[发明专利]一种制备GaAs薄膜材料的方法

说明书

技术领域

本发明属于薄膜材料制造领域，具体涉及一种制备GaAs薄膜材料的方法

背景技术

砷化镓（GaAs）是由ⅢA族元素Ga和ⅤA族元素As化合而成的半导体材料，分子式为GaAs。室温下其禁带宽度为1.42eV，GaAs属闪锌矿型晶格结构，晶格常数5.65×10^-10m，与磷化铟（InP）、磷化镓（GaP）、砷化铟（InAs）同属直接跃迁型能带结构。砷化镓呈黑灰色固体，熔点1238℃；在600℃以下，能在空气中稳定存在，并且不为非氧化性的酸所侵蚀。

砷化镓（GaAs）是半导体材料中兼具多方面优点的材料，砷化镓（GaAs）于1964年进入实质性应用阶段。砷化镓（GaAs）可以制成电阻率比硅（Si）、锗（Ge）高出3个数量级以上的半绝缘高阻材料，用来制作集成电路衬底、红外探测器、γ光子探测器等。由于其电子迁移率比硅大5～6倍，故在制作微波器件和高速数字电路方面得到重要应用。用砷化镓（GaAs）制成的半导体器件具有高频、高低温性能好、噪声小、抗辐射能力强等优点。此外，还可以用于制作转移器件-体效应器件。

砷化镓（GaAs）拥有一些比Si更好的电子特性，使得GaAs可以用在高于250GHz的场合。如果等效的GaAs和Si元件都同时在高频时操作，GaAs会产生更小的噪声。同时因为GaAs拥有较高的崩溃电压，所以GaAs比同样的Si元件更适合在高功率的场合操作。由于这些特性，GaAs电路可以运用在移动电话、卫星通讯、微波点对点连线、雷达系统等方面。GaAs还曾用于做成甘恩二极管、微波二极管和耿氏二极管)以发射微波。由于GaAs是直接带隙的半导体材料，所以可以用做发光材料。而Si是间接带隙材料，只能发射非常微弱的光。因此，GaAs在LED中应用前景仍然很广泛。

砷化镓在当代微电子和光电子产业中发挥着重要的作用，其产品50%应用在军事、航空和航天方面，30%用于通信方面，其余用于网络设备、计算机和测试仪器方面。由于砷化镓优良的高频特性，它被广泛用于制造无线通信和光通信器件，半绝缘砷化镓单晶已经成为制造大功率微波、毫米波通信器件和集成电路的主要材料。用于光辐射、太阳能电池、红外探测器、移动通讯、光纤通讯、有线电视、卫星通信、汽车雷达、红外LED、高亮度红、橙、黄色LED、半导体激光二极管、军用夜视仪和航天用高效太阳能电池。同时，随着4G技术的兴起，GaAs也将在4G通讯领域发挥其应有作用。

由于砷化镓（GaAs）可在同一块芯片上同时处理光电数据，因而被广泛应用于遥控、手机、DVD计算机外设、照明等诸多光电子领域。另外，因其电子迁移率比硅高6倍，砷化镓成为超高速、超高频器件和集成电路的必需品。它还被广泛使用于军事领域，是激光制导导弹的重要材料。

GaAs的另一个很重要的应用是高效率的太阳能电池。1970年时，Zhores Alferov和他的团队在苏联做出第一个GaAs异质结构的太阳能电池。用GaAs、Ge和InGaP三种材料做成的三界面太阳能电池，其光电转换效率达到32%以上，且可以在2,000Suns的光强下操作。这种太阳能电池曾运用在探测火星表面的机器人-精神号漫游者(spirit rover)和机会号漫游者(opportunity rover)上。而且很多太阳能电池都是用GaAs单晶或薄膜来做电池阵列的。

目前，制备GaAs薄膜材料除了传统方法外，主要还是采用分子束外延法（molecular beam epitaxy,MBE）或金属有机化学气相沉积法（metal-organic chemical vapor deposition，MOCVD）。传统方法中采用高纯金属Ga和高纯非金属As反应得到GaAs，化学反应如反应式（1）。后者采用镓的昂贵金属有机化合物液态（或气态）三甲基镓和As的剧毒化合物（如气态砷烷AsH₃）反应制备得到GaAs，其化学反应如反应式（2）。这些制备方法都对设备要求极高，且设备昂贵、工艺复杂。