CN105624782B - 一种氧化镓薄膜的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种氧化镓薄膜的制备方法，包括如下步骤：步骤1，将镓源放入反应舟内，反应舟放入石英反应管内；步骤2，将清洗、吹干后的衬底放在衬底托上，放入石英反应管内；步骤3，打开镓源气路，让惰性气体通过反应舟进入石英反应管，反应舟的出口正对衬底表面；步骤4，打开氧源气路，让惰性气体携带氧源进入石英反应管；步骤5，加热石英反应管；加热石英反应管内的反应舟和衬底；步骤6，调节反应舟和衬底的工作温度，设定生长时间，在衬底上沉积氧化镓薄膜，完成制备。利用本发明的方法，可以采用工业原料镓和碘作为原材料，选用商品化的蓝宝石和硅作为衬底，在常压条件下制备氧化镓薄膜。

Description

一种氧化镓薄膜的制备方法
技术领域
本发明属于半导体技术领域，具体涉及一种氧化镓薄膜的制备方法。
背景技术
氧化镓是金属镓的氧化物，带隙很宽达到4.8～5.0eV，属于单斜晶体，是一种重要的宽带隙透明导电氧化物材料，在光电子器件方面有广阔的应用前景。
目前，氧化镓在半导体光电技术领域，如液晶显示器、太阳能电池、白光照明、功率电子器件、紫外传感器、日盲探测器等尖端先进领域都已显露出重要的应用价值。它还可以用作O2化学探测器。
目前，氧化镓体单晶衬底还没有大工业生产，价高难得。氧化镓器件还需要通过各种薄膜生长技术来制备。制备氧化镓薄膜的方法很多，几乎所有常用的薄膜生长技术都尝试过氧化镓的制备。所采用的生长方法主要有：脉冲激光沉积法PLD、溶胶-凝胶法、化学气相沉积法CVD、金属有机物化学气相淀积MOCVD和磁控溅射法等。
但上述方法有的存在设备昂贵，原料昂贵，需要高真空条件等问题，有的存在制备出的是非晶或多晶氧化镓薄膜，得不到外延薄膜的问题，有的需要特殊的缓冲层或插入层材料。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明的目的在于提供一种氧化镓的薄膜制备方法，采用工业原料镓和碘作为原材料，选用商品化的蓝宝石和硅作为衬底，在常压条件下制备氧化镓薄膜。
(二)技术方案
根据本发明提出的氧化镓薄膜的制备方法，包括如下步骤：步骤1，将镓源放入反应舟内，反应舟放入石英反应管内；步骤2，将清洗、吹干后的衬底放在衬底托上，放入石英反应管内；步骤3，打开镓源气路，让惰性气体通过反应舟进入石英反应管，反应舟的出口正对衬底表面；步骤4，打开氧源气路，让惰性气体携带氧源进入石英反应管；步骤5，加热石英反应管，加热石英反应管内的反应舟和衬底。石英管的工作温度不得高于1100℃，衬底的工作温度也不得高于1100℃；步骤6，调节反应舟和衬底的工作温度，设定生长时间，在衬底上沉积氧化镓薄膜，完成制备。
优选地，所述的镓源为金属镓颗粒和单质碘。
优选地，所述金属镓颗粒是通过冷却法制备的，将金属镓放入塑料容器中，加热金属镓熔化，从容器的口挤出镓滴到纯净水制备的冰水混合液中，冷却得到金属镓颗粒，于干燥低于熔点温度保存待用。
优选地，所述金属镓颗粒的大小为0.5mm-1cm。
优选地，所述的衬底为蓝宝石或硅衬底。
优选地，所述的氧源为一种含氧气体或多种含氧气体的混合气体。
优选地，所述的惰性气体为氮气、氩气、氦气、氖气，或其混合惰性气体。
优选地，所述的镓源气路和氧源气路各自独立，在反应舟的出口氧源气路和镓源气路开始相遇混合。
优选地，反应舟的出口距离衬底表面0.5cm-5cm。
优选地，衬底的工作温度在600℃～1000℃。
优选地，衬底的工作温度在700℃～900℃。
