发明内容
发明目的
本发明的目的就是针对背景技术的不足,采用一种热蒸发传输沉积法,在管式高温炉中,在砷化镓基片上,在氩气气流下,砷化镓粉末掺杂氧化镓、氧化铟,以形态转换、气相沉积、薄膜生长方式,在砷化镓基片上制备生长出砷化镓薄膜,并对有害气体进行回收,使热蒸发传输沉积制备砷化镓薄膜成为可能。
技术方案
制备使用的化学物质材料为:砷化镓、氧化镓、氧化铟、盐酸、无水乙醇、双氧水、去离子水、氩气、砷化镓基片、次氯酸纳、氢氧化钠、稀磷酸,其组合配比如下:以克、毫升、厘米3、毫米为计量单位
砷化镓: GaAs 20g±0.01g
氧化镓: Ga2O3 10g±0.01g
氧化铟: In2O3 2g±0.01g
盐酸: HCl 100ml±2ml
无水乙醇: C2H5OH 1000ml±2ml
双氧水: H2O2 30ml±2ml
去离子水: H2O 2000ml±50ml
次氯酸纳: NaClO 100ml±2ml
氢氧化钠: NaOH 20g±0.1g
稀磷酸: H3PO4 50ml±2ml
氩气: Ar 30000cm3±200cm3
砷化镓基片: GaAs 20×20×1mm
制备方法如下:
(1)精选化学物质
对制备所需的化学物质要进行精选,并进行纯度、精度控制:
砷化镓: 固态粉末 99%
氧化镓: 固态粉末 99.99%
氧化铟: 固态粉末 99.99%
盐酸: 液态液体 浓度35%
无水乙醇: 液态液体 97%
去离子水: 液态液体 99.9%
双氧水: 液态液体 30%
次氯酸纳: 液态液体 浓度13%
氢氧化钠: 固态粉粒 96%
磷酸: 液态液体 浓度85%
氩气: 气态气体 99%
砷化镓基片: 固态固体 99.8%(100)晶向单晶片表面呈镜面
(2)超声清洗L形石英舟
将石英舟置于超声波清洗器内,加入100ml去离子水,超声清洗15min;
(3)超声清洗砷化镓基片
①用无水乙醇清洗砷化镓基片
将基片置于盛有无水乙醇40ml的烧杯中,放入超声清洗器内,超声清洗15min;超声清洗后,从烧杯里取出基片,用50ml去离子水冲洗基片;
②用双氧水清洗砷化镓基片
将基片置于盛有双氧水40ml的烧杯中,放入超声清洗器内,超声清洗15min;超声清洗后,从烧杯里取出基片,用50ml去离子水冲洗基片;
③用稀盐酸清洗砷化镓基片
将基片置于盛有稀盐酸40ml的烧杯中,放入超声清洗器内,超声清洗15min;超声清洗后,从烧杯里取出基片,用50ml去离子水冲洗基片;
④用氩气吹干砷化镓基片
氩气以50cm3/min流量对基片的镜面吹干,时间5min;
(4)配制废气回收液
将次氯酸纳100ml、氢氧化钠20g、稀磷酸50ml、去离子水500ml混合,制成混合水溶液;
(5)制备砷化镓薄膜
①制备设备:管式高温炉、石英管、L形石英舟、氩气瓶、废气回收瓶;
②清洗、清洁石英管
将无水乙醇100ml灌入石英管内,进行往复灌洗10min,然后晾干;
将500ml去离子水灌入石英管内,进行往复灌洗10min,然后晾干;
③研磨、过筛原料粉末
将砷化镓20g、氧化镓10g、氧化铟2g,分别用玛瑙研钵、研棒进行研磨、过筛,反复进行,筛网目数625目,粉末平均粒径为20μm;
④混合原料粉末
将研磨、过筛后的砷化镓、氧化镓、氧化铟原料粉末,置于烧杯中,用搅拌器搅拌,使其混合均匀;
⑤清洁石英管内壁,向管内输入氩气,输入速度100cm2/min,驱除有害物质;
⑥置放原料粉末、砷化镓基片
将混合后的原料粉末置于L形石英舟左部,将砷化镓基片斜置于L形石英舟右部,砷化镓基片斜置角度为70°;
打开石英管,将盛有原料混合粉末和基片的L形石英舟置于石英管的高温区段;
