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ECRPEMOCVD系统对INN/GAN/自支撑金刚石膜结构的制备方法.pdf

  • 上传人:sha****007
  • 文档编号:5330484
  • 上传时间:2019-01-05
  • 格式:PDF
  • 页数:10
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  • 摘要
    申请专利号:

    CN201310300499.3

    申请日:

    2013.07.17

    公开号:

    CN103352204A

    公开日:

    2013.10.16

    当前法律状态:

    授权

    有效性:

    有权

    法律详情:

    专利权的转移IPC(主分类):C23C 16/34登记生效日:20160616变更事项:专利权人变更前权利人:沈阳工程学院变更后权利人:沈阳嘉越电力科技有限公司变更事项:地址变更前权利人:110136 辽宁省沈阳市沈北新区蒲昌路18号变更后权利人:110136 辽宁省沈阳市沈北新区沈北路49号|||著录事项变更IPC(主分类):C23C 16/34变更事项:发明人变更前:张东 鞠振河 孙笑雨 郑洪 李昱材 杜士鹏 王立杰 张晓慧 李双美 王刚 王健 刘莉莹 郭瑞 王帅杰 关新 高微 王宝石 衣云龙 金月新 张玉艳变更后:高阳 王大陆 赵海岩 张琳 于耕 许傲然 韩雪融 王振 吴佳阔 李雯雯|||授权|||实质审查的生效IPC(主分类):C23C 16/34申请日:20130717|||公开

    IPC分类号:

    C23C16/34; C23C16/44

    主分类号:

    C23C16/34

    申请人:

    沈阳工程学院

    发明人:

    张东; 鞠振河; 孙笑雨; 郑洪; 李昱材; 杜士鹏; 王立杰; 张晓慧; 李双美; 王刚; 王健; 刘莉莹; 郭瑞; 王帅杰; 关新; 高微; 王宝石; 衣云龙; 金月新; 张玉艳

    地址:

    110136 辽宁省沈阳市沈北新区蒲昌路18号

    优先权:

    专利代理机构:

    沈阳亚泰专利商标代理有限公司 21107

    代理人:

    史旭泰

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    内容摘要

    本发明属于新型光电材料沉积制备技术领域,提供一种电学性能良好、散热性能良好的ECR-PEMOCVD系统对InN/GaN/自支撑金刚石膜结构的制备方法。本发明包括以下步骤:1)将自支撑金刚石膜基片依次用丙酮、乙醇、去离子水依次超声波清洗后,用氮气吹干送入反应室;2)采用ECR-PEMOCVD(电子回旋共振-等离子体增强金属有机物化学气相沉积)系统,将反应室抽真空,加热基片至400~600℃,向反应室内通入氢气携带的三甲基镓、氮气;控制气体总压强,电子回旋共振反应得到在自支撑金刚石膜基片的GaN缓冲层薄膜。

    权利要求书

    权利要求书
    1.  ECR-PEMOCVD系统对InN/GaN/自支撑金刚石膜结构的制备方法,其特征在于包括以下步骤:
    1)将自支撑金刚石膜基片依次用丙酮、乙醇、去离子水依次超声波清洗后,用氮气吹干送入反应室;
    2)采用ECR-PEMOCVD(电子回旋共振-等离子体增强金属有机物化学气相沉积)系统,将反应室抽真空,加热基片至400~600℃,向反应室内通入氢气携带的三甲基镓、氮气;控制气体总压强,电子回旋共振反应得到在自支撑金刚石膜基片的GaN缓冲层薄膜;
    3)继续采用ECR-PEMOCVD系统,将反应室抽真空,将基片加热至200℃~400℃,向反应室内通入氢气携带的三甲基铟、氮气,三甲基铟与氮气流量比为(2~4):(100~200),控制气体总压强为0.8~2.0Pa,电子回旋共振反应30min~3h沉积制备得InN薄膜,得到在GaN缓冲层薄膜/自支撑金刚石膜结构上的InN光电薄膜。

    2.  根据权利要求1所述ECR-PEMOCVD系统对InN/GaN/自支撑金刚石膜结构的制备方法,其特征在于所述自支撑金刚石膜基片是在热丝CVD系统中甲烷和氢气的反应源条件下制备的,为自由站立基片,自由站立金刚石厚度为1mm。

    3.  根据权利要求1所述ECR-PEMOCVD系统对InN/GaN/自支撑金刚石膜结构的制备方法,其特征在于所述三甲基镓、三甲基铟的纯度和氮气的纯度均为99.99%。

