CN101746961A - 在平板玻璃上沉积多晶β-Ga2O3薄膜的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种在平板玻璃上沉积多晶β-Ga2O3薄膜的方法，属于电子材料技术领域。本发明以Ga2O3粉末经压片、烧结获得的块体材料为靶材，在温度为室温的玻璃衬底上利用射频磁控溅射技术制备Ga2O3薄膜。工艺条件为：溅射气体氩气压强0.2～2Pa、溅射偏压-40～-100V、溅射功率40～150W。将Ga2O3薄膜置于退火炉中，400～550℃空气气氛下处理50～80分钟，即形成具有多晶结构的β-Ga2O3薄膜。本发明方法设备简单便宜、成本低、易于大面积成膜。
Description
(一)技术领域：
本发明涉及一种在平板玻璃上沉积多晶β-Ga2O3薄膜的方法，属于电子材料技术领域
(二)背景技术：
β-Ga2O3是一种宽带隙且具有良好的化学和热稳定性的化合物，可广泛应用于高温氧气传感器、紫外探测器、磁性记忆和介电层、GaAs的消反射镀层、GaAs表面的钝化镀膜、深紫外光透明氧化物等方面。在薄膜电致发光平板显示领域中，氧基荧光材料因为它们的宽带隙和不易结晶的性质，曾并不被人们所看好。然而，随着一些关键技术的解决，β-Ga2O3作为一种新型的氧基电致发光荧光体基材料，已经受到越来越多的关注。
通过对现有文献的检索发现，制备多晶β-Ga2O3薄膜的方法有金属有机化学气相沉积(Metal organic chemical vapor depositian)法，参见Hyoun Woo Kim等人的“退火对金属有机化学气相沉积法制备的蓝宝石衬底Ga2O3薄膜的性能影响”，《应用表面科学》230(2004)301-306(Hyoun Woo Kim，Nam Ho Kim.Annealing effects on the properties of Ga2O3 thin films grown on sapphire by themetal organic chemical vapor deposition，Applied Surface Science 230(2004)301-306)；分子束外延(Molecular beam epitaxy)法，参见Takayoshi Oshima等人的“用分子束外延生长的同质外延β-Ga2O3薄膜的表面形貌”，《固体薄膜》516(2008)5768-5771(Takayoshi Oshima，Naoki Arai，Norihito Suzuki，et al.Surfacemorphology of homoepitaxial β-Ga2O3 thin films grown by molecular beam epitaxy，Thin Solid Films 516(2008)5768-5771)；脉冲激光沉积(Pulsed laser deposition)法，参见Masahiro Orita等人的“低温沉积高电导、深紫外透明β-Ga2O3薄膜”，《固体薄膜》411(2002)134-139(Masahiro Orita，Hidenori Hiramatsu，HiromichiOhta，et al.Preparation of highly conductive，deep ultraviolet transparent β-Ga2O3thin film at low deposition temperatures，Thin Solid Films 411(2002)134-139)；射频磁控溅射法，参见肖洪地等人的“采用射频磁控溅射法在Si(111)衬底上生长β-Ga2O3薄膜”，《功能材料》37(2006年增刊)1-3。
