CN114686845B - 一种GaS薄膜及其制备方法和应用 - Google Patents
一种GaS薄膜及其制备方法和应用 Download PDFInfo
- Publication number
- CN114686845B CN114686845B CN202210256740.6A CN202210256740A CN114686845B CN 114686845 B CN114686845 B CN 114686845B CN 202210256740 A CN202210256740 A CN 202210256740A CN 114686845 B CN114686845 B CN 114686845B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- gas
- thin film
- heating furnace
- physical confinement
- substrate
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title claims abstract description 23
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims abstract description 120
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 58
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 claims abstract description 29
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 28
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 claims abstract description 9
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 9
- 239000013078 crystal Substances 0.000 claims abstract description 4
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 67
- 239000010409 thin film Substances 0.000 claims description 53
- 239000010408 film Substances 0.000 claims description 42
- 239000000843 powder Substances 0.000 claims description 29
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 14
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims description 11
- 239000012159 carrier gas Substances 0.000 claims description 8
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 238000004377 microelectronic Methods 0.000 claims description 6
- 239000010453 quartz Substances 0.000 claims description 6
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 230000005693 optoelectronics Effects 0.000 claims description 3
- 229910018072 Al 2 O 3 Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 claims description 2
- 238000002425 crystallisation Methods 0.000 abstract description 7
- 230000008025 crystallization Effects 0.000 abstract description 7
- 125000004435 hydrogen atom Chemical class [H]* 0.000 abstract 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 18
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 12
- 239000000463 material Substances 0.000 description 11
- 230000006911 nucleation Effects 0.000 description 10
- 238000010899 nucleation Methods 0.000 description 10
- 125000004429 atom Chemical group 0.000 description 9
- TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoalumanyloxy)alumane Chemical compound O=[Al]O[Al]=O TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N aluminium oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 238000013508 migration Methods 0.000 description 6
- 230000005012 migration Effects 0.000 description 6
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 5
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 5
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 description 5
- 230000035484 reaction time Effects 0.000 description 4
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 4
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 4
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 239000002243 precursor Substances 0.000 description 3
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000001237 Raman spectrum Methods 0.000 description 2
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 2
- 239000002135 nanosheet Substances 0.000 description 2
- 239000000047 product Substances 0.000 description 2
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 2
- 238000012876 topography Methods 0.000 description 2
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 239000003153 chemical reaction reagent Substances 0.000 description 1
- 230000000295 complement effect Effects 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 1
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 1
- 238000004299 exfoliation Methods 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 230000005669 field effect Effects 0.000 description 1
- 239000012467 final product Substances 0.000 description 1
- -1 fluorophlogopite Chemical compound 0.000 description 1
- 229910021389 graphene Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 1
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 description 1
- 239000002356 single layer Substances 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 230000008022 sublimation Effects 0.000 description 1
- 238000000859 sublimation Methods 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
- C23C16/22—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the deposition of inorganic material, other than metallic material
- C23C16/30—Deposition of compounds, mixtures or solid solutions, e.g. borides, carbides, nitrides
- C23C16/305—Sulfides, selenides, or tellurides
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
- H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
- H01L21/02104—Forming layers
- H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
