一种化合物半导体薄膜材料的制备方法技术

本发明专利技术涉及一种化合物半导体薄膜材料的制备方法，通过本发明专利技术中的一步法可以大规模的制备化合物半导体目标薄膜材料，一次制备多片薄膜，且制备周期短，制备效率高，对衬底(基片)材料适应性强，不需要对其衬底(基片)特别处理，制备成本低；采用两步法制备的化合物半导体薄膜材料纯度高、结晶度好；制备工艺中采用密封体系，避免因升华造成原料损失，工艺可控性高；且制备温度更低，节约能耗。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术涉及，通过本专利技术中的一步法可以大规模的制备化合物半导体目标薄膜材料，一次制备多片薄膜，且制备周期短，制备效率高，对衬底(基片)材料适应性强，不需要对其衬底(基片)特别处理，制备成本低；采用两步法制备的化合物半导体薄膜材料纯度高、结晶度好；制备工艺中采用密封体系，避免因升华造成原料损失，工艺可控性高；且制备温度更低，节约能耗。【专利说明】
本专利技术涉及薄膜材料制造领域，特别是涉及一种制备组成为 Gas Ini_sPyASl_y 的化合物半导体薄膜材料的制备方法。
技术介绍
砷化镓（GaAs)是一种室温下禁带宽度为I. 42eV的人工合成的化合物半导体材 料。GaAs属闪锌矿型晶格结构，晶格常数5. 65X10^11，与磷化铟（InP)属直接跃迀型能带 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、γ光子探测器等。由于其电子迀移率比硅大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，因其电子迀移率比硅高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, OOOsuns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)上。而且很多太阳电池都是用GaAs来做的电池阵列。 磷化镓（GaP)也是一种人工合成的III-V族化合物型半导体材料，高纯GaP是一 种橙红色透明晶体。磷化镓（GaP)单晶材料的熔点为1467°C。磷化镓（GaP)的晶体仍为闪 锌矿型结构，晶格常数为0. 5447 ±0. 006nm，其化学键是以共价键为主的混合键，其离子键 成分约为20%，300K时能隙（Eg)为2. 26eV，属间接跃迀型半导体。磷化镓（GaP)与其他大 带隙III-V族化合物半导体相同，可以通过引入深中心使费米能级接近带隙中部，如掺入 铬、铁、氧等杂质元素可成为半绝缘材料。磷化镓（GaP)分为单晶材料和外延材料。工业生 产的衬底单晶均为掺入硫、硅杂质的N型半导体。 GaP单晶早期通过液相法在常压下制备。后采用液体覆盖直拉法制备。现代半 导体工业生产的磷化镓（GaP)单晶都是在高压合成炉中，采用定向凝固工艺合成磷化镓多 晶，进行适当处理后装入高压单晶炉进行单晶拉制。磷化镓外延材料是在磷化镓单晶衬底 上通过液相外延或气相外延加扩散生长的方法制得。GaP多用于制造发光二极管（LED)。 液相外延材料可制造红色光、黄绿色光、纯绿色光的发光二极管，气相外延加扩散生长的材 料，可制造黄色光、黄绿色光的发光二极管。 磷化铟（InP)仍是由III A族元素 In和V A族元素 P化合而成的半导体材料。磷 化铟室温下的禁带宽度为1.35eV，与GaP-样同属直接跃迀型能带结构。磷化铟（InP)为 具有沥青光泽的深灰色晶体，熔点1070°C，仍属于闪锌矿结构。 磷化铟（InP)在熔点下的离解压为2. 75MPa。极微溶于无机酸。介电常数10. 8。 电子迀移率4600cm2/(V · s)。空穴迀移率150cm2/(V · s)。具有半导体的特性。最早由金 属铟和赤磷在石英管中加热反应制得。磷化铟用作半导体材料，可用于光纤通信技术。 半导体技术的商业化生产历史可以看着是一系列工艺技术不断改进和更新发展 的历史。第一个商业化晶体管是用锗（Ge)制造的，但在20世纪60年代早期，硅（Si)器件很 快就在性能和价位上超过了它。硅半导体之所以现在能确立在半导体工业中的统治地位， 部分要归功于工艺技术的不断开发，使得硅器件在集成功能性和价位上具有很强的竞争能 力。第三种商业化半导体技术出现于20世纪80年代后期，它来自于化合物材料领域-砷 化镓（GaAs)，但由于砷化镓制备的复杂性和难度，人们仍在寻找一种能够替代砷化镓的化 合物半导体技术，用于高性能、大批量商业应用中。现在一种新的化合物半导体器件已经开 始出现，这就是磷化铟（InP)及其衍生材料，它们形成半导体材料发展的第四次浪潮。磷化 铟半导体在光纤制造、毫米波甚至在无线应用方面都明显的显示出了使人信服的优于砷化 镓的性能优点。我们相信这些优点将使磷化铟与其他材料拉开差距，从而最终替代硅和砷 化镓成为化合物半导体技术的最佳选择。 