，可製造黃色光、黃綠色光的發光二極體。
[0011] 磷化銦（InP)仍是由III A族元素 In和V A族元素 P化合而成的半導體材料。磷 化銦室溫下的禁帶寬度為1.35eV，與GaP-樣同屬直接躍迀型能帶結構。磷化銦（InP)為 具有瀝青光澤的深灰色晶體，熔點1070°C，仍屬於閃鋅礦結構。
[0012] 磷化銦（InP)在熔點下的離解壓為2. 75MPa。極微溶於無機酸。介電常數10. 8。 電子迀移率4600cm2/(V · s)。空穴迀移率150cm2/(V · s)。具有半導體的特性。最早由金 屬銦和赤磷在石英管中加熱反應製得。磷化銦用作半導體材料，可用於光纖通信技術。
[0013] 半導體技術的商業化生產歷史可以看著是一系列工藝技術不斷改進和更新發展 的歷史。第一個商業化電晶體是用鍺（Ge)製造的，但在20世紀60年代早期，矽（Si)器件很 快就在性能和價位上超過了它。矽半導體之所以現在能確立在半導體工業中的統治地位， 部分要歸功於工藝技術的不斷開發，使得矽器件在集成功能性和價位上具有很強的競爭能 力。第三種商業化半導體技術出現於20世紀80年代後期，它來自於化合物材料領域-砷 化鎵（GaAs)，但由於砷化鎵製備的複雜性和難度，人們仍在尋找一種能夠替代砷化鎵的化 合物半導體技術，用於高性能、大批量商業應用中。現在一種新的化合物半導體器件已經開 始出現，這就是磷化銦（InP)及其衍生材料，它們形成半導體材料發展的第四次浪潮。磷化 銦半導體在光纖製造、毫米波甚至在無線應用方面都明顯的顯示出了使人信服的優於砷化 鎵的性能優點。我們相信這些優點將使磷化銦與其他材料拉開差距，從而最終替代矽和砷 化鎵成為化合物半導體技術的最佳選擇。
[0014] 以上幾種化合物半導體薄膜材料，其傳統的製備方法都是採用分子束外延 (molecular beam epitaxy, MBE)或金屬有機氣相夕卜延 metal-organic vapor phase epitaxy，M0VPE)，也稱做金屬有機化學氣相沉積法（metal-organic chemical vapor deposition，M0CVD)。利用水平布裡奇曼（Horizontal Bridgeman，HB)技術和直拉法 (Czochralski法）技術也可以製造出化合物半導體（如GaAs)的單晶。
[0015] 除此之外，III-V族化合物型半導體薄膜材料的製備方法還包括採用昂貴苛刻的 物理方法和複雜昂貴的MOCVD方法，前者採用高純IIIA主族金屬和高純VA主族非金屬反 應得到相應的化合物半導體薄膜，如反應式（1)。物理方法諸如等離子濺射法，分子束外延 法（MBE)，電子束蒸發法（EBE)，脈衝雷射沉積法（PLD)，磁控濺射法（MSD)等。後者採用昂 貴的IIIA主族金屬有機化合物（液態或氣態）如三甲基鎵（或銦）和VA主族的劇毒化合 物（如氣態砷烷AsH 3、膦烷PH3)反應製備得到相應的化合物半導體薄膜，如反應式（2)。它 們的原理和化學反應分別如下：
[0016] M(III)+N(V) - M(III)N(V) (1)
[0017] M(III) (CH3) 3+N (V) H3^ M (111) N (V) +3CH 4 (2)


【發明內容】

[0018] 本發明要解決的一個技術問題是提供可以大規模的製備化合物半導體目標薄膜 材料，一次製備多片薄膜，且製備周期短，對襯底（基片）材料適應性強，不需要對其襯底 (基片）特別處理的半導體薄膜材料的製備方法。
