专利名称：一种制备GaAs薄膜材料的方法
技术领域：
本发明涉及薄膜材料制造领域，特别是涉及一种制备GaAs薄膜材料的方法。
背景技术：
砷化镓(GaAs)是人工合成的由IIIA族元素Ga和VA族元素As化合而成的半导体材料。分子式为GaAs。室温下禁带宽度为1.42eV，GaAs属闪锌矿型晶格结构，晶格常数
5.65X10_1(lm，与磷化铟(InP)属直接跃迁型能带结构。砷化镓呈黑灰色固体，熔点1238°C。它在600°C以下，能在空气中稳定存在，并且不为非氧化性的酸侵蚀。砷化镓是半导体材料中，兼具多方面优点的材料，砷化镓于1964年进入实质性应用阶段。砷化镓可以制成电阻率比硅、锗高出3个数量级以上的半绝缘高阻材料，用来制作集成电路衬底、红外探测器、Y光子探测器等。由于其电子迁移率比硅大5 6倍，故在制作微波器件和高速数字电路方面得到重要应用。用砷化镓制成的半导体器件具有高频、高温、低温性能好、噪声小、抗辐射能力强等优点。此外，还可以用于制作转移器件-体效应器件。GaAs拥有一些比Si更好的电子特性，使得GaAs可以用在高于250GHz的场合。如果等效的GaAs和Si元件同时都操作在高频时，GaAs会产生较少的噪声。同时因为GaAs拥有较高的崩溃电压，所以GaAs比同样的Si元件更适合操作在高功率的场合。由于这些特性，GaAs电路可以运用在移动电话、卫星通讯、微波点对点连线、雷达系统等方面。GaAs曾用来做成甘恩二极管、微波二极管和耿氏二极管)以发射微波。由于GaAs是直接带隙的半导体材料，所以可以用来发光。而Si是间接带隙材料，只能发射非常微弱的光。因此，GaAs在LED中应用前景广泛。
砷化镓在当代微电子和光电子产业中发挥着重要的作用，其产品50%应用在军事、航天方面，30%用于通信方面，其余用于网络设备、计算机和测试仪器方面。由于砷化镓优良的高频特性，它被广泛用于制造无线通信和光通信器件，半绝缘砷化镓单晶已经成为制造大功率微波、毫米波通信器件和集成电路的主要材料。用于光辐射、太阳能电池、红外探测器、移动通讯、光纤通讯、有线电视、卫星通信、汽车雷达、红外LED、高亮度红、橙、黄色LED、半导体激光二极管、军用夜视仪和航天用高效太阳能电池。根据美国娃谷Strategies公司的预测,2000年全球基于砷化镓材料的无线通信器件市场需求为17亿美元，其中砷化镓抛光片与外延片的需求为6亿美元，并将于2005年达到25亿美元，年增长率达到30%。由于砷化镓可在同一块芯片上同时处理光电数据，因而被广泛应用于遥控、手机、DVD计算机外设、照明等诸多光电子领域。另外，因其电子迁移率比硅高6倍，砷化镓成为超高速、超高频器件和集成电路的必需品。它还被广泛使用于军事领域，是激光制导导弹的重要材料。GaAs的另一个很重要的应用是高效率的太阳电池。1970年时，Zhores Alferov和他的团队在苏联做出第一个GaAs异质结构的太阳电池。用GaAs、Ge和InGaP三种材料做成的三介面太阳电池，有32%以上的效率，且可以操作在2,000 suns下的光。这种太阳电池曾运用在探测火星表面的机器人:精神号漫游者(spirit rover)和机会号漫游者(opportunity rover)。而且很多太阳电池都是用GaAs来做的电池阵列。因为GaAs和AlAs的晶格常数几乎是一样的，所以通常可以利用分子束外延(molecular beam epitaxy, MBE)或金属有机气相夕卜延 metal-organic vapor phaseepitaxy, M0VPE),也称做金属有机化学气相沉积法(metal-organic chemical vapordeposition, M0CVD),在GaAs上形成异质结构，如成长砷化招(AlAs)或砷化招镓(AlxGa1^xAs)合金。因为成长出来的层应力很小，所以几乎可以长成任意的厚度。利用水平布里奇曼(Horizontal Bridgeman,HB)技术可以制造出GaAs的单晶，因为GaAs的力学特性,所以直拉法(Czochralski法)是很难运用在GaAs材料的制备上。但曾经有人用直拉法(Czochralski法)做出过超高纯度的GaAs当做半绝缘体。II1-V族化合物型半导体GaAs薄膜材料通常的制备方法除了上述传统方法和现代方法之外，主要还是采用昂贵苛刻 的物理方法和复杂昂贵的MOCVD方法，前者采用高纯金属Ga和高纯非金属As反应得到GaAs，如反应式(I)。物理方法诸如等离子溅射法，分子束外延法(MBE)，电子束蒸发法(EBE)，脉冲激光沉积法(PLD)，磁控溅射法(MSD)等，后者采用镓的昂贵金属有机化合物液态(或气态)三甲基镓和As的剧毒化合物(如气态砷烷AsH3)反应制备得到GaAs，如反应式(2)。它们的原理和化学反应分别如下:Ga+As — GaAs — GaAs (I)Ga (CH3) 3+AsH3 — GaAs+3CH4 (2)