以上几种化合物半导体薄膜材料，其传统的制备方法都是采用分子束外延 (molecular beam epitaxy, MBE)或金属有机气相夕卜延 metal-organic vapor phase epitaxy，M0VPE)，也称做金属有机化学气相沉积法（metal-organic chemical vapor deposition，M0CVD)。利用水平布里本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种化合物半导体薄膜材料的制备方法，其特征在于其为以下两步法A、B、C或D中的任意一种：A：步骤1：将Ga2O3与As的氧化物按摩尔比Ga:As＝1:1混合后研磨均匀，加入与固体原料质量50％～100％的无水乙醇，研磨均匀后常温下真空干燥得固体粉末，用10～15MPa的压力将其压成厚度为1～10mm的片材，密封于真空石英安瓶中，然后将其放置于反应器刚玉坩埚中，在管式炉中加热到500℃～600℃，恒温2～4h后自然冷却得到反应产物；步骤2.将真空石英安瓶打碎，放置反应产物于薄膜沉积装置内反应区，基片放置于薄膜沉积装置内沉积区，用高纯氮气抽真空置换到氧气浓度为ppm级，然后用Ar、H2混合气体抽真空置换2～3次，再抽真空至7～13Pa，控制升温速度为5～10℃/min，反应区加热升温至1000℃～1250℃，沉积区加热升温至600℃～800℃，开启基片旋转装置，设定转速5转/分，通入氢气、作为还原萃取剂，恒温2～4h，其间保持真空度≥‑0.08MPa；最后自然降温至室温，充入Ar、H2混合气体至常压，基片表面沉积得GaAs薄膜材料；B：将Ga2O3与P2O5按摩尔比Ga:P＝1:1混合后研磨均匀，加入与固体原料质量50％～100％的无水乙醇，再次研磨均匀后干燥，用10～15MPa的压力将其压成片材，然后将其密封于真空安瓶中，将安瓶放置于反应器刚玉坩埚中，在管式电炉中加热到500℃～600℃，恒温2～4h，自然冷却得GaPO4；步骤2.将真空石英安瓶打碎，放置GaPO4于薄膜沉积装置内反应区，基片放置于薄膜沉积装置内沉积区，用高纯氮气抽真空置换到氧气浓度为ppm级，然后用Ar+H2混合气体抽真空置换1～2次，然再抽真空至7～13Pa，控制升温速度为5～10℃/min，反应区加热升温至1200℃～1250℃，沉积区加热升温至600℃～800℃，开启基片旋转装置，设定转速5转/分，通入氢气、作为还原萃取剂，恒温3～4h，其间保持真空度≥‑0.08MPa；然后自然降温至室温，充入高纯Ar+H2混合气体至常压，基片表面沉积得GaP薄膜材料；C：步骤1.以In2O3，P2O5为原料，按摩尔比In:P＝1:1～2的比例混合，加入与固体原料质量50％～100％相当的无水乙醇，研磨均匀后干燥除去溶剂，用10～15MPa的压力将其压成片材，然后将其密封于真空安瓶中，在管式电炉中加热至500℃～600℃，恒温2～4h，自然冷却得到InPO4固体材料；步骤2.将真空安瓶打碎，放置InPO4固体材料于薄膜沉积装置内反应区，基片预设于薄膜沉积装置沉积区，用高纯氮气抽真空置换到氧气浓度为ppm级，再用Ar和H2混合气体抽真空置换1～2次，然后再抽真空至7～13Pa，控制升温速度为5～10℃/min，反应区加热升温至1200℃～1250℃，沉积区加热升温至600℃～800℃，开启基片旋转装置，设定转速5转/分，通入高纯氢气、作为萃取还原剂，恒温3～4h，其间保持真空度≥‑0.08MPa，最后自然降温至室温，即得到InP薄膜材料；D：步骤1：将In2O3与As的氧化物按摩尔比In:As＝1:1混合后研磨均匀，加入与固体原料质量50％～100％的无水乙醇，研磨均匀后常温下真空干燥得固体粉末，用10～15MPa的压力将其压成厚度为1～10mm的片材，密封于真空石英安瓶中，然后将其放置于反应器刚玉坩埚中，在管式炉中加热到500℃～600℃，恒温2～4h后，自然冷却得到反应产物；步骤2.将真空石英安瓶打碎，放置反应产物于薄膜沉积装置内反应区，基片放置于薄膜沉积装置内沉积区，用高纯氮气抽真空置换到氧气浓度为ppm级，然后用Ar、H2混合气体抽真空置换2～3次，再抽真空至7～13Pa，控制升温速度为5～10℃/min，反应区加热升温至1000℃～1250℃，沉积区加热升温至600℃～800℃，开启基片旋转装置，设定转速5转/分，通入氢气、作为还原萃取剂，恒温2～4h，其间保持真空度≥‑0.08MPa；最后自然降温至室温，充入Ar、H2混合气体至常压，基片表面沉积得InAs薄膜材料。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：刘兴泉，刘一町，张铭菊，张峥，赵红远，何永成，张怀武，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川;51