- H01L21/02518—Deposited layers
- H01L21/02521—Materials
- H01L21/02568—Chalcogenide semiconducting materials not being oxides, e.g. ternary compounds
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
- H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
- H01L21/02104—Forming layers
- H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
- H01L21/02518—Deposited layers
- H01L21/0257—Doping during depositing
- H01L21/02573—Conductivity type
- H01L21/02579—P-type
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
- H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
- H01L21/02104—Forming layers
- H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
- H01L21/02518—Deposited layers
- H01L21/02587—Structure
- H01L21/0259—Microstructure
- H01L21/02595—Microstructure polycrystalline
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
- H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
- H01L21/02104—Forming layers
- H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
- H01L21/02612—Formation types
- H01L21/02617—Deposition types
- H01L21/0262—Reduction or decomposition of gaseous compounds, e.g. CVD
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/02—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/12—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by the materials of which they are formed
- H01L29/24—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by the materials of which they are formed including, apart from doping materials or other impurities, only semiconductor materials not provided for in groups H01L29/16, H01L29/18, H01L29/20, H01L29/22
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Ceramic Engineering (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
Abstract
本发明公开了一种GaS薄膜及其制备方法和应用，所述GaS薄膜的制备方法，包括以下步骤：采用化学气相沉积法，Ga2S3蒸气经过氢气还原后，在物理限域结构中的衬底上吸附、成核、晶核成长，制得所述GaS薄膜；所述物理限域结构包括两片上下平行设置的衬底。本发明提供的GaS薄膜的制备方法通过采用CVD法和物理限域结构相结合，实现制备出的GaS薄膜的厚度可控、结晶良好、生长均匀，该制备方法简单易操作，成本低廉，适用于大批量推广应用。本发明通过优化CVD工艺参数和空间限域间距，制备出厚度在0.1μm‑30μm内可调的、结晶良好的、生长均匀的GaS薄膜。
Description
技术领域
本发明涉及半导体领域，具体涉及一种GaS薄膜及其制备方法和应用。
背景技术
GaS是一种带隙可达3.1eV的宽禁带单层半导体材料，同时是罕见的p型层状半导体材料。GaS以其较高的载流子迁移率、较低的关态电流，在光探测器和晶体管等方面具有潜在的应用，因此，制备生长均匀、厚度可控和结晶良好的GaS薄膜具有很重要的意义。
自2001年石墨烯机械剥离以来，石墨烯层状材料以其优异的光电特性引起了科学家的广泛关注。但是机械剥离法存在的不可重复、不可量产等缺点，限制了层状半导体材料在光电子领域、微电子领域的实际应用。而化学气相沉积法(CVD)具有简单通用、大规模量产的特点，所以研究CVD法制备层状半导体材料的工艺具有很重要的现实意义。目前大量的文献报道了CVD法制备层状半导体材料，但是，现有的CVD法制备的层状半导体材料的衬底上生长薄膜的颜色和厚度随着气流方向的变化而变化，即CVD法制备层状半导体材料具有材料不均一性、厚度不可控等缺点。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的问题，本发明的目的之一在于提供一种GaS薄膜的制备方法，该制备方法可以获得厚度可控、结晶良好、生长均匀的GaS薄膜。