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种设备简化，方法和原材料以及制备工艺都要明显优于现有技术和方法的制备GaAs薄膜材料的方法。为实现上述目的，本发明采用如下技术方案实现:一种制备GaAs薄膜材料的方法，以Ga2O3, As2O3以及活性炭C为原料，加入与固体原料质量50% 100%相当的无水乙醇，研磨均匀后，用10 15MPa的压力将其压成厚度为I IOmm的片材，然后将其放置于反应器刚玉坩埚中，用高纯氮气抽真空，置换到氧气浓度为PPm级，然后再用混合气体抽真空置换I 2次，抽真空至7 13Pa，控制升温速度在5 10°C /min范围内，反应区加热升温至1200°C 1250°C范围内，沉积区加热升温至600°C 800°C范围内，恒温3 4h，其间保持真空度不小于-0.08MPa ;当反应区温度达到预定温度后，自然降温至室温，充入混合气体至常压后，即得到灰黑色的GaAs薄膜。所述的混合气体为Ar与H2的混合气体，所述的H2体积占混合气体总体积的10% 30%。本发明的原理和化学反应如反应式(I)、(2)所示:Ga203+As203+6H2 — 2GaAs+6H20 (I)Ga203+As203+6C — 2GaAs+6C0 (2)上述反应中，生成CO和H2O排出即可。采用本发明的技术方案可以较大规模的制备GaAs目标薄膜材料，一次制备多片薄膜，且制备周期短，对衬底(基片)材料适应性强，不需要对其衬底(基片)特别处理。
本发明专利的制备方法与传统的或现有的GaAs制备方法的主要工艺参数比较如下表I所示。表1传统或现有方法与本发明专利方法的主要工艺参数比较表
权利要求
1.一种制备GaAs薄膜材料的方法,其特征在于:以Ga2O3, As2O3以及活性炭C为原料，加入与固体原料质量509^100%相当的无水乙醇，研磨均匀后，用l(Tl5MPa的压力将其压成厚度为f IOmm的片材，然后将其放置于反应器刚玉坩埚中，用高纯氮气抽真空，置换到氧气浓度为PPm级，然后再用混合气体抽真空置换f 2次，抽真空至7 13Pa，控制升温速度在5 10°C /min范围内，反应区加热升温至1200°C 1250°C范围内，沉积区加热升温至6000C 800°C范围内，恒温:T4h，其间保持真空度不小于-0.08MPa ;当反应区温度达到预定温度后，自然降温至室温，充入混合气体至常压后，即得到灰黑色的GaAs薄膜。
2.根据权利要求1所述的一种制备GaAs薄膜材料的方法，其特征在于:按摩尔比计:Ga2O3: As2O3: C 为 1.0: (1.0~l.5): (3.0 8.0)。
3.根据权利要求1所述的一种制备GaAs薄膜材料的方法，其特征在于:所述的混合气体为Ar与H2的混合气体，所述 的H2体积占混合气体总体积的10% 30%。
全文摘要
本发明公开了一种制备GaAs薄膜材料的方法，以Ga2O3，As2O3以及活性炭C为原料，加入与固体原料质量50%~100%相当的无水乙醇，研磨均匀后，用10~15MPa的压力将其压成厚度为1~10mm的片材，然后将其放置于反应器刚玉坩埚中，用高纯氮气抽真空，置换到氧气浓度为ppm级，然后再用混合气体抽真空置换1~2次，抽真空至7~13Pa，控制升温速度在5~10℃/min范围内，反应区加热升温至1200℃~1250℃范围内,沉积区加热升温至600℃~800℃范围内，恒温3~4h，其间保持真空度不小于-0.08MPa；当反应区温度达到预定温度后，自然降温至室温，充入混合气体至常压后，即得到灰黑色的GaAs薄膜，本发明使用的原料简单，价廉易得，且均为固体或无毒气体，对环境无污染，对操作人员无安全威胁。
文档编号C23C14/24GK103147038SQ20121055236
公开日2013年6月12日 申请日期2012年12月19日 优先权日2012年12月19日
发明者刘兴泉, 张铭菊 申请人:常州星海电子有限公司