⑦关闭石英管,使其密封,制备开始
开启管式高温炉,使其升温,从20℃±3℃升至800℃±5℃,升温速度10℃/min;
开启出气管、出气阀,并联通废气处理瓶;
开启氩气管、氩气流量计、氩气瓶,向石英管内输入氩气,输入速度80cm3/min,使石英管内处于氩气气氛中;
氩气在输入过程中将产生气流成为载气,氩气气流带动砷化镓+氧化镓+氧化铟粉末,流向斜置的砷化镓基片,并附着在斜置的砷化镓基片上;
在800℃±5℃温度状态下、在氩气载气流量80cm3/min状态下,砷化镓+氧化镓+氧化铟粉末将进行形态转换、气相沉积、薄膜生长:
第一步:固态—气态
砷化镓+氧化镓+氧化铟粉末在800℃±5℃下,当达到101.3KPa的蒸气压时,将形成气体分子,即混合气体;
第二步:气态—固态
混合气体在氩气流的带动下、温度800℃±5℃状态下,气态分子在斜置的砷化镓基片上沉积,吸附在基片表面生成晶核,晶核伴随体系中的热起伏继续生长,孤立的小晶核长大联结成固态薄膜,随着沉积时间的延长,薄膜逐渐变厚;
⑧废气回收
石英管内反应的有害气体,经出气管、出气阀进入废气回收瓶,废气回收瓶内装有次氯酸纳、氢氧化钠、磷酸和去离子水的混合水溶液,废气与混合水溶液进行混凝沉降,生成固态物质,然后回收,以减小对环境的毒性污染;
⑨形态转换、气相沉积、薄膜生长时间40min±5min;
⑩冷却
关闭管式高温炉,石英管内的温度由800℃±5℃逐渐降至20±3℃;
氩气继续开启,流量为5cm3/min,在氩气气氛中随炉冷却,砷化镓基片上形成最终产物,即:掺氧砷化镓多晶薄膜;
(6)收集产物
关闭氩气阀,打开石英管,取出L形石英舟中的砷化镓基片,基片上的灰黑色沉积物,即为:掺氧砷化镓多晶薄膜;
(7)检测、化验、分析、表征
对制备的掺氧砷化镓薄膜的形貌、成分、物相组织结构、发光性能进行检测、分析、表征
用JSM-6700型场发射扫描电镜进行薄膜表面形貌和成分分析
用Y-2000X-Ray衍射分析仪进行物相组织结构分析
用SPR-920D光谱辐射分析仪进行光致发光性能分析
(8)储存
对制备的发红光的掺氧砷化镓多晶薄膜,以砷化镓基片置底、薄膜向上状态,置于棕色透明玻璃容器中,密闭避光储存,阴凉、干燥、洁净环境,要防水、防潮、防火、防晒、防酸、碱、盐侵蚀,储存温度20℃±3℃,相对湿度≤20%
所述的发红光的掺氧砷化镓多晶薄膜的制备是在管式高温炉中进行的,管式高温炉1的下部为炉座15,管式高温炉1内放有石英管2,石英管2左端为左端盖11,右端为右端盖3,在左端盖11上由氩气管12联通氩气流量计13、氩气瓶14,在右端盖3上设有出气管4,并联通出气阀5、废气处理瓶6,废气处理瓶6下部为废气处理液7,在石英管2内中部为高温区段16,在高温区段16设置L形石英舟10,L形石英舟10上左部置放砷化镓+氧化镓+氧化铟粉末8,在L形石英舟10右部斜置砷化镓基片9,砷化镓基片9上为掺氧砷化镓薄膜17。
所述的发红光的掺氧砷化镓多晶薄膜的制备,是以砷化镓、氧化镓、氧化铟为原料,以砷化镓基片为薄膜生长载体,以盐酸、无水乙醇、去离子水、双氧水为清洗剂,以氩气为载气和保护气体,以次氯酸纳、氢氧化钠、磷酸、去离子水为废气回收剂。
所述的发红光的掺氧砷化镓多晶薄膜的制备是在管式高温炉中进行的,在氩气气氛下、在800℃±5℃温度下,在砷化镓基片上沉积生长成膜的,载气氩气输入速度为80cm3/min,温度升温速度为10℃/min,输气、恒温、保温时间为40min±1min。
所述的制备的发红光的掺氧砷化镓多晶薄膜,其形貌为灰黑色胶粘形颗粒联结成的波浪形多晶薄膜,薄膜凸、凹处落差值为2μm,颗粒直径为100nm—1000nm。