(三)有益效果
本发明的有意效果在于：1)采用易得的工业原料金属镓和单质碘作为原料，选用商品化的蓝宝石衬底或硅衬底，在常压条件下通过气相沉积反应制备出氧化镓薄膜；2)通过冷却法制备金属镓颗粒，使得镓和碘混合更加均匀，增加了反应面积，提高了反应效率；3)通过优化生长条件，可以制备出氧化镓单晶薄膜；4)所用的设备要求简单，不需要昂贵的真空设备，不需要昂贵的原料，不需要稀有的衬底材料或插入层材料，不需要额外的特殊能源，具有大工业生产的潜力。
附图说明
图1是在蓝宝石衬底上制备的氧化镓薄膜的XRD衍射图；
图2是在硅衬底上制备的氧化镓薄膜的XRD衍射图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
本发明提出了一种氧化镓薄膜的制备方法，包括如下步骤：
步骤1，将镓源放入反应舟内，反应舟放入石英反应管内。镓源为金属镓颗粒和单质碘。金属镓颗粒是通过冷却法制备的，将金属镓放入塑料容器中，加热金属镓熔化，从容器的口挤出镓滴到纯净水制备的冰水混合液中，冷却得到金属镓颗粒，于干燥低于熔点温度保存待用，金属镓颗粒的大小由容器出口的大小决定。金属镓颗粒的大小为0.5mm-1cm。
步骤2，将清洗、吹干后的衬底放在衬底托上，放入石英反应管内。衬底为蓝宝石或硅衬底。
步骤3，打开镓源气路，让惰性气体通过反应舟进入石英反应管，反应舟的出口正对衬底表面。
步骤4，打开氧源气路，让惰性气体携带氧源进入石英反应管。氧源为一种含氧气体或多种含氧气体的混合气体，可以是氧气、水蒸气、一氧化二氮、一氧化氮或二氧化氮，或其混合气体。惰性气体为氮气、氩气、氦气、氖气，或其混合惰性气体。镓源气路和氧源气路各自独立，在反应舟的出口氧源气路和镓源气路开始相遇混合。
步骤5，加热石英反应管；加热石英反应管内的反应舟和衬底。石英管的工作温度不得高于1100℃，衬底的工作温度也不得高于1100℃。反应舟的出口距离衬底表面0.5cm-5cm。
步骤6，调节反应舟和衬底的工作温度，设定生长时间，在衬底上沉积氧化镓薄膜，完成制备。衬底的工作温度在600℃～1000℃，优选地，衬底的工作温度在700℃～900℃。
图1是在蓝宝石衬底上制备的氧化镓薄膜的XRD衍射图；图2是在硅衬底上制备的氧化镓薄膜的XRD衍射图。粉末X射线衍射(XRD)用来检测制备的氧化镓薄膜的晶向和结晶质量。
下面是根据实验给出的几种氧化镓薄膜制备方法的具体示例。
示例1
将大小为0.5mm-2mm的镓颗粒和单质碘颗粒以1镓：4碘的质量比放入反应舟内，反应舟放入石英反应管内；将清洗、吹干后的r-面蓝宝石衬底放在衬底托上，放入石英反应管内；以氮气作为载气通过反应舟进入石英反应管，反应舟的出口距离衬底0.5cm；以氮气作为载气通过50℃的水浴鼓泡瓶进入石英反应管；加热石英反应管，反应舟和衬底；反应舟的温度设定在300℃，衬底的温度设定为600℃，生长10min，在衬底上沉积氧化镓薄膜。
示例2
将大小为0.5mm-5mm的镓颗粒和单质碘颗粒以1镓：2碘的质量比放入反应舟内，反应舟放入石英反应管内；将清洗、吹干后的(100)面硅衬底放在衬底托上，放入石英反应管内；以氩气作为载气通过反应舟进入石英反应管，反应舟的出口距离衬底1cm；以氮气作为载气稀释氧气进入石英反应管；加热石英反应管，反应舟和衬底；反应舟的温度设定在350℃，衬底的温度设定为1000℃，生长10min，在衬底上沉积氧化镓薄膜。
示例3