[0019] 為達上述目的，本發明一種化合物半導體薄膜材料的製備方法，其為以下兩步法 A、B、C或D中的任一種：
[0020] A :步驟1 :將Ga2O3與As的氧化物按摩爾比Ga:As = 1:1混合後研磨均勾，加入與 固體原料質量50%?100%的無水乙醇，研磨均勻後常溫下真空乾燥得固體粉末，用10? 15MPa的壓力將其壓成厚度為1?IOmm的片材，密封於真空石英安瓶中，然後將其放置於 反應器剛玉坩堝中，在管式爐中加熱到500°C?600°C，恆溫2?4h後自然冷卻得到反應產 物；
[0021] 步驟2.將真空石英安瓶打碎，放置反應產物於薄膜沉積裝置內反應區，基片放置 於薄膜沉積裝置內沉積區，用高純氮氣抽真空置換到氧氣濃度為ppm級，然後用Ar、H 2混合 氣體抽真空置換2?3次，再抽真空至7?13Pa，控制升溫速度為5?10°C /min，反應區加 熱升溫至l〇〇〇°C?1250°C，沉積區加熱升溫至600°C?800°C，開啟基片旋轉裝置，設定轉 速5轉/分，通入氫氣、作為還原萃取劑，恆溫2?4h，其間保持真空度多-0. 08MPa ;最後自 然降溫至室溫，充入Ar、4混合氣體至常壓，基片表面沉積得GaAs薄膜材料；
[0022] B :將Ga2O3與P2O5按摩爾比Ga:P = 1:1混合後研磨均勾，加入與固體原料質量 50%?100%的無水乙醇，再次研磨均勻後乾燥，用10?15MPa的壓力將其壓成片材，然後 將其密封於真空安瓶中，將安瓶放置於反應器剛玉坩堝中，在管式電爐中加熱到500°C? 600°C，恆溫2?4h，自然冷卻得GaPO 4;
[0023] 步驟2.將真空石英安瓶打碎，放置GaPO4於薄膜沉積裝置內反應區，基片放置於 薄膜沉積裝置內沉積區，用高純氮氣抽真空置換到氧氣濃度為ppm級，然後用Ar+H 2混合氣 體抽真空置換1?2次，然再抽真空至7?13Pa，控制升溫速度為5?10°C /min，反應區加 熱升溫至1200°C?1250°C，沉積區加熱升溫至600°C?800°C，開啟基片旋轉裝置，設定轉 速5轉/分，通入氫氣、作為還原萃取劑，恆溫3?4h，其間保持真空度彡-0. 08Mpa ;然後自 然降溫至室溫，充入高純Ar+Hjg合氣體至常壓，基片表面沉積得GaP薄膜材料；
[0024] C :步驟1.以In2O3，P205為原料，按摩爾比In:P = 1:1?2的比例混合，加入與固 體原料質量50%?100%相當的無水乙醇，研磨均勻後乾燥除去溶劑，用10?15MPa的壓 力將其壓成片材，然後將其密封於真空安瓶中，在管式電爐中加熱至500°C?600°C，恆溫 2?4h，自然冷卻得到InPO4固體材料；
[0025] 步驟2.將真空安瓶打碎，放置InPO4固體材料於薄膜沉積裝置內反應區，基片預 設於薄膜沉積裝置沉積區，用高純氮氣抽真空置換到氧氣濃度為ppm級，再用Ar和4混 合氣體抽真空置換1?2次，然後再抽真空至7?13Pa，控制升溫速度為5?10°C /min， 反應區加熱升溫至1200°C?1250°C，沉積區加熱升溫至600°C?800°C，開啟基片旋轉 裝置，設定轉速5轉/分，通入高純氫氣、作為萃取還原劑，恆溫3?4h，其間保持真空度 彡-0. 08Mpa，最後自然降溫至室溫，即得到InP薄膜材料；