本发明的目的之二在于提供一种GaS薄膜。
本发明的目的之三在于提供一种GaS薄膜在光电子领域或微电子领域中的应用。
为了实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：
本发明的第一个方面在于提供一种GaS薄膜的制备方法，包括以下步骤：
采用化学气相沉积法，Ga2S3蒸气经过氢气还原后，在物理限域结构中的衬底上吸附、成核、晶核成长，制得所述GaS薄膜；所述物理限域结构包括两片上下平行设置的衬底。两片衬底之间具有间距，两片衬底之间的间距即为物理限域结构中的空间限域间距d。
本发明采用Ga2S3蒸气与氢气在衬底上发生沉积反应，Ga2S3蒸气被氢气还原，从而生成GaS，Ga2S3蒸气是由Ga2S3粉末加热升华获得，采用具有单温区的加热炉(即具有单个加热区域的加热炉)即可实现GaS薄膜的制备，设备成本更加低廉。此外，本发明的发明人经过反复实验发现：只有采用Ga2S3蒸气与氢气作为反应气源才能制备出GaS薄膜，若采用Ga粉和S粉作为原料反应蒸气的来源，需要采用具有双温区的加热炉(即具有两个加热区域的加热炉)，设备成本更高，制备工艺复杂，且由于原料反应蒸气中Ga的含量和S的含量不可控，无法制备出纯度较高的GaS薄膜，制得的产物中含有大量的Ga2S3杂质，从而无法实现制备出高纯的GaS半导体薄膜的需求。
此外，本发明通过在GaS薄膜的制备工艺中引入物理限域空间结构，利用物理限域空间结构的特殊结构，实现控制物质质量输运效率，使Ga2S3蒸气与氢气能够充分的在衬底上进行沉积和还原，从而制备出纯度较高的GaS薄膜，并能实现控制GaS薄膜厚度的目的。
优选地，所述物理限域结构还包括石英管和两根矩形棒；所述石英管内上下平行设置两片衬底，两片衬底之间平行设置两根矩形棒。
优选地，所述石英管平行于化学气相沉积法中的气流方向。
优选地，所述矩形棒平行于化学气相沉积法中的气流方向。
优选地，所述矩形棒的材质为氧化铝、氟金云母、硅片、SiO2/Si、GaN片中的至少一种。
优选地，所述反应在加热炉内进行；进一步优选地，所述反应在具有单温区的加热炉内进行；再进一步优选地，所述具有单温区的加热炉为单温区管式炉。
优选地，所述加热炉的加热区域位于加热炉中心，加热炉中心位置的温度高于加热炉边缘位置的温度，将本发明中的Ga2S3粉末放置在加热炉中心位置，通过加热区域进行加热，使Ga2S3粉末升华变成Ga2S3蒸气，Ga2S3蒸气经氢气还原并经载气体输送至位于加热炉边缘位置处的物理限域结构进行沉积反应，物理限域结构位于加热炉边缘位置，其所处的环境的温度低于加热炉中心的加热区域，从而使还原后的Ga2S3蒸气能够沉积在物理限域结构上的衬底上并进一步反应，从而制备出GaS薄膜。
优选地，所述Ga2S3蒸气是由加热炉内的Ga2S3粉末升华而制得。
优选地，所述Ga2S3粉末的纯度为99.99％。
优选地，所述Ga2S3粉末的用量为0.05～0.25g；进一步优选地，所述Ga2S3粉末的用量为0.1～0.25g；再进一步优选地，所述Ga2S3粉末的用量为0.1～0.2g。
优选地，所述Ga2S3粉末距物理限域结构中的衬底的距离为12～18cm；进一步优选地，所述Ga2S3粉末距物理限域结构中的衬底的距离为12～16cm；再进一步优选地，所述Ga2S3粉末距物理限域结构中的衬底的距离为12～14cm。
优选地，所述物理限域结构位于加热炉内；进一步优选地，所述物理限域结构位于加热炉边缘位置。物理限域结构的位置处的温度低于加热炉加热中心位置处的温度，从而能够实现沉积反应。
优选地，所述物理限域结构距加热炉的内壁之间的距离为4～6cm；进一步优选地，所述物理限域结构距加热炉的内壁之间的距离为5～6cm。物理限域结构位于加热炉内壁与Ga2S3粉末之间。本发明通过控制物理限域结构和加热炉的内壁之间的距离，进而调节反应蒸气在衬底上的沉积温度。
优选地，所述化学气相沉积法中的温度为890-970℃；进一步优选地，所述化学气相沉积法中的温度为900-970℃；再进一步优选地，所述化学气相沉积法中的温度为930-970℃。
优选地，所述化学气相沉积法中的压力为800-5000Pa；进一步优选地，所述化学气相沉积法中的压力为1000-5000Pa；再进一步优选地，所述化学气相沉积法中的压力为1000-3000Pa。
优选地，所述化学气相沉积法所需时间为25-45min；进一步优选地，所述化学气相沉积法所需时间为30-45min；再进一步优选地，所述化学气相沉积法所需时间为30-40min。
优选地，所述化学气相沉积法中，所使用的载气体为Ar。
优选地，所述Ar的流量为12-40sccm；进一步优选地，所述Ar的流量为20-40sccm；再进一步优选地，所述Ar的流量为20-30sccm。
优选地，所述氢气的流量为15-75sccm；进一步优选地，所述氢气的流量为20-60sccm；再进一步优选地，所述氢气的流量为40-60sccm。
优选地，所述衬底为Al2O3、Si、SiO2/Si、GaN、InGaN中的至少一种。
优选地，所述衬底的尺寸为2cm×2cm。
优选地，所述两片衬底之间的间距为0.01-0.3cm；进一步优选地，所述两片衬底之间的间距为0.03-0.2cm；再进一步优选地，所述两片衬底之间的间距为0.1-0.2cm。两片衬底之间的间距即为物理限域结构的空间限域间距d。
优选地，所述GaS薄膜的生长速度为：12～30μm/h；进一步优选地，所述GaS薄膜的生长速度为：12～25μm/h；再进一步优选地，所述GaS薄膜的生长速度为：12～20μm/h。
