[发明专利]一种制备GaP薄膜材料的方法

说明书

技术领域

本发明涉及薄膜材料的制备方法，特别是涉及一种制备GaP薄膜材料的方法。 

背景技术

磷化镓(GaP)是人工合成的一种III-V族化合物型半导体材料，高纯GaP是一种橙红色透明晶体。磷化镓(GaP)单晶材料的熔点为1467°C。磷化镓(GaP)的晶体为闪锌矿型结构，晶格常数为0.5447±0.006nm，其化学键是以共价键为主的混合键，其离子键成分约为20%，300K时能隙(Eg)为2.26eV，属间接跃迁型半导体。磷化镓(GaP)与其他大带隙III-V族化合物半导体相同，可以通过引入深中心使费米能级接近带隙中部，如掺入铬、铁、氧等杂质元素可成为半绝缘材料。磷化镓(GaP)分为单晶材料和外延材料。工业生产的衬底单晶均为掺入硫、硅杂质的N型半导体。 

GaP单晶早期通过液相法在常压下制备。后采用液体覆盖直拉法制备。现代半导体工业生产的磷化镓(GaP)单晶都是在高压合成炉中，采用定向凝固工艺合成磷化镓多晶，进行适当处理后装入高压单晶炉进行单晶拉制。磷化镓外延材料是在磷化镓单晶衬底上通过液相外延或气相外延加扩散生长的方法制得。GaP多用于制造发光二极管(LED)。液相外延材料可制造红色光、黄绿色光、纯绿色光的发光二极管，气相外延加扩散生长的材料，可制造黄色光、黄绿色光的发光二极管。 

III-V族化合物型半导体GaP薄膜材料通常的制备方法除了上述传统方法和现代方法之外，主要还是采用昂贵苛刻的物理方法和复杂昂贵的MOCVD方法， 前者采用高纯金属Ga和高纯非金属P反应得到GaP，如反应式(1)。物理方法诸如等离子溅射法，分子束外延法(MBE)，电子束蒸发法，脉冲激光沉积法(PLD)，磁控溅射法(MSD)等，后者采用镓的昂贵金属有机化合物如液态或气态三甲基镓和磷的剧毒化合物(如气态磷烷PH₃)反应制备得到GaP，如反应式(2)。它们的原理和反应分别如下: 

Ga+P→GaP→GaP    (1) 

Ca(CH₃)₃+PH₃→GaP+3CH₄    (2) 

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GaP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GaP薄膜材料的方法，以Ga₂O₃，P₂O₅以及活性炭C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～l5MPa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5～1O°C/min范围内，反应区加热升温至1200°C～1250°C范围内，沉积区加热升温至600°C～800°C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，即得到棕红色的GaP薄膜。 

按摩尔比计:所述的Ga₂O₃:P₂O₅:还原萃取剂为1.0:1.0:(4～8) 

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(3)、(4)所示: 

Ga₂O₃+P₂O₅+8H₂→2GaP+8H₂O    (3) 

Ga₂O₃+P₂O₅+8C→2GaP+8CO    (4) 

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GaP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。