[0026] D :步驟1 :將In2O3與As的氧化物按摩爾比In:As = 1:1混合後研磨均勾，加入與 固體原料質量50%?100%的無水乙醇，研磨均勻後常溫下真空乾燥得固體粉末，用10? 15MPa的壓力將其壓成厚度為1?IOmm的片材，密封於真空石英安瓶中，然後將其放置於反 應器剛玉坩堝中，在管式爐中加熱到500°C?600°C，恆溫2?4h後，自然冷卻得到反應產 物；
[0027] 步驟2.將真空石英安瓶打碎，放置反應產物於薄膜沉積裝置內反應區，基片放置 於薄膜沉積裝置內沉積區，用高純氮氣抽真空置換到氧氣濃度為ppm級，然後用Ar、H 2混合 氣體抽真空置換2?3次，再抽真空至7?13Pa，控制升溫速度為5?10°C /min，反應區加 熱升溫至l〇〇〇°C?1250°C，沉積區加熱升溫至600°C?800°C，開啟基片旋轉裝置，設定轉 速5轉/分，通入氫氣、作為還原萃取劑，恆溫2?4h，其間保持真空度多-0. 08MPa ;最後自 然降溫至室溫，充入Ar、4混合氣體至常壓，基片表面沉積得InAs薄膜材料。
[0028] 優選的，所述As的氧化物為As2O3或As 205，相應反應產物為GaAsO^ GaAsO 4。
[0029] 優選的，所述片材厚度為1?l〇mm。
[0030] 優選的，所述Ar、H2混合氣體中H 2體積佔混合氣體總體積的10%?30%。
[0031] 優選的，步驟2中所述還原萃取劑採用氫-氬混合氣、活性炭或碳氫化合物。
[0032] 優選的，當採用活性炭作為還原萃取劑時，應將固態活性炭放置於薄膜沉積裝置 反應區。
[0033] 本發明的兩步法的原理和化學反應如反應式（3)、（4)、（5)、（6)、（7)、（8):
[0034] M(III)2〇3+N(III)203- 2M(III)N(III) 0 3 (3)
[0035] M(III) 203+N(V) 205- 2M(III) N(V) 0 4 (4)
[0036] 2M(III)N(III)03+6H2- 2M(III)N(V) +6H20 t (5)
[0037] 2M(III)N(V)04+8H2-2M(III)N(V)+8H 20 丨 （6)
[0038] 2M(III)N(V)04+4C - 2M(III)N(V)+4C0 丨 （7)
[0039] 2M(III)N(V)04+2C - 2M(III)N(V)+2C02 丨 （8)
[0040] 通過改變萃取抽提劑的種類和比例量，產物中既可以生成CO排出，也可以生成CO2 排出。
[0041] 本發明的兩步法使用的原料簡單，價廉易得，均為固體或無毒氣體，對環境無汙 染，對操作人員無安全威脅；製備設備簡單，製備周期短，對襯底（基片）材料適應性強，制 備成本較低，可實現較大規模的化合物半導體薄膜材料製備。
[0042] 本發明製備得化合物半導體薄膜材料純度高、結晶度好；製備工藝中採用密封體 系，避免因升華造成原料損失，可按化學計量比生成1(111)叭￥)〇 4或211(1110(111)〇3;工 藝可控性高；且製備溫度更低，節約能耗。
[0043] 本發明要解決的另一個技術問題是提供製備得化合物半導體薄膜材料純度高、結 晶度好；製備工藝中採用密封體系，避免因升華造成原料損失，工藝可控性高；且製備溫度 更低，節約能耗的半導體薄膜材料的製備方法。
[0044] 為達以上目的，本發明一種化合物半導體薄膜材料的製備方法，其特徵在於其採 用以下一步法E、F、G或H中的任一種：