所述的制备的掺氧砷化镓多晶薄膜,光致发光为红光。
有益效果
本发明与背景技术相比具有明显的先进性,它是以砷化镓、氧化镓、氧化铟为原料,以砷化镓基片为薄膜生长载体,以盐酸、无水乙醇、双氧水、去离子水为清洗剂,以氩气为载气和保护气体,以次氯酸纳、氢氧化钠、磷酸、去离子水为废气回收剂,制备是在管式高温炉中进行的,在石英管内高温区段置放L形石英舟、原料粉末和砷化镓基片,在800℃±5℃状态下、在氩气气氛中,原料粉末进行形态转换、气相沉积、薄膜生长,由固态-气态-固态,在砷化镓基片上沉积生成掺氧砷化镓多晶薄膜,薄膜为灰黑色颗粒胶粘状波浪形,发红光,在掺氧砷化镓多晶薄膜制备过程中产生的有害气体可进行回收,不污染环境,此制备方法工艺流程短,薄膜成型快,产物纯度高,可达99%,与多种化学物质匹配制成发光产品,是十分理想的发红光的掺氧砷化镓多晶薄膜的制备方法。
具体实施方式
以下结合附图对本发明做进一步说明:
图1所示,为制备工艺流程图,要严格按工艺流程进行、按序操作。
制备所需的化学物质的组合配比是按预先设置的量值确定的,以克、毫升、厘米3、毫米为计量单位,当工业化制取时,以千克、升、米3、毫米为计量单位。
掺氧砷化镓多晶薄膜的制备是在管式高温炉中进行的,两端由左、右端盖密封,左端连通氩气管、氩气瓶,右端连通出气管、废气处理瓶,氩气的输入速度要持续稳定,输入速度为80cm3/min,氩气既是保护气体又是制备载气,其气流是原料粉末流动的动力,驱使原料粉末流向高温区段的砷化镓基片,在基片上进行形态转换、气相沉积、薄膜生长,石英管内的温度要严格控制在800℃±5℃,以保证原料粉末形态转换有足够的热能。
砷化镓基片要光整,表面呈镜面,以便于薄膜生长。
石英管内的含砷气体是有毒气体,要通过出气管进入废气处理瓶进行处理,以免污染环境。
产物收集、检测、储存要严格进行,基片薄膜要平直存放,密闭避光储存,以保持发光性能和色纯度。
发明原理:
在沉积过程中,In2O3起到抑制砷形成氧化物而挥发的作用,使薄膜As的含量提高,GaAs薄膜以气态—固态V-S形式生长,检测薄膜中没有In元素存在,In2O3随氩气流排入废气瓶,当反应原料中不添加In2O3时,只能形成Ga2O3薄膜,可见In2O3对GaAs薄膜的形成起到重要作用。
图3所示,为制备掺氧砷化镓薄膜温度与时间坐标关系图,纵坐标为温度℃,横坐标为时间min,从20℃开始升温,即D点,以10℃/min的速度升温至800℃±5℃,即E点,在此温度恒温保温40min±1min,即E-F区段,然后冷却至20℃,即G点。
图4所示,为产物形貌对比图,图中可知:
产物形貌放大140倍扫描电子图像,为凸凹不平薄膜状;
产物形貌放大500倍扫描电子图像,薄膜上分布着许多凹坑;
产物形貌放大2000倍扫描电子图像,薄膜上有椭圆形凹坑、长条状台阶,薄膜表面极不平整;
产物形貌放大2500倍扫描电子图像,薄膜表面状态为胶粘波浪状;
产物形貌放大4000倍扫描电子图像,薄膜表面显现颗粒状;
产物形貌放大10000倍扫描电子图像,薄膜由颗粒联结形成多晶粘结状;
图5所示,为产物X射线散射能谱图,图中可知:纵坐标为强度指数,横坐标为能量keV,薄膜化学成分有:Ga、As、O;
图6所示,为产物的光致发光图谱,图中可知:纵坐标为光致发光强度,横坐标为波长nm,薄膜在常温20℃±3℃下光致发光峰值为634nm,属于红光发光;强度高,相对强度值达6000;晶粒细小,半峰宽为200nm。
图7所示,为产物X射线衍射图谱,图中可知:纵坐标为衍射强度指数,横坐标为衍射角2θ,产物薄膜为多晶体砷化镓;氧在薄膜中以Ga2O3物相形式存在;在31.8°处出现最强峰,对应砷化镓的(200)晶面。