本发明的反应过程如下：
本发明采用CVD法制备GaS薄膜的生长动力学分为五个过程：(1)固态前驱体(Ga2S3粉末)升华为蒸气并通过载气流(Ar气流)传输和氢气；(2)前驱体蒸气源(Ga2S3蒸气)吸附到衬底表面并进行沉积反应；(3)吸附在衬底上的原子迁移成核；(4)吸附原子不断附着到成核点处并生长；(5)过量的吸附原子解吸为气相。本发明通过降低空间限域间距d，降低了物质质量输运效率，进而减小了衬底表面的前驱体浓度，原子沿着衬底平行方向的迁移生长速率比其质量输运速率更快。材料生长由反应限制生长转变为扩散限制生长，因而，本发明可以获得生长均匀、厚度可控和结晶良好的GaS半导体薄膜。
本发明的第二个方面在于提供一种GaS薄膜，采用本发明第一个方面提供的方法制得。
优选地，所述GaS薄膜是由三角形的GaS纳米片堆叠而成的薄膜。
优选地，所述薄膜为连续薄膜。
优选地，所述薄膜为多晶薄膜。
本发明的第三个方面在于提供GaS薄膜在光电子领域或微电子领域应用。
优选地，所述微电子领域包括场效应晶体管。
本发明的有益效果是：本发明提供的GaS薄膜的制备方法通过采用CVD法和物理限域结构相结合，实现制备出的GaS薄膜的厚度可控、结晶良好、生长均匀，该制备方法简单易操作，成本低廉，适用于大批量推广应用。
此外，本发明通过优化CVD工艺参数和空间限域间距，制备出厚度在0.1μm-30μm内可调的、结晶良好的、生长均匀的GaS薄膜，进而为GaS薄膜在光电子领域、微电子领域的潜在应用作了铺垫。
附图说明
图1为实施例1的物理限域空间结构的结构示意图。
图2为实施例1中加热炉的结构示意图。
图3为实施例1中制得的GaS薄膜的Raman光谱图。
图4为实施例1中制得的GaS薄膜的XRD结构图。
图5为实施例1中制得的GaS薄膜的SEM形貌图。
图6为实施例1中制得的GaS薄膜的SEM截面图。
图7为实施例2中制得的GaS薄膜的SEM截面图。
图8为实施例3中制得的GaS薄膜的SEM截面图。
图9为实施例4中制得的GaS薄膜的SEM截面图。
图10为实施例4～7中的GaS薄膜厚度与空间限域间距的关系图。
图11为实施例3中制得的GaS薄膜的转移特性曲线。
图12为实施例3中制得的GaS薄膜的输出特性曲线。
具体实施方式
以下结合附图和实例对本发明的具体实施作进一步详细说明，但本发明的实施和保护不限于此。需要指出的是，以下若为有未特别详细说明之过程，均是本领域技术人员可参照现有技术实现或理解的。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，视为可以通过市售购买得到的常规产品。
加热炉的型号为：OTF-1200X，厂家为：合肥科晶材料技术有限公司。
实施例1～4中的GaS薄膜制备时使用的物理限域空间结构如下：
构建物理限域空间结构：具体为两片2cm×2cm衬底(上衬底2，下衬底4，上衬底2和下衬底4的材质均为二氧化硅)上下层叠设置，在两片衬底之间设置两根相互平行设置的氧化铝长方体棒子1，两根氧化铝长方体棒子1分别位于上衬底2和下衬底4的两端，两片衬底和两根氧化铝长方形棒子1合围在一起形成长方体空腔，长方体空腔内用于生长GaS薄膜；将两片衬底和两根氧化铝长方形棒子1组成的结构放置在石英管3内，进而形成物理限域空间结构(物理限域空间结构的结构示意图如图1所示)。
实施例1
本例中的GaS薄膜采用以下制备方法制得，具体包括以下步骤：
(1)将0.2g的Ga2S3粉末放入加热炉内；加热炉的结构见图2所示，将物理限域空间结构放入加热炉内，Ga2S3粉末距物理限域空间结构中的衬底的距离为L1；该物理限域空间结构距加热炉边缘的距离为L2。两根氧化铝长方形棒子平行于气流方向，氧化铝长方形棒子的尺寸为h(高度)×0.3cm×2.5cm；h即为物理限域空间结构的空间限域间距d。
(2)设置加热炉的参数：设置反应温度T＝955℃；升温速率为20℃/min；当加热炉内气温为800℃时开始通入气体，反应气压p＝1000Pa；Ar流量大小为15sccm；H2流量大小为30sccm；L1＝12cm；L2＝5.5cm；反应时间为35min；空间限域间距d＝525μm。
(3)启动加热炉，从加热炉一侧的气体进口通入Ar气体和氢气的混合气；Ga2S3粉末升华为蒸气并通过载气流传输至物理限域空间结构内，Ga2S3蒸气吸附到衬底表面，在衬底上进行原子迁移成核，吸附原子不断附着到成核点并生长，进而在衬底表面形成GaS薄膜。
图3是本例中制得的GaS薄膜的Raman光谱图，图4是本例制得的GaS薄膜的XRD结构图；由图3和图4可以看出，本例成功制备出了GaS薄膜，且制得的GaS薄膜纯度较高。图5是本例制得的GaS薄膜的SEM形貌图，由图5可以看出，GaS薄膜是由三角形的GaS纳米片堆叠在一起而形成的连续多晶薄膜。图6是本例制得的GaS薄膜的SEM截面图，由图6可知，本例制得的GaS薄膜厚度为8μm。
实施例2
本例中的GaS薄膜采用以下制备方法制得，具体包括以下步骤：
(1)将0.15g的Ga2S3粉末放入加热炉内；加热炉的结构见图2所示，将物理限域空间结构放入加热炉内，Ga2S3粉末距物理限域空间结构中的衬底的距离为L1；该物理限域空间结构距加热炉边缘的距离为L2。两根氧化铝长方形棒子平行于气流方向，氧化铝长方形棒子的尺寸为h(高度)×0.3cm×2.5cm；h即为物理限域空间结构的空间限域间距d。
(2)设置加热炉的参数：设置反应温度T＝940℃；升温速率为20℃/min；当加热炉内气温为800℃时开始通入气体，反应气压p＝2000Pa；Ar流量大小为20sccm；H2流量大小为40sccm；L1＝15cm；L2＝4cm；反应时间为30min；空间限域间距d＝1100μm。