[0045] E :以 Ga2O3,As2O3以及活性炭 C為原料，按摩爾比Ga : As : C = I. 0 : 1. 2 : 6. 0 的比例均勻混合研磨，加入與固體原料質量50%?100%相當的無水乙醇，研磨均勻後，用 10?15MPa的壓力將其壓成厚度為1?IOmm的片材，然後將其放置於反應器剛玉坩堝中， 基片經過預處理後放置於薄膜沉積裝置內沉積區，用高純氮氣抽真空，置換到氧氣濃度為 ppm級，然後再用混合氣體抽真空置換1?2次，抽真空至7?13Pa，控制升溫速度在5? 10°C /min範圍內，反應區加熱升溫至1200°C?1250°C範圍內，沉積區加熱升溫至600°C? 800°C範圍內，當反應區溫度達到預定溫度後，開啟基片旋轉裝置，設定轉速5轉/分，恆溫 3?4h，其間保持真空度不小於-0. OSMPa ;自然降溫至室溫，充入Ar+H2混合氣體至常壓後， 即得到灰黑色的GaAs薄膜；
[0046] F :以In2O3, P2O5以及活性炭C為原料，按摩爾比In : P : C=LO : LO : 4.0 的比例均勻混合研磨，加入與固體原料質量50%?100%相當的無水乙醇，研磨均勻後，用 10?15MPa的壓力將其壓成厚度為1?IOmm的片材，然後將其放置於反應器剛玉坩堝中， 基片經過預處理後放置於薄膜沉積裝置內沉積區，用高純氮氣抽真空，置換到氧氣濃度為 ppm級，然後再用混合氣體抽真空置換1?2次，抽真空至7?13Pa，控制升溫速度在5? 10°C /min範圍內，反應區加熱升溫至1200°C?1250°C範圍內，沉積區加熱升溫至600°C? 800°C範圍內，當反應區溫度達到預定溫度後，開啟基片旋轉裝置，設定轉速5轉/分，恆溫 3?4h，其間保持真空度不小於-0. OSMPa ;自然降溫至室溫，充入Ar+H2混合氣體至常壓後， 即得到灰黑色的InP薄膜；
[0047] G :以Ga2O3, P2O5以及活性炭C為原料，按摩爾比Ga : P : C= 1.0 : 1.0 : 8.0 的比例均勻混合研磨，加入與固體原料質量50%?100%相當的無水乙醇，研磨均勻後，用 10?15MPa的壓力將其壓成厚度為1?IOmm的片材，然後將其放置於反應器剛玉坩堝中， 基片經過預處理後放置於薄膜沉積裝置內沉積區，用高純氮氣抽真空，置換到氧氣濃度為 ppm級，然後再用混合氣體抽真空置換1?2次，抽真空至7?13Pa，控制升溫速度在5? 10°C /min範圍內，反應區加熱升溫至1200°C?1250°C範圍內，沉積區加熱升溫至600°C? 800°C範圍內，當反應區溫度達到預定溫度後，開啟基片旋轉裝置，設定轉速5轉/分，恆溫 3?4h，其間保持真空度不小於-0. OSMPa ;自然降溫至室溫，充入Ar+H2混合氣體至常壓後， 即得到橙紅色的GaP薄膜；
[0048] H :以In2O3,As2O3以及活性炭C為原料，按摩爾比In : As : C = I. 0 : L 2 : 6. 0 的比例均勻混合研磨，加入與固體原料質量50%?100%相當的無水乙醇，研磨均勻後，用 10?15MPa的壓力將其壓成厚度為1?IOmm的片材，然後將其放置於反應器剛玉坩堝中， 基片經過預處理後放置於薄膜沉積裝置內沉積區，用高純氮氣抽真空，置換到氧氣濃度為 ppm級，然後再用混合氣體抽真空置換1?2次，抽真空至7?13Pa，控制升溫速度在5? 10°C /min範圍內，反應區加熱升溫至1200°C?1250°C範圍內，沉積區加熱升溫至600°C? 800°C範圍內，當反應區溫度達到預定溫度後，開啟基片旋轉裝置，設定轉速5轉/分，恆溫 3?4h，其間保持真空度不小於-0. OSMPa ;自然降溫至室溫，充入Ar+H2混合氣體至常壓後， 即得到灰黑色的InAs薄膜。