金属有机化学气相沉积采用有机TMGa为Ga源，反应温度550℃，退火温度1050℃，薄膜衬底为单晶蓝宝石。金属有机化学气相沉积法的缺点是原料有毒且价格昂贵，尾气需要专门设备处理。分子束外延是一种新发展起来的外延制膜方法，也是一种特殊的真空镀膜工艺。它是在超高真空条件下，将薄膜组分元素的分子束流直接喷到衬底表面，从而形成外延层的技术。用微波增强型分子束外延生长多晶β-Ga2O3薄膜采用单晶β-Ga2O3衬底，生长温度800～900℃，生长时间5小时。分子束外延可以生长高质量β-Ga2O3薄膜，但工艺复杂、设备昂贵、生长速度慢，不利于规模化生产。脉冲激光沉积法在蓝宝石单晶衬底上可以制备β-Ga2O3薄膜，衬底温度380～435℃，但是设备昂贵，难以大面积成膜，不利于规模化生产。用射频磁控溅射法在单晶Si(111)衬底上生长β-Ga2O3薄膜，当薄膜退火温度超过900℃时，薄膜转变为多晶态。这些多晶β-Ga2O3薄膜的制备工艺采用单晶蓝宝石、单晶β-Ga2O3、单晶Si(111)做衬底，设备昂贵，反应温度高，成本较高等。
(三)发明内容：
本发明针对现有制备多晶β-Ga2O3薄膜的方法存在的不足，提出一种在玻璃衬底上制备多晶β-Ga2O3薄膜的方法。本方法具有操作简单、反应温度低、玻璃衬底价格便宜、成本低、生产效率高等优点。
本发明的技术方案如下：
在平板玻璃上沉积多晶β-Ga2O3薄膜的方法，步骤如下：
(1)将纯度为99.99WT％的Ga2O3粉末在55～65MPa的压强下压制成Φ60mm-4mm的胚体，送入高温烧结炉，在空气中1300～1400℃下烧结720～900分钟，烧制成Ga2O3靶材。
(2)将步骤(1)的靶材和清洗过的基片送入射频磁控溅射仪，溅射制备Ga2O3薄膜。溅射室基础真空为6×10-4Pa，溅射气体为氩气，溅射气体氩气压强为0.2～2Pa，溅射偏压-40～-100V，溅射功率为40～150W，基片温度为室温，溅射时间为20～90分钟，膜厚为100～440nm。
(3)将步骤(2)中沉积的Ga2O3薄膜移入退火炉中在空气中进行退火处理，退火温度为400～550℃，退火时间为50～80分钟，即形成具有多晶结构的β-Ga2O3薄膜。
上述步骤(1)中制备靶材时，Ga2O3粉末压制成型时间是20～30分钟。
上述步骤(2)中基片是载玻片，对基片用超声波化学清洗。
上述步骤(2)中溅射气体氩气的纯度为99.99％。
为了降低Ga2O3薄膜的结晶温度，本发明采用偏压射频磁控溅射技术，衬底负偏压可以吸引等离子体中的正离子轰击正在生长的薄膜，将薄膜中键合比较弱的分子在薄膜中剥离掉，在薄膜中留下的则是键合强的分子。
本发明较佳的制备条件如下：
基板温度为室温，氩气压强为0.5Pa，溅射功率120W，溅射偏压为-100V，退火温度450℃，退火时间60分钟。
本发明方法制得的多晶β-Ga2O3薄膜厚度为100～440nm，并可根据需要，通过控制溅射时间来调节薄膜厚度。
本发明的方法与现有技术相比优良效果如下：
现有技术制备多晶β-Ga2O3薄膜采用单晶蓝宝石、单晶β-Ga2O3、单晶Si(111)做衬底，本发明的方法制备多晶β-Ga2O3薄膜采用普通玻璃做衬底，价格便宜，易于大面积成膜。与金属有机化学气相沉积法相比，设备简单便宜，退火温度低，原料价格便宜、无毒。与分子束外延法相比，工艺简单，设备便宜，生长速度快，生长温度低。与脉冲激光沉淀法相比，设备简单便宜，易于大面积成膜。与射频磁控溅射法相比，Ga2O3薄膜退火晶化温度明显降低。
(四)附图说明：
图1实施例1中溅射制备的多晶β-Ga2O3薄膜的XRD谱。
图2实施例2中溅射制备的多晶β-Ga2O3薄膜的XRD谱。
图3实施例3中溅射制备的多晶β-Ga2O3薄膜的XRD谱。
图4实施例4中溅射制备的多晶β-Ga2O3薄膜的XRD谱。
(五)具体实施方式：下面对本发明的具体实施方式作详细说明：
实施例1：
(1)将纯度为99.99WT％的Ga2O3粉末在60MPa的压强下压制25分钟，制成Φ60mm-4mm的胚体，送入高温烧结炉，在空气中1350℃下烧结800分钟，烧制成Ga2O3靶材。
(2)选用载玻片作为基片，对基片用超声波化学清洗。将步骤(1)的靶材和清洗过的基片送入射频磁控溅射仪，溅射室基础真空为6×10-4Pa，溅射气体氩气纯度99.99％，氩气压强为0.5Pa，溅射功率120W，溅射偏压为-100V，基片温度为室温，Ga2O3薄膜厚度440nm。
(3)将步骤(2)中制备的Ga2O3薄膜移入退火炉中，在空气中进行退火处理，退火温度为450℃，退火时间60分钟。
所制备的多晶β-Ga2O3薄膜的XRD谱如图1所示。由图中可以看到，薄膜具有明显的β-Ga2O3 
峰、
峰和
峰，说明薄膜已经形成很好的单斜晶系结构。
实施例2：
如实施例1所述，所不同的是步骤(1)中Ga2O3粉末在55MPa的压强下压制30分钟，Ga2O3靶材的烧结温度1400℃，烧结时间720分钟。步骤(2)中溅射气体氩气压强0.2Pa，溅射功率150W，溅射偏压-60V，Ga2O3薄膜厚度380nm。步骤(3)中退火温度为550℃，退火时间50分钟。
所制备的多晶β-Ga2O3薄膜的XRD谱如图2所示，由图中可以看到，薄膜具有明显的β-Ga2O3(004)峰、峰、
峰和峰，说明薄膜已经形成很好的单斜晶系结构。
实施例3：
如实施例1所述，所不同的是步骤(1)中Ga2O3粉末在65MPa的压强下压制20分钟，Ga2O3靶材的烧结温度1300℃，烧结时间900分钟。步骤(2)中溅射气体氩气压强2Pa，溅射功率40W，溅射偏压-40V，Ga2O3薄膜厚度300nm。步骤(3)中退火温度为500℃，退火时间80分钟。
所制备的多晶β-Ga2O3薄膜的XRD谱如图3所示，由图中可以看到，薄膜具有明显的β-Ga2O3 
峰，说明薄膜已经形成单斜晶系结构。
实施例4：
如实施例1所述，所不同的是步骤(2)中溅射偏压-80V，Ga2O3薄膜厚度100nm，步骤(3)中Ga2O3薄膜退火温度400℃。所制备的多晶β-Ga2O3薄膜的XRD谱如图4所示，由图中可以看到，薄膜具有明显的β-Ga2O3 
峰，说明薄膜已经形成单斜晶系结构。
Claims (5)
1.在平板玻璃上沉积多晶β-Ga2O3薄膜的方法，步骤如下：
(1)将纯度为99.99WT％的Ga2O3粉末在55～65MPa的压强下压制成Φ60mm-4mm的胚体，送入高温烧结炉，在空气中1300～1400℃下烧结720～900分钟，烧制成Ga2O3靶材。
(2)将步骤(1)的靶材和清洗过的基片送入射频磁控溅射仪，溅射制备Ga2O3薄膜。溅射室基础真空6×10-4Pa，溅射气体为氩气，溅射气体氩气压强0.2～2Pa，溅射偏压-40～-100V，溅射功率40～150W，溅射时间20～90分钟，膜厚100～440nm。
(3)将步骤(2)中沉积的Ga2O3薄膜移入退火炉中在空气中进行退火处理，退火温度为400～550℃，退火时间为50～80分钟，即形成具有多晶结构的β-Ga2O3薄膜。
2.如权利要求1所述的在平板玻璃上沉积多晶β-Ga2O3薄膜的方法，其特征在于，所述步骤(1)中制备靶材时，Ga2O3粉末压制成型时间20～30分钟。
3.如权利要求1所述的在平板玻璃上沉积多晶β-Ga2O3薄膜的方法，其特征在于，所述步骤(2)中基片是载玻片，对基片用超声波化学清洗。
4.如权利要求1所述的在平板玻璃上沉积多晶β-Ga2O3薄膜的方法，其特征是基片温度为室温。
5.如权利要求1所述的在平板玻璃上沉积多晶β-Ga2O3薄膜的方法，其特征在于，所述步骤(2)中氩气的纯度为99.99％。
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