(3)启动加热炉，从加热炉一侧的气体进口通入Ar气体和氢气的混合气；Ga2S3粉末升华为蒸气并通过载气流传输至物理限域空间结构内，Ga2S3蒸气吸附到衬底表面，在衬底上进行原子迁移成核，吸附原子不断附着到成核点并生长，进而在衬底表面形成GaS薄膜。
图7是本例制得的GaS薄膜的SEM截面图。
实施例3
本例中的GaS薄膜采用以下制备方法制得，具体包括以下步骤：
(1)将0.10g的Ga2S3粉末放入加热炉内；加热炉的结构见图2所示，将物理限域空间结构放入加热炉内，Ga2S3粉末距物理限域空间结构中的衬底的距离为L1；该物理限域空间结构距加热炉边缘的距离为L2。两根氧化铝长方形棒子平行于气流方向，氧化铝长方形棒子的尺寸为h(高度)×0.3cm×2.5cm；h即为物理限域空间结构的空间限域间距d。
(2)设置加热炉的参数：设置反应温度T＝925℃；升温速率为20℃/min；当加热炉内气温为800℃时开始通入气体，反应气压p＝5000Pa；Ar流量大小为12sccm；H2流量大小为20sccm；L1＝16cm；L2＝4.5cm；反应时间为25min；空间限域间距d＝2000μm。
(3)启动加热炉，从加热炉一侧的气体进口通入Ar气体和氢气的混合气；Ga2S3粉末升华为蒸气并通过载气流传输至物理限域空间结构内，Ga2S3蒸气吸附到衬底表面，在衬底上进行原子迁移成核，吸附原子不断附着到成核点并生长，进而在衬底表面形成GaS薄膜。
图8是本例制得的GaS薄膜的SEM截面图。
实施例4
本例中的GaS薄膜采用以下制备方法制得，具体包括以下步骤：
(1)将0.10g的Ga2S3粉末放入加热炉内；加热炉的结构见图2所示，将物理限域空间结构放入加热炉内，Ga2S3粉末距物理限域空间结构中的衬底的距离为L1；该物理限域空间结构距加热炉边缘的距离为L2。两根氧化铝长方形棒子平行于气流方向，氧化铝长方形棒子的尺寸为h(高度)×0.3cm×2.5cm；h即为物理限域空间结构的空间限域间距d。
(2)设置加热炉的参数：设置反应温度T＝930℃；升温速率为20℃/min；当加热炉内气温为800℃时开始通入气体，反应气压p＝1000Pa；Ar流量大小为12sccm；H2流量大小为15sccm；L1＝20cm；L2＝5cm；反应时间为30min；空间限域间距d＝350μm。
(3)启动加热炉，从加热炉一侧的气体进口通入Ar气体和氢气的混合气；Ga2S3粉末升华为蒸气并通过载气流传输至物理限域空间结构内，Ga2S3蒸气吸附到衬底表面，在衬底上进行原子迁移成核，吸附原子不断附着到成核点并生长，进而在衬底表面形成GaS薄膜。
图9是本例制得的GaS薄膜的SEM截面图，由图9可知，本例制得的GaS薄膜的厚度为6μm。
实施例5
本例中的GaS薄膜的制备方法与实施例4的不同之处在于：空间限域间距d＝525μm，其余制备步骤和工艺参数与实施例4相同，本例制得的GaS薄膜的厚度为7μm。
实施例6
本例中的GaS薄膜的制备方法与实施例4的不同之处在于：空间限域间距d＝1100μm，其余制备步骤和工艺参数与实施例4相同，本例制得的GaS薄膜的厚度为12μm。
实施例7
本例中的GaS薄膜的制备方法与实施例4的不同之处在于：空间限域间距d＝2000μm，其余制备步骤和工艺参数与实施例4相同，本例制得的GaS薄膜的厚度为15μm
实施例4～实施例7中制得的GaS薄膜的厚度与空间限域间距d的关系图如图10所示，由图10可以看出，GaS薄膜的厚度与空间限域间距d之间距离具有一定的关系，可以通过调控空间限域间距d，进而调整GaS薄膜的厚度。
性能测试：
使用半导体分析仪Keysight B1505A分别测试实施例3的GaS薄膜的转移特性曲线和输出特性曲线。实施例3中的GaS薄膜的转移特性曲线(Ids-Vg)如图11所示，其中，栅压Vg从-30V变化到5V，步长为0.1V，Vds为20V。实施例3中的GaS薄膜的输出特性曲线(Ids-Vds)如图12所示，其中，测试范围是0～10V，步长0.1V，Vg的测试范围是-25V～25V，步长10V，图12中的曲线，从上到下依次为：Vg为-25V、Vg为-15V、Vg为-5V、Vg为5V、Vg为15V、Vg为25V时的测试曲线。由图11和图12可以看出：该薄膜晶体管蒸镀的是Ni/Au电极，在Ids-Vg曲线和Ids-Vds曲线中，随着Vg的增大，Ids都减小，GaS呈现p型电导的行为，这与常规的机械剥离法制备得到的n型电导行为相反。在Ids-Vds曲线中，在Vds＝0-2V范围内，Ids随着Vds非线性增大，这是因为此时晶体管导通的电流和仪器的电流噪声相差不大。在Vds＝2-10V范围内，Ids随着Vds线性增大，说明Ni/Au电极中的Ni和GaS之间的接触呈现良好的欧姆接触。图11和图12可以相互补充的说明GaS是p型的半导体薄膜，而采用普通的CVD方法制得的GaS薄膜的输出特性曲线和转移特性曲线无任何规律，表明本发明中的制备方法制得的GaS薄膜的性能优于现有技术中的CVD方法制得的GaS薄膜的性能。
上面对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。此外，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
Claims (9)
1.一种GaS薄膜的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
采用化学气相沉积法，Ga2S3蒸气经过氢气还原后，在物理限域结构中的衬底上吸附、成核、晶核成长，制得所述GaS薄膜；所述物理限域结构包括两片上下平行设置的衬底；所述两片衬底之间的间距为0.01-0.3cm。
2.根据权利要求1所述的GaS薄膜的制备方法，其特征在于：所述物理限域结构还包括石英管和两根矩形棒；所述石英管内上下平行设置两片衬底，两片衬底之间平行设置两根矩形棒。
