CN103352214A - 一种In1-xGaxP（0≤x≤1）/Substrate 薄膜材料的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种制备In_1-xGa_xP（0≤x≤1）/Substrate薄膜材料的方法，以In₂O₃，Ga₂O₃，P₂O₅以及还原萃取剂为原料，加入与固体原料质量50%～100%相当的无水乙醇，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,沉积区加热升温，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，即得到所需薄膜；本发明原料简单，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。

Description

一种In1-xGaxP(0≤x≤1)/Substrate 薄膜材料的制备方法

技术领域

本发明涉及薄膜材料的制备方法，特别是涉及一种In_1-xGa_xP（0≤x≤1）/Substrate薄膜材料的制备方法。 

背景技术

化合物型半导体In_1-xGa_xP（0≤x≤1）材料通常的制备方法是采用昂贵苛刻的物理方法和复杂昂贵的MOCVD方法，前者诸如等离子溅射法，分子束外延法（MBE），电子束蒸发法，脉冲液相沉积法（PLD），磁控溅射法（MSD）等，后者采用镓、铟的昂贵金属有机化合物如液态或气态的三甲基镓、三甲基铟和磷的剧毒化合物如气态磷烷AsH₃反应制备得到In_1-xGa_xP（0≤x≤1）。它们的原理和反应式如下： 

In+P→InP→InP/substrate                         (1) 

(1-x)In+xGa+P→In_1-xGa_xP→In_1-xGa_xP/substrate    (2) 

In(CH₃)₃+PH₃→InP+3CH₄                           (3) 

(1-x)In(CH₃)₃+xGa(CH₃)₃+PH₃→In_1-xGa_xP+3CH₄      (4) 

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In_1-xGa_xP（0≤x≤1）/Substrate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In_1-xGa_xP（0≤x≤1）/Substrate薄膜材料的方法，以In₂O₃，Ga₂O₃， P₂O₅以及还原萃取剂为原料，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In_1-xGa_xP（0≤x≤1）/Substrate薄膜； 

所述的Substrate为：Si、Ge、导电玻璃、不锈钢、导电陶瓷中的一种。 

按摩尔比计：所述的In︰Ga︰P︰还原萃取剂为0.5︰0.5︰1.0︰8.0； 

所述的还原萃取剂选用：活性炭、氢气、氢气-氩气混合气及碳氢化合物中的至少一种。 

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（5）、（6）所示： 

0.5In₂O₃+0.5Ga₂O₃+P₂O₅+8H₂→2In_0.5Ga_0.5P+8H₂O        （5） 

0.5In₂O₃+0.5Ga₂O₃+P₂O₅+8C→2In_0.5Ga_0.5P+8CO          （6） 

上述反应中，生成的CO和H₂O排出即可。 

采用本发明的技术方案以较大规模的制备In_1-xGa_xP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，不需要对其特别处理。 

本发明专利的制备方法与传统的或现有的In_1-xGa_xP（0≤x≤1）/Substrate制备方法的主要工艺参数比较如下表1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 

本发明的有益效果在于：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，且易于大规模制备。

具体实施方式

下面结合具体实施例，对本发明做详细的描述。 

实施例1 

用万分之一电子分析天平准确称取In₂O₃，Ga₂O₃，P₂O₅，活性炭C，按摩尔比In︰Ga︰P︰C=0.5︰0.5︰1.0︰8.0的比例均匀混合研磨，加入与固体原料质量50%相当的无水乙醇，仔细研磨均匀后，用10MPa的压力将其压成厚度为1mm 的圆片，然后将其放置于反应器中，用高纯氮气抽真空置换到氧气浓度为ppm级，然后再用Ar+H₂混合气体（含H₂体积百分比为10%）抽真空置换1~2次，沉积所需基片经过处理后预先放置于反应器内指定位置。然后抽真空至1mmHg左右，升温速度控制在5℃/min，开始加热升温至反应区1200℃,沉积区600℃，恒温3h，其间保持真空度不小于-0.08MPa。然后自然降温至室温，充入高纯Ar+H₂混合气体至常压后打开尾气阀门，再打开反应器，取出沉积基片，即得到In_0.5Ga_0.5P/substrate薄膜。薄膜经过Philips PMD Pro XRD衍射仪分析为结晶较好的纯In_0.5Ga_0.5P物相。 

实施例2 

用万分之一电子分析天平准确称取In₂O₃，Ga₂O₃，P₂O₅，活性炭C，按摩尔比In︰Ga︰P︰C=0.2︰0.8︰1.0︰8.0的比例均匀混合研磨，加入与固体原料质量100%相当的无水乙醇，仔细研磨均匀后，用15MPa的压力将其压成厚度为3mm的方片，然后将其放置于反应器中，用高纯氮气抽真空置换到氧气浓度为ppm级，然后再用Ar+H₂混合气体（含H₂体积百分比为30%）抽真空置换2次，沉积所需基片经过处理后预先放置于反应器内指定位置。然后抽真空至1mmHg左右，升温速度控制在10℃/min，开始微波加热升温至反应区1250℃,沉积区800℃，恒温4h，其间保持真空度不小于-0.08MPa。然后自然降温至室温，充入高纯Ar+H₂混合气体至常压后打开尾气阀门，再打开反应器，取出沉积基片，即得到In_0.2Ga_0.8P/substrate薄膜。 

实施例3 

用万分之一电子分析天平准确称取In₂O₃，Ga₂O₃，P₂O₅，活性炭C，按摩尔比In︰Ga︰P︰C=0.8︰0.2︰1.0︰8.0的比例均匀混合研磨，加入与固体原料质 量70%相当的无水乙醇，仔细研磨均匀后，用13MPa的压力将其压成厚度为10mm的圆片，然后将其放置于反应器中，用高纯氮气抽真空置换到氧气浓度为ppm级，然后再用Ar+H₂混合气体（含H₂体积百分比为20%）抽真空置换2次，沉积所需基片经过处理后预先放置于反应器内指定位置，然后抽真空至1mmHg左右，升温速度控制在8℃/min,开始加热升温至反应区1230℃,沉积区700℃，恒温4h，其间保持真空度不小于-0.08MPa。然后自然降温至室温，充入高纯Ar+H₂混合气体至常压后打开尾气阀门，再打开反应器，取出沉积基片，即得到In_0.8Ga_0.2P/substrate薄膜。 

如果产物的物相不纯，可以采用高纯氢气(H₂)进行纯化处理，得到高纯度的In_1-xGa_xP/substrate薄膜。 

Claims (4)

1.一种制备In_1-xGa_xP（0≤x≤1）/Substrate薄膜材料的方法，其特征在于：以In₂O₃，Ga₂O₃，P₂O₅以及还原萃取剂为原料，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In_1-xGa_xP（0≤x≤1）/Substrate薄膜；

所述的Substrate为：Si、Ge、导电玻璃、不锈钢、导电陶瓷中的一种。

2.根据权利要求1所述的一种制备In_1-xGa_xP（0≤x≤1）/Substrate薄膜材料的方法，其特征在于：按摩尔比计：所述的In︰Ga︰P︰还原萃取剂为0.5︰0.5︰1.0︰8.0。

3.根据权利要求1或2所述的一种制备In_1-xGa_xP（0≤x≤1）/Substrate薄膜材料的方法，其特征在于：所述的还原萃取剂选用：活性炭、氢气、氢气-氩气混合气及碳氢化合物中的至少一种。

4.根据权利要求1所述的一种制备In_1-xGa_xP（0≤x≤1）/Substrate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%。