CN115747744B - 一种氧化镓铟薄膜及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于半导体材料制备技术领域，具体涉及一种氧化镓铟薄膜及其制备方法。包括以下步骤：1）在固体金属靶材表面形成镓铟合金层；2）利用磁控溅射方法对步骤1）固体金属靶材表面的镓铟合金层进行溅射，并在衬底上沉积薄膜；3）对步骤2）得到的薄膜进行含氧气氛下的退火处理，得到氧化镓铟薄膜。该制备方法成功通过磁控溅射方法制备得到了性能优异的氧化镓铟薄膜，填补了该领域内的空白，且成本低、工艺流程简单。

Description

一种氧化镓铟薄膜及其制备方法

技术领域

本发明属于半导体材料制备技术领域，具体涉及一种氧化镓铟薄膜及其制备方法。

背景技术

自从 20 世纪 50 年代以来，半导体材料已广泛应用于当今的电子信息技术中，特别是器件的应用，如计算机微处理器，太阳能电池和功率放大器等。而传统的半导体材料由于击穿场强低、禁带宽度小的特点使得它难以用于高频、高迁移率、大功率器件。

广义的液态金属是指在660℃以下呈现液态的金属单质及合金，更为常用的液态金属通常是在室温附近为液态的金属，如熔点在30℃以下的镓或其合金，或是在稍高一些温度范围如40℃~200℃期间能呈现液态的低熔点金属合金如铋铟锡锌等材料。近年来，随着一系列重大研究进展的取得，液态金属的应用价值越来越受到重视。

液态金属中各组分的氧化物可作为半导体材料，例如：氧化镓（Ga₂O₃）、氧化铟（In₂O₃）、氧化锡（SnO₂）等，在高功率器件领域有广阔的应用前景。目前液态金属氧化物的制备方法主要有化学沉积法、溶胶凝胶法、磁控溅射法等。

溶胶凝胶法容易引入杂质，对环境有污染，化学气相沉积法制备的液态金属氧化物薄膜与基体的附着力较差，容易脱落，而磁控溅射法可以克服前面方法的缺点。

磁控溅射是物理气相沉积(Physical Vapor Deposition，PVD)的一种。磁控溅射技术可被用于制备金属、半导体、绝缘体等多材料，且具有设备简单、易于控制、镀膜面积大和附着力强等优点。简单的说磁控溅射就是在正交的电磁场中，闭合的磁场束缚电子围绕靶面做螺旋运动，在运动过程中不断撞击工作气体氩气电离出大量的氩离子，氩离子在电场作用下加速轰击靶材，溅射出靶原子离子(或分子)沉积在基片上形成薄膜。磁控溅射法制备液态金属氧化物薄膜需要用到液态金属靶材，但由于部分液态金属例如镓铟合金熔点低或常温下为液态，无法直接作为靶材进行溅射，因此采用磁控溅射法制备氧化镓铟薄膜的工艺有待被探究。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种氧化镓铟薄膜及其制备方法，通过磁控溅射方法成功制备了氧化镓铟薄膜，填补了该领域内的空白，且具有成本低、工艺流程简单的优点。

具体而言，本发明首先提供了一种氧化镓铟薄膜的制备方法，包括以下步骤：

1）在固体金属靶材表面形成镓铟合金层；

2）利用磁控溅射方法对步骤1）固体金属靶材表面的镓铟合金层进行溅射，并在衬底上沉积薄膜；

3）对步骤2）得到的薄膜进行含氧气氛下的退火处理，得到氧化镓铟薄膜。

本发明发现，将镓铟合金与常见的固体金属靶材如铜、铁、锌靶材相结合得到的表面为镓铟合金附着的固体金属靶材用于磁控溅射，通过对磁控溅射整个过程的控制，如载气、靶基距、溅射功率等，并结合特定温度下的退火工艺可制备出性能优异的氧化镓铟薄膜。

作为优选，步骤1）中，在酸性条件下，将固体金属靶材表面通过液态镓铟合金浸润形成所述镓铟合金层。

作为优选，步骤1）中，所述镓铟合金中，镓的质量分数为20%-80%。

作为优选，步骤2）中，所述磁控溅射方法的载气为氩气和氧气混合气，其中，所述氩气的流量为20-40sccm，氧气流量0.2-4sccm。在上述氩气和氧气流量下，氧化镓铟成膜质量最优，其中氩气流量过高，则导致溅射原子到达衬底以前碰撞次数太多，从而损失很多能量，到达衬底后迁移能力受限，结晶质量变差，氩气流量过低，则气体电离会困难，难以发生溅射起辉效果。

作为优选，步骤2）中，所述磁控溅射方法的靶基距为15-30mm。本发明发现，针对镓铟合金，采用上述靶基距效果最优，靶基距高于30mm，溅射原子到达衬底碰撞次数过多，能量损失大，不利于薄膜的成核和长大且降低沉积速率，但是，靶基距如果低于15mm会导致薄膜受到带电粒子轰击，且沉积速率太快会导致薄膜内部各种缺陷密度增加。