3.根据权利要求1所述的GaS薄膜的制备方法，其特征在于：所述Ga2S3蒸气是由加热炉内的Ga2S3粉末升华而制得；Ga2S3粉末距物理限域结构中的衬底的距离为12～18cm。
4.根据权利要求3所述的GaS薄膜的制备方法，其特征在于：所述物理限域结构位于加热炉内，且物理限域结构距加热炉内壁之间的距离为4～6cm。
5.根据权利要求1所述的GaS薄膜的制备方法，其特征在于：所述化学气相沉积法中，温度为890-970℃，压力为800-5000Pa。
6.根据权利要求1所述的GaS薄膜的制备方法，其特征在于：所述化学气相沉积法中，所使用的载气体为Ar，Ar的流量为12-40sccm；所述氢气的流量为15-75sccm。
7.根据权利要求1所述的GaS薄膜的制备方法，其特征在于：所述衬底为Al2O3、Si、SiO2/Si、GaN、InGaN中的至少一种。
8.一种GaS薄膜，其特征在于：采用权利要求1～7任一项所述的方法制得。
9.权利要求8所述的GaS薄膜在光电子领域或微电子领域中的应用。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210256740.6A CN114686845B (zh) | 2022-03-16 | 2022-03-16 | 一种GaS薄膜及其制备方法和应用 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210256740.6A CN114686845B (zh) | 2022-03-16 | 2022-03-16 | 一种GaS薄膜及其制备方法和应用 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN114686845A CN114686845A (zh) | 2022-07-01 |
| CN114686845B true CN114686845B (zh) | 2022-12-16 |
Family
ID=82138894
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202210256740.6A Active CN114686845B (zh) | 2022-03-16 | 2022-03-16 | 一种GaS薄膜及其制备方法和应用 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN114686845B (zh) |
Citations (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1146632A (zh) * | 1996-06-19 | 1997-04-02 | 复旦大学 | 砷化镓表面微波放电钝化膜的自体生长方法 |
| WO1997048499A1 (en) * | 1996-06-19 | 1997-12-24 | The Board Of Trustees Of Southern Illinois University | GaAs SUBSTRATE WITH A PASSIVATING EPITAXIAL GALLIUM SULFIDE FILM AND METHODS FOR FORMING SAME |
| JPH1174515A (ja) * | 1997-08-28 | 1999-03-16 | Fujitsu Ltd | 化合物半導体装置の製造方法及び化合物半導体装置 |
| CN2801811Y (zh) * | 2005-04-08 | 2006-08-02 | 中山大学 | 水平式快速加热化学气相沉积系统使用的石英衬底支架 |
| KR20140127685A (ko) * | 2013-04-25 | 2014-11-04 | 한국화학연구원 | 아미노싸이올레이트를 이용한 갈륨 전구체, 이의 제조방법 및 이를 이용하여 박막을 형성하는 방법 |
| CN110155961A (zh) * | 2018-06-25 | 2019-08-23 | 中国科学院物理研究所 | 一种制备层状材料褶皱的方法 |
| CN110423017A (zh) * | 2019-09-06 | 2019-11-08 | 安徽凯盛基础材料科技有限公司 | 石墨烯完全包覆轻质空心微珠颗粒及制备方法 |
| CN112614903A (zh) * | 2020-12-14 | 2021-04-06 | 东北师范大学 | 铅绘电极二维材料纸基GaS光电探测器及其制备方法 |
| CN113972299A (zh) * | 2021-09-30 | 2022-01-25 | 华南理工大学 | 一种在SiO2衬底上生长硫化锗单晶薄膜的制备方法 |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP4812035B2 (ja) * | 2007-05-30 | 2011-11-09 | 國立中山大學 | Ｃｖｄとｈｖｐｅによる窒化ガリウムの生長方法 |
| CN106981635A (zh) * | 2017-04-10 | 2017-07-25 | 深圳市佩成科技有限责任公司 | 一种Nafion膜/Ti3C2Tx/硫复合材料 |
-
2022
- 2022-03-16 CN CN202210256740.6A patent/CN114686845B/zh active Active
Patent Citations (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1146632A (zh) * | 1996-06-19 | 1997-04-02 | 复旦大学 | 砷化镓表面微波放电钝化膜的自体生长方法 |
