[發明專利]一種在砷化鎵基片上制備鈦酸鍶鋇介電薄膜的化學方法

有效

• 申請號: 201310377507.4
• 申請日: 2013-08-26
• 公開（公告）號: CN104425213B
• 公開（公告）日: 2017-09-26
• 發明（設計）人: 魏賢華;黃文;郝建華
• 申請（專利權）人: 香港理工大學
• 主分類號: H01L21/02
• 分類號: H01L21/02;H01L21/336
• 代理公司: 深圳市順天達專利商標代理有限公司44217
• 代理人: 郭偉剛

技術領域

本發明涉及鐵電性能材料技術領域，更具體地說，涉及一種在砷化鎵基片上制備鈦酸鍶鋇介電薄膜的化學方法。

背景技術

砷化鎵（GaAs）具有電子遷移率高、寬帶隙和高擊電場等特性，已成為制備高速、大功率固態器件的重要材料。近年來，人們一直希望將鐵電功能氧化物介電薄膜材料，如鈦酸鍶鋇(BST）與GaAs材料集成起來形成GaAs基的金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)。利用鐵電材料極化、電光、壓電、介電可調特性與GaAs高遷移率、直接帶隙等特性，開發出具有電光耦合、光波導特性的多功能、一體化、高頻率半導體器件。

目前，相對于半導體工業常用的SiO₂/Si作為基片而言，GaAs半導體是二元化合物，其表面和界面具有更高的活性，GaAs不能自氧化形成天然的化學鈍化層，因此在GaAs基片上生長鐵電氧化物介電薄膜過程中，由界面反應或擴散會導致很高的界面態密度，這些高密度的界面態會使費米能級釘扎在帶隙中央或導致鐵電材料中電荷直接注入半導體內造成大的漏電流，阻礙GaAs相關器件技術的發展。同時，這些界面態大大增強表面復合中心的非輻射復合速率，破壞GaAs的固有半導體特性，嚴重限制GaAs器件的運行。

由此可見，鐵電材料鈦酸鍶鋇與二元化合物GaAs之間界面生長不兼容的問題，導致在GaAs上無法生長高質量的功能氧化物鈦酸鍶鋇介電薄膜，制約半導體器件工業的發展。

發明內容

本發明要解決的技術問題在于，針對現有技術的上述鐵電材料鈦酸鍶鋇與二元化合物砷化鎵之間存在界面生長不兼容，導致在砷化鎵上無法生長高質量的功能氧化物鈦酸鍶鋇介電薄膜的缺陷，提供一種在砷化鎵基片上制備鈦酸鍶鋇介電薄膜的化學方法。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：構造一種在砷化鎵基片上制備鈦酸鍶鋇介電薄膜的化學方法，包括如下步驟：

S1、砷化鎵基片的預處理：首先依次用三氯乙烯溶液、丙酮溶液和酒精溶液對砷化鎵基片進行超聲振蕩清洗，然后依次用去離子水和氫氟酸溶液對砷化鎵基片進行清洗以除去砷化鎵基片表面的氧化層，最后吹干砷化鎵基片；

S2、鈦酸鍶鋇溶膠的配制：以乙酸鋇、乙酸鍶和鈦酸丁酯為起始原料，冰醋酸和乙酰丙酮為溶劑配制鈦酸鍶鋇溶膠；

S3、甩膠成膜：將經過上述步驟S1處理的砷化鎵基片放在勻膠機上，然后將經過上述步驟S2配制得到的鈦酸鍶鋇溶膠溶液滴加在該砷化鎵基片上，進行甩膠；甩膠結束后，將該砷化鎵基片置于培養皿中，用酒精棉將被甩出基片的鈦酸鍶鋇溶膠擦拭干，放置至使砷化鎵基片上的鈦酸鍶鋇溶膠凝固；

S4、干燥：將經上述步驟S3甩膠后的砷化鎵基片置于真空干燥箱中進行干燥；

S5、烘烤預處理：將上述步驟S4干燥后的砷化鎵基片置于馬弗爐中進行烘烤預處理，然后將所述砷化鎵基片自然冷卻至室溫。

S6、退火：將烘烤預處理后的砷化鎵基片放置于石英管中，推送至管式爐的恒溫區，在450～650℃下退火150～180分鐘，整個過程通入含惰性氣體與氧氣的保護氣體，所述保護氣體的流速為600毫升/分鐘，待管式爐溫度降至室溫后，將樣品取出，放置于干燥箱中保存。

本發明所述的在砷化鎵基片上制備鈦酸鍶鋇介電薄膜的化學方法中，所述含惰性氣體與氧氣的保護氣體中，所述惰性氣體與氧氣的體積比為90:10～98:2。

本發明所述的在砷化鎵基片上制備鈦酸鍶鋇介電薄膜的化學方法中，所述步驟S1還包括：將吹干的所述砷化鎵基片送入RIE反應離子刻蝕機的真空腔體內，在氮氣與氬氣體積比為4:1的混合氣體中進行離子刻蝕。

本發明所述的在砷化鎵基片上制備鈦酸鍶鋇介電薄膜的化學方法中，所述砷化鎵基片在所述RIE反應離子刻蝕機的濺射功率為50毫瓦條件下進行離子刻蝕10分鐘。

本發明所述的在砷化鎵基片上制備鈦酸鍶鋇介電薄膜的化學方法中，所述步驟S2的鈦酸鍶鋇溶膠的配制，按以下步驟配制：

S21、按照8:2摩爾比稱取一定量的乙酸鋇和乙酸鍶，加入冰醋酸加熱并充分攪拌使其溶解；

S22、量取等摩爾比鈦酸丁酯和乙酰丙酮混合；

S23、將上述步驟S21制得的溶液與步驟S22制得的溶液在50℃～70℃攪拌混合，加入質量比為2:1的乙二醇甲醚和乙二醇溶液將上述混合后的溶液稀釋，最終得到0.01mol/L的鈦酸鍶鋇溶膠溶液。

本發明所述的在砷化鎵基片上制備鈦酸鍶鋇介電薄膜的化學方法中，所述步驟S3中所述砷化鎵基片在轉速為2500～3500r/分鐘條件下甩膠30s。