作为优选，步骤2）中，所述磁控溅射方法的溅射功率为50-100W。当溅射功率低于50W时，沉积速率低，溅射原子到达衬底能量也低；溅射功率高于100W时，虽然可以提高溅射粒子能量，但是沉积速度过快，影响氧化镓铟成膜质量。

作为优选，步骤2）中，所述磁控溅射方法的溅射时间为5-60min，更优选为15-30min。

作为优选，步骤2）中，所述衬底的温度为25-400℃。

作为优选，步骤3）中，所述含氧气氛为氧气。本发明发现，采用上述含氧气氛有助于薄膜进一步氧化，形成稳定的晶体结构。

作为优选，步骤3）中，所述退火处理的温度为200-1000℃，更优选为650-750℃；所述退火处理的时间为3-6h，优选4h。实验发现，在650-750℃下进行退火3-6h，可以明显提高所得氧化镓铟薄膜的结晶性。

本发明还提供一种氧化镓铟薄膜，其通过上述制备方法制备得到。

本发明的有益效果在于：

本发明通过将镓铟合金与常见的固体金属靶材如铜、铁、锌靶材相结合，得到表面为镓铟合金附着的固体金属靶材，然后通过特定的磁控溅射方法结合退火工艺制备的氧化镓铟薄膜，结晶性和透光率高，性能优异，且本发明成本低、工艺流程简单。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1制备氧化镓铟薄膜的退火前SEM图。

图2为本发明实施例1制备氧化镓铟薄膜的退火后SEM图。

图3为本发明实施例1制备氧化镓铟薄膜的退火后XRD图。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。在不背离本发明精神和实质的情况下，对本发明方法、步骤或条件所做的修改或替换，均属于本发明的范围。

实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件，或者按照产品说明书进行。所有试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可通过正规渠道商购买得到的常规产品。

实施例1

一种氧化镓铟薄膜的制备方法，包含以下步骤：

1、将铜基底浸入盐酸中与液态金属镓铟合金接触，从而将液态金属镓铟合金浸润在铜基底上制备成液态金属靶材；

2、利用磁控溅射方法对步骤1铜基底表面的镓铟合金层进行溅射，并在衬底上沉积薄膜，镀膜条件为氩气流量30sccm，氧气流量为0.3sccm，靶基距30mm，基底温度25℃，溅射功率为50W，溅射时间30min，得到薄膜SEM图像如图1所示；

3、薄膜制备后，将薄膜在氧气环境下，马弗炉700℃进行退火处理4h，处理后的薄膜SEM图像如图2所示。对退火后的薄膜进行XRD分析，得到XRD图谱如图3所示。

从图1-2退火前后的SEM图像可以看出，退火前薄膜状态为片状，且无明显颗粒结构；而退火后的薄膜结构逐渐转变为堆积结构，且可以看出明显颗粒，说明退火显著增加了薄膜的结晶性。从图3的XRD图像可以看出，图像中出现了Ga2O3、GaInO3以及（Ga,In）O3的强度峰，说明薄膜中的成分为液态金属氧化物（三者其中之一或三者的混合物）；出现SiO2则是由于薄膜制备的基底为硅片。

以上的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变型和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (6)

1.一种氧化镓铟薄膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）在固体金属靶材表面形成镓铟合金层；

2）利用磁控溅射方法对步骤1）固体金属靶材表面的镓铟合金层进行溅射，并在衬底上沉积薄膜；

3）对步骤2）得到的薄膜进行含氧气氛下的退火处理，得到氧化镓铟薄膜；

步骤1）中，在酸性条件下，将固体金属靶材表面通过液态镓铟合金浸润形成所述镓铟合金层；

步骤2）中，所述衬底的温度为25-400℃；

步骤3）中，所述退火处理的温度为200-1000℃；所述退火处理的时间为3-6h。

2.根据权利要求1所述的氧化镓铟薄膜的制备方法，其特征在于，步骤1）中，所述镓铟合金中，镓的质量分数为20%-80%。

3.根据权利要求1或2所述的氧化镓铟薄膜的制备方法，其特征在于，步骤2）中，所述磁控溅射方法的载气为氩气和氧气混合气，其中，所述氩气的流量为20-40sccm，氧气流量0.2-4sccm。

4.根据权利要求1或2所述的氧化镓铟薄膜的制备方法，其特征在于，步骤2）中，所述磁控溅射方法的靶基距为15-30mm。

5.根据权利要求1或2所述的氧化镓铟薄膜的制备方法，其特征在于，步骤2）中，所述磁控溅射方法的溅射功率为50-100W；

所述磁控溅射方法的溅射时间为5-60min。

6.根据权利要求1或2所述的氧化镓铟薄膜的制备方法，其特征在于，步骤3）中，所述含氧气氛为氧气。

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