| WO1997048499A1 (en) * | 1996-06-19 | 1997-12-24 | The Board Of Trustees Of Southern Illinois University | GaAs SUBSTRATE WITH A PASSIVATING EPITAXIAL GALLIUM SULFIDE FILM AND METHODS FOR FORMING SAME |
| JPH1174515A (ja) * | 1997-08-28 | 1999-03-16 | Fujitsu Ltd | 化合物半導体装置の製造方法及び化合物半導体装置 |
| CN2801811Y (zh) * | 2005-04-08 | 2006-08-02 | 中山大学 | 水平式快速加热化学气相沉积系统使用的石英衬底支架 |
| KR20140127685A (ko) * | 2013-04-25 | 2014-11-04 | 한국화학연구원 | 아미노싸이올레이트를 이용한 갈륨 전구체, 이의 제조방법 및 이를 이용하여 박막을 형성하는 방법 |
| CN110155961A (zh) * | 2018-06-25 | 2019-08-23 | 中国科学院物理研究所 | 一种制备层状材料褶皱的方法 |
| CN110423017A (zh) * | 2019-09-06 | 2019-11-08 | 安徽凯盛基础材料科技有限公司 | 石墨烯完全包覆轻质空心微珠颗粒及制备方法 |
| CN112614903A (zh) * | 2020-12-14 | 2021-04-06 | 东北师范大学 | 铅绘电极二维材料纸基GaS光电探测器及其制备方法 |
| CN113972299A (zh) * | 2021-09-30 | 2022-01-25 | 华南理工大学 | 一种在SiO2衬底上生长硫化锗单晶薄膜的制备方法 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| large-size ultrathin α-Ga2S3 nanosheets toward high-performance photodetection;yulin zheng等;《advanced functional materials》;20201231;第31卷(第6期);第2008307页 * |
| 微波放电法生长GaS薄膜的性质;陈溪滢等;《物理学报》;19970430(第04期);第826-832页 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN114686845A (zh) | 2022-07-01 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| KR102552383B1 (ko) | 2차원 물질의 제조 방법 | |
| CN103194729B (zh) | 金属硫属化物薄膜的制备方法 | |
| CN109809372B (zh) | 一种基于空间限域策略制备单层二硒化钨纳米带的方法 | |
| CN108910953B (zh) | 一种Fe掺杂单层MoS2化学气相沉积制备方法 | |
| CN105463580A (zh) | 一种硒化镉或硫化镉二维单晶纳米片的制备方法 | |
| CN112853290B (zh) | 一种大面积二硫化钼薄膜的制备方法 | |
| US5593497A (en) | Method for forming a deposited film | |
| CN110980659A (zh) | 一种采用新原料生长二碲化钨及制备方法 | |
| CN112695381A (zh) | 一种快速生长超薄大尺寸单晶过渡金属硫/硒化物的方法 | |
| CN113278948A (zh) | 一种硫化锡/二硫化锡异质结材料及其制备方法 | |
| Wei et al. | Monolayer MoS 2 epitaxy | |
| CN110028047B (zh) | 单一取向且组分可调的CdSxSe1-x合金纳米线阵列及其制备方法 | |
| CN114686845B (zh) | 一种GaS薄膜及其制备方法和应用 | |
| CN112456452B (zh) | 一种二硒化锗纳米材料的制备方法 | |
| CN115341273B (zh) | 一种大尺寸二维热电材料碲化铋单晶的制备 | |
| CN109023296B (zh) | 一种在氟金云母衬底上化学气相沉积生长钼钨硒合金的方法 | |
| JP6800185B2 (ja) | グラフェンの境界制御方法 | |
| US4873125A (en) | Method for forming deposited film | |
| CN112136203B (zh) | SiC外延基板的制造方法 | |
| CN115341272B (zh) | 一种毫米级二维拓扑材料硒化铋单晶的制备方法 | |
| Song et al. | Low-temperature synthesis of ZnO nanonails | |
| CN116497444B (zh) | 一种实现大面积二维层状材料In2Se3的化学气相沉积生长方法 | |
| CN115465843B (zh) | 碲纳米带阵列及其制备方法 | |
| CN113652739B (zh) | 一种大尺寸二维碘化铋单晶的制备方法 | |
| JP6130774B2 (ja) | 半導体素子とその作製方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |