[发明专利]一种基于电晕荷电的氧化镓薄膜沉积系统及薄膜沉积方法

说明书

本发明公开了一种基于电晕荷电的氧化镓薄膜沉积系统及薄膜沉积方法，将衬底放置在反应区域的衬底凹槽中，将载气和稀释气体分别从雾化罐和稀释气体通路通入到加热装置中，使其充满反应区域；将前驱体溶液加入到雾化罐中；设置加热装置的工作温度；设置雾化罐中雾化装置的雾化频率，使含前驱体溶液雾化成气溶胶前驱体；打开脉冲荷电单元，形成空间域，放电针放电，使气溶胶前驱体在空间电离区中与带电粒子发生碰撞，从而使气溶胶前驱体带电，并向沉积区域移动，沉积生长形成薄膜。本发明通过在现有Mist‑CVD设备上加装脉冲荷电单元，可以有效减少薄膜沉积过程中原料浪费现象，增加沉积效率。

技术领域

本发明属于半导体材料制备技术领域，涉及一种薄膜沉积的系统及方法，具体涉及一种基于电晕荷电的氧化镓薄膜沉积系统及薄膜沉积方法。

背景技术

氧化镓因其4.9～5.3eV的超宽带隙在大功率电子和紫外光电子中的潜在应用受到广泛关注。同时其还是天然的日盲紫外探测及深紫外透明电极材料。众所周知，氧化镓主要有α、β、γ、δ、ε五种晶相，其中β-Ga₂O₃是热力学最稳定的相并能和其他四种晶相在一定条件下相互转化。

氧化镓材料的生长方法有很多种。例如金属有机化学气相沉积(MOCVD、分子束外延法(MBE)、原子层沉积(ALD)、卤化物气相外延(HVPE)等。上述方法使用的设备比较昂贵，且操作复杂。相对而言Mist-CVD设备可以在常压环境下进行薄膜制备，且设备制造成本低，操作简单，适合大规模工业化生产。

然而，Mist-CVD方法制备的氧化镓薄膜由于是在管式炉或者是在石英腔体中进行沉积，自然沉积过程中，雾化颗粒在整个反应流场与温度场中运动随机，大部分雾化颗粒损失在衬底之外，导致原料利用率不高、沉积效率不佳。

发明内容

为了解决现有生长氧化镓薄膜中原料利用率不高的问题，本发明提供一种基于电晕荷电的氧化镓薄膜沉积系统及薄膜沉积方法，通过放电针使雾化液滴带电，并在放电针与衬底之间形成电场，使带电液滴定向往衬底方向移动，增加沉积效率，提高原料利用率。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一方面，本发明提供一种基于电晕荷电的氧化镓薄膜沉积系统，包括雾化罐、脉冲荷电装置、连接管、加热装置，所述雾化罐中设有超声波雾化片和实验所需前驱体溶液，雾化罐连接载气系统，所述脉冲荷电装置包括相互连接的荷电管和脉冲荷电单元，所述荷电管与雾化罐垂直连通，荷电管为直管，荷电管上部出口为出雾口，所述脉冲荷电单元中设有若干根放电针，脉冲荷电单元通过连接管与加热装置相连，加热装置中间为反应区域，连接软管中间位置还连接有稀释气体通路，所述放电针位置接外加电场正极，反应区域中衬底位置接地极。

优选的，所述荷电管用石英玻璃管，方便观察雾柱，调节载气。

另一方面，本发明还提供一种氧化镓薄膜沉积方法，采用上述氧化镓薄膜沉积系统，具体步骤如下：

S1.将衬底放置在反应区域的衬底凹槽中，将载气和稀释气体分别从雾化罐和稀释气体通路通入到加热装置中，使其充满反应区域；

S2.将前驱体溶液加入到雾化罐中；

S3.设置加热装置的工作温度为500～700℃；设置雾化罐中雾化装置的雾化频率，使含前驱体溶液雾化成气溶胶前驱体；

S4.打开脉冲荷电单元，形成空间域，放电针放电，使气溶胶前驱体在空间电离区中与带电粒子发生碰撞，从而使气溶胶前驱体带电，并向沉积区域移动，沉积生长形成薄膜。

优选的，步骤S2中，所述前驱体溶液为浓度0.01～0.1mol/L的乙酰丙酮镓或氯化钾的水溶液。

优选的，步骤S1中，所述载气选用氧气、氮气、空气中的一种，载气流速为1～6L/min。