将大小为2mm-5mm的镓颗粒和单质碘颗粒以2镓：1碘的质量比放入反应舟内，反应舟放入石英反应管内；将清洗、吹干后的c-面蓝宝石衬底放在衬底托上，放入石英反应管内；以氦气作为载气通过反应舟进入石英反应管，反应舟的出口距离衬底3cm；以氦气作为载气稀释氧化一氮进入石英反应管；加热石英反应管，反应舟和衬底；反应舟的温度设定在500℃，衬底的温度设定为700℃，生长10min，在衬底上沉积氧化镓薄膜。
从图1的粉末XRD衍射图中可以看出，除了蓝宝石衬底的41.6°峰外，另外四个峰分别为氧化镓的(-201)，(-402)，(-603)和(-804)晶面的多重衍射峰，表明制备的氧化镓薄膜为单晶材料。
示例4
将大小为5mm-1cm的镓颗粒和单质碘以1镓：1碘的质量比放入反应舟内，反应舟放入石英反应管内；将清洗、吹干后的(110)面硅衬底放在衬底托上，放入石英反应管内；以氖气作为载气通过反应舟进入石英反应管，反应舟的出口距离衬底5cm；以氖气作为载气稀释二氧化氮进入石英反应管；加热石英反应管，反应舟和衬底；反应舟的温度设定在400℃，衬底的温度设定为900℃，生长10min，在衬底上沉积氧化镓薄膜。
从图2的粉末XRD衍射图可以看到，除硅衬底的峰47.2°，其他三个峰分别为氧化镓的(-402)，(-603)和(-804)多重衍射峰，表明制备的氧化镓薄膜为单晶材料。
如前所述，应用本发明技术方案用于制备氧化镓薄膜，但不仅限于此，还包括通过添加掺杂元素用于制备掺杂氧化镓薄膜，通过改变生长条件用于制备纳米低维形态，包括超晶格、量子点、量子线、量子阱结构的氧化镓。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种氧化镓薄膜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，将镓源放入反应舟内，反应舟放入石英反应管内；
步骤2，将清洗、吹干后的衬底放在衬底托上，放入石英反应管内；
步骤3，打开镓源气路，让惰性气体通过反应舟进入石英反应管，反应舟的出口正对衬底表面；
步骤4，打开氧源气路，让惰性气体携带氧源进入石英反应管；
步骤5，加热石英反应管；加热石英反应管内的反应舟和衬底；
步骤6，调节反应舟和衬底的工作温度，设定生长时间，在衬底上沉积氧化镓薄膜，完成制备；
其中，所述的镓源为金属镓颗粒和单质碘，所述金属镓颗粒的大小为0.5mm-1cm。
2.如权利要求1所述的氧化镓薄膜的制备方法，其特征在于，所述金属镓颗粒是通过冷却法制备的，将金属镓放入塑料容器中，加热金属镓熔化，从容器的口挤出镓滴到纯净水制备的冰水混合液中，冷却得到金属镓颗粒，于干燥低于熔点温度保存待用。
3.如权利要求1所述的氧化镓薄膜的制备方法，其特征在于，所述的衬底为蓝宝石或硅衬底。
4.如权利要求1所述的氧化镓薄膜的制备方法，其特征在于，所述的氧源为一种含氧气体或多种含氧气体的混合气体。
5.如权利要求1所述的氧化镓薄膜的制备方法，其特征在于，所述的惰性气体为氮气、氩气、氦气、氖气，或其混合惰性气体。
6.如权利要求1所述的氧化镓薄膜的制备方法，其特征在于，所述的镓源气路和氧源气路各自独立，在反应舟的出口氧源气路和镓源气路开始相遇混合。
7.如权利要求1或6所述的氧化镓薄膜的制备方法，其特征在于，反应舟的出口距离衬底表面0.5cm-5cm。
8.如权利要求1所述的氧化镓薄膜的制备方法，其特征在于，衬底的工作温度在600℃～1000℃。
9.如权利要求1所述的氧化镓薄膜的制备方法，其特征在于，衬底的工作温度在700℃～900℃。
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