[0049] 優選的，所述的混合氣體中H2體積佔混合氣體總體積的10%?30%。
[0050] 本發明的一步法的原理和化學反應如反應式（9)、（10)所示：
[0051 ] Ga203+As203+6C - 2GaAs+6CO (9)
[0052] Ga203+As203+6H2-2GaAs+6H 20 (10)
[0053] 上述反應中，生成CO和H2O排出即可。
[0054] 採用本發明的一步法技術方案可以大規模的製備化合物半導體目標薄膜材料，一 次製備多片薄膜，且製備周期短，對襯底（基片）材料適應性強，不需要對其襯底（基片） 特別處理。
[0055] 本發明的製備方法與傳統的或現有的化合物半導體薄膜材料製備方法的主要工 藝參數比較如下表1所示。以GaAs為例。
[0056] 表I GaAs傳統或現有方法與本方法的主要工藝參數比較表
[0057]

【權利要求】
1. 一種化合物半導體薄膜材料的製備方法，其特徵在於其為以下兩步法A、B、C或D中 的任意一種： A :步驟1 :將Ga203與As的氧化物按摩爾比Ga:As = 1:1混合後研磨均勾，加入與固體 原料質量50 %?100 %的無水乙醇，研磨均勻後常溫下真空乾燥得固體粉末，用10?15MPa 的壓力將其壓成厚度為1?10mm的片材，密封於真空石英安瓶中，然後將其放置於反應器 剛玉坩堝中，在管式爐中加熱到500°C?600°C，恆溫2?4h後自然冷卻得到反應產物； 步驟2.將真空石英安瓶打碎，放置反應產物於薄膜沉積裝置內反應區，基片放置於薄 膜沉積裝置內沉積區，用高純氮氣抽真空置換到氧氣濃度為ppm級，然後用Ar、Hjg合氣體 抽真空置換2?3次，再抽真空至7?13Pa，控制升溫速度為5?10°C /min，反應區加熱 升溫至1000°C?1250°C，沉積區加熱升溫至600°C?800°C，開啟基片旋轉裝置，設定轉速 5轉/分，通入氫氣、作為還原萃取劑，恆溫2?4h，其間保持真空度彡-0. 08MPa ;最後自然 降溫至室溫，充入Ar、4混合氣體至常壓，基片表面沉積得GaAs薄膜材料； B :將Ga203與P 205按摩爾比Ga:P = 1:1混合後研磨均勾，加入與固體原料質量50%? 100%的無水乙醇，再次研磨均勻後乾燥，用10?15MPa的壓力將其壓成片材，然後將其密 封於真空安瓶中，將安瓶放置於反應器剛玉坩堝中，在管式電爐中加熱到500°C?600°C， 恆溫2?4h，自然冷卻得GaP04; 步驟2.將真空石英安瓶打碎，放置GaP04於薄膜沉積裝置內反應區，基片放置於薄膜 沉積裝置內沉積區，用高純氮氣抽真空置換到氧氣濃度為ppm級，然後用Ar+H2混合氣體抽 真空置換1?2次，然再抽真空至7?13Pa，控制升溫速度為5?10°C /min，反應區加熱 升溫至1200°C?1250°C，沉積區加熱升溫至600°C?800°C，開啟基片旋轉裝置，設定轉速 5轉/分，通入氫氣、作為還原萃取劑，恆溫3?4h，其間保持真空度彡-0. 08MPa ;然後自然 降溫至室溫，充入高純Ar+仏混合氣體至常壓，基片表面沉積得GaP薄膜材料； C :步驟1.以In203，P205為原料，按摩爾比In:P = 1:1?2的比例混合，加入與固體原 料質量50%?100%相當的無水乙醇，研磨均勻後乾燥除去溶劑，用10?15MPa的壓力將 其壓成片材，然後將其密封於真空安瓶中，在管式電爐中加熱至500°C?600°C，恆溫2? 4h，自然冷卻得到InP04固體材料； 步驟2.將真空安瓶打碎，放置InP04固體材料於薄膜沉積裝置內反應區，基片預設於 薄膜沉積裝置沉積區，用高純氮氣抽真空置換到氧氣濃度為ppm級，再用Ar和4混合氣體 抽真空置換1?2次，然後再抽真空至7?13Pa，控制升溫速度為5?10°C /min，反應區加 熱升溫至1200°C?1250°C，沉積區加熱升溫至600°C?800°C，開啟基片旋轉裝置，設定轉 速5轉/分，通入高純氫氣、作為萃取還原劑，恆溫3?4h，其間保持真空度多-0. 08MPa，最 後自然降溫至室溫，即得到InP薄膜材料； D :步驟1 :將ln203與As的氧化物按摩爾比In:As = 1:1混合後研磨均勾，加入與固體 原料質量50 %?100 %的無水乙醇，研磨均勻後常溫下真空乾燥得固體粉末，用10?15MPa 的壓力將其壓成厚度為1?10mm的片材，密封於真空石英安瓶中，然後將其放置於反應器 剛玉坩堝中，在管式爐中加熱到500°C?600°C，恆溫2?4h後，自然冷卻得到反應產物； 步驟2.將真空石英安瓶打碎，放置反應產物於薄膜沉積裝置內反應區，基片放置於薄 膜沉積裝置內沉積區，用高純氮氣抽真空置換到氧氣濃度為ppm級，然後用Ar、Hjg合氣體 抽真空置換2?3次，再抽真空至7?13Pa，控制升溫速度為5?10°C /min，反應區加熱 升溫至1000°C?1250°C，沉積區加熱升溫至600°C?800°C，開啟基片旋轉裝置，設定轉速 5轉/分，通入氫氣、作為還原萃取劑，恆溫2?4h，其間保持真空度彡-0. 08MPa ;最後自然 降溫至室溫，充入Ar、4混合氣體至常壓，基片表面沉積得InAs薄膜材料。
2. 根據權利要求1所述的化合物半導體薄膜材料的製備方法，其特徵在於：所述As的 氧化物為As203或As 205，相應反應產物為6&々8〇3或GaAsO 4。
3. 根據權利要求1所述的化合物半導體薄膜材料的製備方法，其特徵在於：所述片材 厚度為1?1〇_。
4. 根據權利要求1所述的化合物半導體薄膜材料的製備方法，其特徵在於：所述Ar、H 2混合氣體中H2體積佔混合氣體總體積的10%?30%。
5. 根據權利要求1所述的化合物半導體薄膜材料的製備方法，其特徵在於：步驟2中 所述還原萃取劑採用氫-氬混合氣、活性炭或碳氫化合物。
6. 根據權利要求5所述的化合物半導體薄膜材料的製備方法，其特徵在於：當採用活 性炭作為還原萃取劑時，應將固態活性炭放置於薄膜沉積裝置反應區。
7. -種化合物半導體薄膜材料的製備方法，其特徵在於其採用以下一步法E、F、G或H 中的任意一種： E:以Ga203，As203以及活性炭C為原料，按摩爾比Ga : As : C=1.0 : 1.2 : 6. 0的比 例均勻混合研磨，加入與固體原料質量50%?100%相當的無水乙醇，研磨均勻後，用10? 15MPa的壓力將其壓成厚度為1?10mm的片材，然後將其放置於反應器剛玉坩堝中，基片經 過預處理後放置於薄膜沉積裝置內沉積區，用高純氮氣抽真空，置換到氧氣濃度為ppm級， 然後再用混合氣體抽真空置換1?2次，抽真空至7?13Pa，控制升溫速度在5?10°C /min 範圍內，反應區加熱升溫至1200°C?1250°C範圍內，沉積區加熱升溫至600°C?800°C範 圍內，當反應區溫度達到預定溫度後，開啟基片旋轉裝置，設定轉速5轉/分，恆溫3?4h， 其間保持真空度不小於-〇. 〇8MPa ;自然降溫至室溫，充入Ar+H2混合氣體至常壓後，即得到 灰黑色的GaAs薄膜； F:以In203，P205以及活性炭C為原料，按摩爾比In : P : C=1.0 : 1.0 : 4.0的比 例均勻混合研磨，加入與固體原料質量50%?100%相當的無水乙醇，研磨均勻後，用10? 15MPa的壓力將其壓成厚度為1?10mm的片材，然後將其放置於反應器剛玉坩堝中，基片經 過預處理後放置於薄膜沉積裝置內沉積區，用高純氮氣抽真空，置換到氧氣濃度為ppm級， 然後再用混合氣體抽真空置換1?2次，抽真空至7?13Pa，控制升溫速度在5?10°C /min 範圍內，反應區加熱升溫至1200°C?1250°C範圍內，沉積區加熱升溫至600°C?800°C範 圍內，當反應區溫度達到預定溫度後，開啟基片旋轉裝置，設定轉速5轉/分，恆溫3?4h， 其間保持真空度不小於-〇. 〇8MPa ;自然降溫至室溫，充入Ar+H2混合氣體至常壓後，即得到 灰黑色的InP薄膜； G:以Ga203，P205以及活性炭C為原料，按摩爾比Ga : P : C=1.0 : 1.0 : 8. 0的比 例均勻混合研磨，加入與固體原料質量50%?100%相當的無水乙醇，研磨均勻後，用10? 15MPa的壓力將其壓成厚度為1?10mm的片材，然後將其放置於反應器剛玉坩堝中，基片經 過預處理後放置於薄膜沉積裝置內沉積區，用高純氮氣抽真空，置換到氧氣濃度為ppm級， 然後再用混合氣體抽真空置換1?2次，抽真空至7?13Pa，控制升溫速度在5?10°C /min 範圍內，反應區加熱升溫至1200°C?1250°C範圍內，沉積區加熱升溫至600°C?800°C範 圍內，當反應區溫度達到預定溫度後，開啟基片旋轉裝置，設定轉速5轉/分，恆溫3?4h， 其間保持真空度不小於-〇. 〇8MPa ;自然降溫至室溫，充入Ar+H2混合氣體至常壓後，即得到 橙紅色的GaP薄膜； H:以In203，As203以及活性炭C為原料，按摩爾比In : As : C=1.0 : 1.2 : 6. 0的比 例均勻混合研磨，加入與固體原料質量50%?100%相當的無水乙醇，研磨均勻後，用10? 15MPa的壓力將其壓成厚度為1?10mm的片材，然後將其放置於反應器剛玉坩堝中，基片經 過預處理後放置於薄膜沉積裝置內沉積區，用高純氮氣抽真空，置換到氧氣濃度為ppm級， 然後再用混合氣體抽真空置換1?2次，抽真空至7?13Pa，控制升溫速度在5?10°C /min 範圍內，反應區加熱升溫至1200°C?1250°C範圍內，沉積區加熱升溫至600°C?800°C範 圍內，當反應區溫度達到預定溫度後，開啟基片旋轉裝置，設定轉速5轉/分，恆溫3?4h， 其間保持真空度不小於-〇. 〇8MPa ;自然降溫至室溫，充入Ar+H2混合氣體至常壓後，即得到 灰黑色的InAs薄膜。
8.根據權利要求7所述的化合物半導體薄膜材料的製備方法，其特徵在於：所述的混 合氣體中H2體積佔混合氣體總體積的10%?30%。
【文檔編號】C23C16/30GK104498896SQ201410831285
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2014年12月26日 優先權日:2014年12月26日
【發明者】劉興泉, 劉一町, 張銘菊, 張崢, 趙紅遠, 何永成, 張懷武 申請人:電子科技大學