[发明专利]一种在砷化镓基片上制备钛酸锶钡介电薄膜的化学方法

说明书

技术领域

本发明涉及铁电性能材料技术领域，更具体地说，涉及一种在砷化镓基片上制备钛酸锶钡介电薄膜的化学方法。

背景技术

砷化镓（GaAs）具有电子迁移率高、宽带隙和高击电场等特性，已成为制备高速、大功率固态器件的重要材料。近年来，人们一直希望将铁电功能氧化物介电薄膜材料，如钛酸锶钡(BST）与GaAs材料集成起来形成GaAs基的金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。利用铁电材料极化、电光、压电、介电可调特性与GaAs高迁移率、直接带隙等特性，开发出具有电光耦合、光波导特性的多功能、一体化、高频率半导体器件。

目前，相对于半导体工业常用的SiO₂/Si作为基片而言，GaAs半导体是二元化合物，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学钝化层，因此在GaAs基片上生长铁电氧化物介电薄膜过程中，由界面反应或扩散会导致很高的界面态密度，这些高密度的界面态会使费米能级钉扎在带隙中央或导致铁电材料中电荷直接注入半导体内造成大的漏电流，阻碍GaAs相关器件技术的发展。同时，这些界面态大大增强表面复合中心的非辐射复合速率，破坏GaAs的固有半导体特性，严重限制GaAs器件的运行。

由此可见，铁电材料钛酸锶钡与二元化合物GaAs之间界面生长不兼容的问题，导致在GaAs上无法生长高质量的功能氧化物钛酸锶钡介电薄膜，制约半导体器件工业的发展。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述铁电材料钛酸锶钡与二元化合物砷化镓之间存在界面生长不兼容，导致在砷化镓上无法生长高质量的功能氧化物钛酸锶钡介电薄膜的缺陷，提供一种在砷化镓基片上制备钛酸锶钡介电薄膜的化学方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种在砷化镓基片上制备钛酸锶钡介电薄膜的化学方法，包括如下步骤：

S1、砷化镓基片的预处理：首先依次用三氯乙烯溶液、丙酮溶液和酒精溶液对砷化镓基片进行超声振荡清洗，然后依次用去离子水和氢氟酸溶液对砷化镓基片进行清洗以除去砷化镓基片表面的氧化层，最后吹干砷化镓基片；

S2、钛酸锶钡溶胶的配制：以乙酸钡、乙酸锶和钛酸丁酯为起始原料，冰醋酸和乙酰丙酮为溶剂配制钛酸锶钡溶胶；

S3、甩胶成膜：将经过上述步骤S1处理的砷化镓基片放在匀胶机上，然后将经过上述步骤S2配制得到的钛酸锶钡溶胶溶液滴加在该砷化镓基片上，进行甩胶；甩胶结束后，将该砷化镓基片置于培养皿中，用酒精棉将被甩出基片的钛酸锶钡溶胶擦拭干，放置至使砷化镓基片上的钛酸锶钡溶胶凝固；

S4、干燥：将经上述步骤S3甩胶后的砷化镓基片置于真空干燥箱中进行干燥；

S5、烘烤预处理：将上述步骤S4干燥后的砷化镓基片置于马弗炉中进行烘烤预处理，然后将所述砷化镓基片自然冷却至室温。

S6、退火：将烘烤预处理后的砷化镓基片放置于石英管中，推送至管式炉的恒温区，在450～650℃下退火150～180分钟，整个过程通入含惰性气体与氧气的保护气体，所述保护气体的流速为600毫升/分钟，待管式炉温度降至室温后，将样品取出，放置于干燥箱中保存。

本发明所述的在砷化镓基片上制备钛酸锶钡介电薄膜的化学方法中，所述含惰性气体与氧气的保护气体中，所述惰性气体与氧气的体积比为90:10～98:2。

本发明所述的在砷化镓基片上制备钛酸锶钡介电薄膜的化学方法中，所述步骤S1还包括：将吹干的所述砷化镓基片送入RIE反应离子刻蚀机的真空腔体内，在氮气与氩气体积比为4:1的混合气体中进行离子刻蚀。

本发明所述的在砷化镓基片上制备钛酸锶钡介电薄膜的化学方法中，所述砷化镓基片在所述RIE反应离子刻蚀机的溅射功率为50毫瓦条件下进行离子刻蚀10分钟。

本发明所述的在砷化镓基片上制备钛酸锶钡介电薄膜的化学方法中，所述步骤S2的钛酸锶钡溶胶的配制，按以下步骤配制：

S21、按照8:2摩尔比称取一定量的乙酸钡和乙酸锶，加入冰醋酸加热并充分搅拌使其溶解；

S22、量取等摩尔比钛酸丁酯和乙酰丙酮混合；

S23、将上述步骤S21制得的溶液与步骤S22制得的溶液在50℃～70℃搅拌混合，加入质量比为2:1的乙二醇甲醚和乙二醇溶液将上述混合后的溶液稀释，最终得到0.01mol/L的钛酸锶钡溶胶溶液。

本发明所述的在砷化镓基片上制备钛酸锶钡介电薄膜的化学方法中，所述步骤S3中所述砷化镓基片在转速为2500～3500r/分钟条件下甩胶30s。