    4.  根据权利要求1所述ECR-PEMOCVD系统对InN/GaN/自支撑金刚石膜结构的制备方法,其特征在于所述步骤1)超声波清洗时间为5分钟;
    步骤2)反应室抽真空至9.0×10-4 Pa,由质量流量计控制三甲基镓与氮气流量分别为0.8sccm和100sccm;控制气体总压强为1.2Pa;电子回旋共振功率为650W,反应30min。

    5.  根据权利要求1所述ECR-PEMOCVD系统对InN/GaN/自支撑金刚石膜结构的制备方法,其特征在于所述步骤3)反应室抽真空至8.0×10-4 Pa,由质量流量计控制三甲基铟与氮气的流量,电子回旋共振功率为650W。

    6.  根据权利要求1所述ECR-PEMOCVD系统对InN/GaN/自支撑金刚石膜结构的制备方法,其特征在于所述步骤2)将基片加热至400℃;
    步骤3)将基片加热至200℃,三甲基铟与氮气流量分别为2sccm与100sccm,控制气体总压强为0.8Pa,电子回旋共振反应180min。

    7.  根据权利要求1所述ECR-PEMOCVD系统对InN/GaN/自支撑金刚石膜结构的制备方法,其特征在于所述步骤2)将基片加热至500℃;
    步骤3)将基片加热至300℃,三甲基铟与氮气流量分别为4sccm与200sccm,控制气体总压强为1.0Pa,电子回旋共振反应120min。

    8.  根据权利要求1所述ECR-PEMOCVD系统对InN/GaN/自支撑金刚石膜结构的制备方法,其特征在于所述步骤2)将基片加热至600℃;
    步骤3)将基片加热至400℃,三甲基铟与氮气流量分别为2sccm与200sccm,控制气体总压强为1.2Pa,电子回旋共振反应60min。

    9.  根据权利要求1所述ECR-PEMOCVD系统对InN/GaN/自支撑金刚石膜结构的制备方法,其特征在于所述步骤2)将基片加热至485℃;
    步骤3)将基片加热至360℃,三甲基铟与氮气流量分别为2sccm与150sccm,控制气体总压强为1.5Pa,电子回旋共振反应90min。

    10.  根据权利要求1所述ECR-PEMOCVD系统对InN/GaN/自支撑金刚石膜结构的制备方法,其特征在于所述步骤2)将基片加热至500℃;
    步骤3)将基片加热至400℃,三甲基铟与氮气流量分别为1sccm与150sccm,控制气体总压强为1.8Pa,电子回旋共振反应50min。

    说明书

    说明书ECR-PEMOCVD系统对InN/GaN/自支撑金刚石膜结构的制备方法
    技术领域
    本发明属于新型光电材料沉积制备技术领域,尤其涉及一种ECR-PEMOCVD系统对InN/GaN/自支撑金刚石膜结构的制备方法。
    背景技术
    在过去的十几年里,关于InN半导体材料的研究引起了人们极大的兴趣。InN是一种重要的直接带隙Ⅲ族氮化物半导体材料,与同族的GaN、AlN相比,InN具有最小的有效质量和最高的载流子迁移率、饱和漂移速率,其低场迁移率可达3200 cm2/V·s,峰值漂移速率可达4.3×107cm/s,这些特性使InN在高频厘米和毫米波器件应用中具有独特的优势。制备高质量的InN外延薄膜是InN半导体材料研究与应用的前提,但InN薄膜的制备有两大困难,一方面是InN的分解温度较低,约为600℃左右,而作为N源的NH3的分解温度则要求很高,一般在1000℃左右,因此如何控制InN的生长温度就产生了矛盾,一般传统的MOCVD技术要求温度在800℃以上,限制了InN的生长温度问题。
    发明内容
    本发明就是针对上述问题,提供一种电学性能良好、散热性能良好的ECR-PEMOCVD系统对InN/GaN/自支撑金刚石膜结构的制备方法。
    为实现上述目的,本发明采用如下技术方案,本发明包括以下步骤。
    1)将自支撑金刚石膜基片依次用丙酮、乙醇、去离子水依次超声波清洗后,用氮气吹干送入反应室。
    2)采用ECR-PEMOCVD(电子回旋共振-等离子体增强金属有机物化学气相沉积)系统,将反应室抽真空,加热基片至400~600℃,向反应室内通入氢气携带的三甲基镓、氮气;控制气体总压强,电子回旋共振反应得到在自支撑金刚石膜基片的GaN缓冲层薄膜。
    3)继续采用ECR-PEMOCVD系统,将反应室抽真空,将基片加热至200℃~400℃,向反应室内通入氢气携带的三甲基铟、氮气,三甲基铟与氮气流量比为(2~4):(100~200),控制气体总压强为0.8~2.0Pa,电子回旋共振反应30min~3h沉积制备得InN薄膜,得到在GaN缓冲层薄膜/自支撑金刚石膜结构上的InN光电薄膜。
    作为一种优选方案,本发明所述自支撑金刚石膜基片是在热丝CVD系统中甲烷和氢气的反应源条件下制备的,为自由站立基片,自由站立金刚石厚度为1mm。
    作为另一种优选方案,本发明所述三甲基镓、三甲基铟的纯度和氮气的纯度均为99.99%。
    作为另一种优选方案,本发明所述步骤1)超声波清洗时间为5分钟。
    步骤2)反应室抽真空至9.0×10-4 Pa,由质量流量计控制三甲基镓与氮气流量分别为0.8sccm和100sccm;控制气体总压强为1.2Pa;电子回旋共振功率为650W,反应30min。
    作为另一种优选方案,本发明所述步骤3)反应室抽真空至8.0×10-4 Pa,由质量流量计控制三甲基铟与氮气的流量,电子回旋共振功率为650W。
    作为另一种优选方案,本发明所述步骤2)将基片加热至400℃。
    步骤3)将基片加热至200℃,三甲基铟与氮气流量分别为2sccm与100sccm,控制气体总压强为0.8Pa,电子回旋共振反应180min。
    作为另一种优选方案,本发明所述步骤2)将基片加热至500℃。
    步骤3)将基片加热至300℃,三甲基铟与氮气流量分别为4sccm与200sccm,控制气体总压强为1.0Pa,电子回旋共振反应120min。
    作为另一种优选方案,本发明所述步骤2)将基片加热至600℃。
    步骤3)将基片加热至400℃,三甲基铟与氮气流量分别为2sccm与200sccm,控制气体总压强为1.2Pa,电子回旋共振反应60min。
    其次,本发明所述步骤2)将基片加热至485℃。
    步骤3)将基片加热至360℃,三甲基铟与氮气流量分别为2sccm与150sccm,控制气体总压强为1.5Pa,电子回旋共振反应90min。
    另外,本发明所述步骤2)将基片加热至500℃。
    步骤3)将基片加热至400℃,三甲基铟与氮气流量分别为1sccm与150sccm,控制气体总压强为1.8Pa,电子回旋共振反应50min。
    本发明有益效果。
    本发明利用可精确控制低温沉积的ECR-PEMOCVD技术,并对反应过程中的相关参数和物质进行选择、设定,大大降低了外延温度,使生长温度控制在500℃以下,在GaN/自支撑金刚石膜基片衬底上沉积制备出高质量的InN光电薄膜,成本非常低。另外,金刚石材料具有优异的散热性能,本发明在GaN/自支撑金刚石膜基片结构上的InN光电薄膜产品经测试具有良好的电学性能和散热性能,易于制备出高频率大功率的器件。其次,GaN与InN具有相似的晶体结构,它们的稳定相均为六角纤锌矿结构,作为InN与自支撑金刚石膜之间的缓冲层,很好的解决了InN外延层与自支撑金刚石膜衬底之间存在的晶格失配问题。
    附图说明
    下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。本发明保护范围不仅局限于以下内容的表述。
    图1为GaN/自支撑金刚石厚膜结构X射线衍射图谱。
    图2为InN薄膜沉积制备在GaN/自支撑金刚石厚膜结构上的X射线衍射图谱。
    图3为InN薄膜样品的表面形貌。
    图4为本发明方法得到的InN/GaN/自支撑金刚石膜结构薄膜示意图。
    图4中1为自支撑金刚石膜基片,2为GaN薄膜缓冲层,3为InN样品薄膜。
    具体实施方式
    本发明包括以下步骤。
    1)将自支撑金刚石膜基片依次用丙酮、乙醇、去离子水依次超声波清洗后,用氮气吹干送入反应室。
    2)采用ECR-PEMOCVD(电子回旋共振-等离子体增强金属有机物化学气相沉积)系统,将反应室抽真空,加热基片至400~600℃,向反应室内通入氢气携带的三甲基镓、氮气;控制气体总压强,电子回旋共振反应得到在自支撑金刚石膜基片的GaN缓冲层薄膜。
    3)继续采用ECR-PEMOCVD系统,将反应室抽真空,将基片加热至200℃~400℃,向反应室内通入氢气携带的三甲基铟、氮气,三甲基铟与氮气流量比为(2~4):(100~200),控制气体总压强为0.8~2.0Pa,电子回旋共振反应30min~3h沉积制备得InN薄膜,得到在GaN缓冲层薄膜/自支撑金刚石膜结构上的InN光电薄膜。
    所述所述自支撑金刚石膜基片是在热丝CVD系统中甲烷和氢气的反应源条件下制备的,为自由站立基片,自由站立金刚石厚度为1mm。
    所述三甲基镓、三甲基铟的纯度和氮气的纯度均为99.99%。
    所述步骤1)超声波清洗时间为5分钟。
    步骤2)反应室抽真空至9.0×10-4 Pa,由质量流量计控制三甲基镓与氮气流量分别为0.8sccm和100sccm;控制气体总压强为1.2Pa;电子回旋共振功率为650W,反应30min。
    所述步骤3)反应室抽真空至8.0×10-4 Pa,由质量流量计控制三甲基铟与氮气的流量,电子回旋共振功率为650W。
    所述步骤2)将基片加热至400℃。
    步骤3)将基片加热至200℃,三甲基铟与氮气流量分别为2sccm与100sccm,控制气体总压强为0.8Pa,电子回旋共振反应180min。
    所述步骤2)将基片加热至500℃。
    步骤3)将基片加热至300℃,三甲基铟与氮气流量分别为4sccm与200sccm,控制气体总压强为1.0Pa,电子回旋共振反应120min。
    所述步骤2)将基片加热至600℃。
    步骤3)将基片加热至400℃,三甲基铟与氮气流量分别为2sccm与200sccm,控制气体总压强为1.2Pa,电子回旋共振反应60min。
    所述步骤2)将基片加热至485℃。
    步骤3)将基片加热至360℃,三甲基铟与氮气流量分别为2sccm与150sccm,控制气体总压强为1.5Pa,电子回旋共振反应90min。
    所述步骤2)将基片加热至500℃。
    步骤3)将基片加热至400℃,三甲基铟与氮气流量分别为1sccm与150sccm,控制气体总压强为1.8Pa,电子回旋共振反应50min。
    实施例1。
    将自支撑金刚石膜基片依次用丙酮、乙醇以及去离子水超声波清洗5分钟后,用氮气吹干送入反应室;采用ECR-PEMOCVD系统,将反应室抽真空至9.0×10-4 Pa,将基片加热至400℃,向反应室内通入氢气携带的三甲基镓、氮气,其二者流量为0.8sccm和100sccm,由质量流量计控制;控制气体总压强为1.2Pa;在电子回旋共振频率为650W,反应30min, 得到在自支撑金刚石膜基片的GaN缓冲层薄膜。然后采用ECR-PEMOCVD系统,将反应室抽真空至8.0×10-4 Pa,将基片加热至200℃,向反应室内通入氢气携带的三甲基铟、氮气,其二者流量比为2:100,其流量为2sccm和100sccm,由质量流量计控制;控制气体总压强为0.8Pa;在电子回旋共振频率为650W,反应180min, 得到在GaN/自支撑金刚石膜结构上的InN光电薄膜。
    实验结束后采用X射线衍射分析设备对薄膜的结晶性能以及择优取向进行了测试分析。其结果如图2所示,由图2可以看出GaN/自支撑金刚石膜结构的InN薄膜具有单一的择优取向,InN薄膜结晶性能良好。对样品薄膜进行了原子力显微镜关于形貌的分析,如图3所示,表明InN薄膜具有较好的表面形貌。测试结果表明,GaN/自支撑金刚石膜结构上的InN薄膜满足高频率,大功率器件对薄膜质量的要求。
    实施例2。
    将自支撑金刚石膜基片依次用丙酮、乙醇以及去离子水超声波清洗5分钟后,用氮气吹干送入反应室;采用ECR-PEMOCVD系统,将反应室抽真空至9.0×10-4 Pa,将基片加热至500℃,向反应室内通入氢气携带的三甲基镓、氮气,其二者流量为0.8sccm和100sccm,由质量流量计控制;控制气体总压强为1.2Pa;在电子回旋共振频率为650W,反应30min, 得到在自支撑金刚石膜基片的GaN缓冲层薄膜。然后采用ECR-PEMOCVD系统,将反应室抽真空至8.0×10-4 Pa,将基片加热至300℃,向反应室内通入氢气携带的三甲基铟、氮气,其二者流量比为4:200,其流量为4sccm和200sccm,由质量流量计控制;控制气体总压强为1.0Pa;在电子回旋共振频率为650W,反应120min, 得到在GaN/自支撑金刚石膜结构上的InN光电薄膜。实验结束后对InN薄膜样品进行了测试分析,其测试结果表明,GaN/自支撑金刚石膜结构上的InN薄膜满足高频率,大功率器件对薄膜质量的要求。
    实施例3。
    将自支撑金刚石膜基片依次用丙酮、乙醇以及去离子水超声波清洗5分钟后,用氮气吹干送入反应室;采用ECR-PEMOCVD系统,将反应室抽真空至9.0×10-4 Pa,将基片加热至600℃,向反应室内通入氢气携带的三甲基镓、氮气,其二者流量为0.8sccm和100sccm,由质量流量计控制;控制气体总压强为1.2Pa;在电子回旋共振频率为650W,反应30min, 得到在自支撑金刚石膜基片的GaN缓冲层薄膜。然后采用ECR-PEMOCVD系统,将反应室抽真空至8.0×10-4 Pa,将基片加热至400℃,向反应室内通入氢气携带的三甲基铟、氮气,其二者流量比为2:200,其流量为2sccm和200sccm,由质量流量计控制;控制气体总压强为1.2Pa;在电子回旋共振频率为650W,反应60min, 得到在GaN/自支撑金刚石膜结构上的InN光电薄膜。实验结束后对InN薄膜样品进行了测试分析,其测试结果表明,GaN/自支撑金刚石膜结构上的InN薄膜满足高频率,大功率器件对薄膜质量的要求。
    实施例4。
    将自支撑金刚石膜基片依次用丙酮、乙醇以及去离子水超声波清洗5分钟后,用氮气吹干送入反应室;采用ECR-PEMOCVD系统,将反应室抽真空至9.0×10-4 Pa,将基片加热至485℃,向反应室内通入氢气携带的三甲基镓、氮气,其二者流量为0.8sccm和100sccm,由质量流量计控制;控制气体总压强为1.2Pa;在电子回旋共振频率为650W,反应30min, 得到在自支撑金刚石膜基片的GaN缓冲层薄膜。然后采用ECR-PEMOCVD系统,将反应室抽真空至8.0×10-4 Pa,将基片加热至360℃,向反应室内通入氢气携带的三甲基铟、氮气,其二者流量比为2:150,其流量为2sccm和150sccm,由质量流量计控制;控制气体总压强为1.5Pa;在电子回旋共振频率为650W,反应90min, 得到在GaN/自支撑金刚石膜结构上的InN光电薄膜。实验结束后对InN薄膜样品进行了测试分析,其测试结果表明,GaN/自支撑金刚石膜结构上的InN薄膜满足高频率,大功率器件对薄膜质量的要求。
    实施例5。
    将自支撑金刚石膜基片依次用丙酮、乙醇以及去离子水超声波清洗5分钟后,用氮气吹干送入反应室;采用ECR-PEMOCVD系统,将反应室抽真空至9.0×10-4 Pa,将基片加热至500℃,向反应室内通入氢气携带的三甲基镓、氮气,其二者流量为0.8sccm和100sccm,由质量流量计控制;控制气体总压强为1.2Pa;在电子回旋共振频率为650W,反应30min, 得到在自支撑金刚石膜基片的GaN缓冲层薄膜。然后采用ECR-PEMOCVD系统,将反应室抽真空至8.0×10-4 Pa,将基片加热至400℃,向反应室内通入氢气携带的三甲基铟、氮气,其二者流量比为1:150,其流量为1sccm和150sccm,由质量流量计控制;控制气体总压强为1.8Pa;在电子回旋共振频率为650W,反应50min, 得到在GaN/自支撑金刚石膜结构上的InN光电薄膜。实验结束后对InN薄膜样品进行了测试分析,其测试结果表明,GaN/自支撑金刚石膜结构上的InN薄膜满足高频率,大功率器件对薄膜质量的要求。
    本发明样品的结晶性能测试为X射线衍射分析,其中X射线衍射分析所用仪器的型号为:XRD测试的型号是Bruker AXS D8。
    本发明利用的原子力显微镜(AFM)的型号是Picoscan 2500,产于Agilent公司。在正常室温的测试条件下对薄膜样品的形貌进行了测试与分析。样品的测试分析区域是。
    由图1可知,自由站立金刚石基片是多晶,具有择优取向,质量良好,而且GaN作为缓冲层,其结晶质量良好,满足InN薄膜的对基片的要求。
    可以理解的是,以上关于本发明的具体描述,仅用于说明本发明而并非受限于本发明实施例所描述的技术方案,本领域的普通技术人员应当理解,仍然可以对本发明进行修改或等同替换,以达到相同的技术效果;只要满足使用需要,都在本发明的保护范围之内。

    关 键  词:
    ECRPEMOCVD 系统 INN GAN 支撑 金刚石 膜结构 制备 方法
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