一、实验原理

1．主要性质和用途

砷化镓(CaAs, gallium arsenic）材料电子迁移率高、衬底电阻率高，与Si材料相比，更适合于做微波器件和超高速器件。加之GaAs是直接带隙材料，光在其表面吸收，具有最佳带隙值，是一种优良的太阳能电池材料。

聚酰亚胺具有苯环和杂环结构，耐臭氧、电晕、老化、辐射、燃烧，其耐辐射性能（10⁹rad）高于Si材料，另外，高低温性能好，可在200一250℃和-50℃下长期工作。聚酸亚胺薄膜沉积GaAs为制作高效率、低成本、使用灵活方便的新型太阳电池—柔性太阳能电池开辟了一条新途径。

2．制备原理

目前大多利用分子束外延、金属有机物化学气相沉积、液相外延及射频溅射等技术制备GaAs薄膜，但所用设备复杂、耗能大、生长周期长、成本高、污染环境，极大地限制了GaAs材料的应用。采用电沉积技术即可克服上述缺点。目前人们已利用这一技术成功地制备出AsSb,MoSe₂, GaAs_l _ _x Sb_x , Culn和InAs_l一xSb_x等半导体薄膜。

电沉积是一种电化学过程，也是一种氧化还原过程。从理论上说，只要阴极电势负于金属的还原电势，金属就可在阴极表面沉积出来，电沉积单一金属的技术已经比较成熟，但是对于两种或两种以上的元素的电沉积情况就比较复杂了。这是因为各种元素电沉积的最佳条件不尽相同，而且，元素离子间的电沉积相互影响。研究结果表明，在给定的温度和电流密度条件下，影响多元组分的共沉积的主要因素有：

①电解液中单个离子的放电电势。

②放电电势的差异引起的电极极化。

③电解液中离子的相对浓度。

④氢在阴极表面的析出电势。

⑤阴极表面的导电性。

这些因素往往随着温度、电流密度的变化而变化。电解液中，一种离子在阴极上放电，其放电电势为

这里φ^Θ, a,△φ, R, F,n和T分别为标准电极电势、离子活度、超电压、气体常数、法拉第常数，得失电子数目和绝对温度。

如果电解液中有两种元素的离子A与B，只要它们在溶液中或沉积过程不互相作用，而且两者的放电电势(φA和φB彼此相等，即

它们就可能同时析出，即共沉积。

在含有（CA³⁺和As0⁺离子的电解液中电沉积GaAs，其放电电势为

其中Ga和As的标准电极电势差别很大，而且As的电势很正，故As先于Ga在阴极沉积。为使Ga和As共同沉积，必须采取有力措施。

一般说来，提高电流密度，可以加强阴极极化作用，对电势较负的金属离子沉积有利，这样可以增加沉积层中电势较负的金属的比例。因此采用恒温T=310 K，电解液的酸度在GaAs共同的不敏感区pH=0.3一4.1条件下，控制电流密度，这时阴极电势的不同变化，可以补偿标准电极电势的差别。当电流达到一定值时，Ga和As的放电电势可趋向一致，并开始共同析出。

为使Ga和As的标准电极电势的差别和在某一电流密度下阴极电势极化值的差别得到进一步补偿，我们同时采用不同的离子浓度。改变离子浓度，即改变和。一般情况下，电解液中某种离子浓度比值越高，则沉积层中所含该种成分也较多。实验中，采用较高的Ga^3＋浓度和较低的As0^＋溶度，二者浓度之比最高接近9倍，从而达到Ga和As的放电电势接近相等，使二者共同析出。

二、主要仪器和药品

分析天平、烧杯、磁力搅拌器、水浴锅、饱和KC1盐桥、电流计（量程1 A)、恒电势仪，石墨片(50 mm x 60mmx 2 mm), 温度计、PH计导电玻璃(30 mm x 40 mm x 2 mm）或导电PI片(30 mm x 40 mm x 1 mm)X一射线衍射仪扫描电子显微镜（后两者为辅助设备）。

As2O3、Ga,H202、浓盐酸、蒸馏水。

三、实验内容

1．导电玻璃和导电PI基片预处理

(1)导电玻璃或导电PI基片分别用丙酮、乙醇棉球擦洗一遍后，用大量去离子水冲洗，烘干。沉积之前用质量分数5%HCI漂洗10s。

石墨电极使用前也要分别用丙酮、乙醇棉球擦洗后，用去离子水冲洗。

2．电解液配制

分析天平准确称取4g左右金属Ga,溶于40 ml质量分数36.5% HCI中。Ga在HCI中溶解速度非常缓慢，完全溶解需要1个星期时间。Ga完全溶解后，加人去离子水配制成500 ml溶液备用。

同样称取6g左右As₂0₃粉末，溶于50 ml质量分数36.5%HCI中。为加速As₂0₃溶解，可将烧杯置于50℃水浴锅中As₂0₃完全溶解后，加入去离子水配制成500 ml溶液备用。

3. GaAs薄膜沉积

电沉积制备GaAs薄膜实验装置如图9.13所示。其中阳极选用石墨片；阴极是沉积GaAs薄膜的衬底基片，选用导电玻璃或聚酰亚胺基片；电解液为含有Ga³⁺和As0⁺的盐酸溶液。通过改变溶液中。(Ga³⁺)/c(Aso⁺）值、PH值、温度和电流密度，研究这些沉积工艺参数对膜层表观质量和膜层中Ga与As的物质量比的影响，可以确定最佳沉积工艺参数。膜层表观质量以致密均匀为佳；膜层中Ga与As的物质量比可以通过扫描电镜、能谱分析仪分析确定。如表9.4和表9.5分别示出了溶液中Ga³⁺和As0⁺浓度比值、电流密度和GaAs膜层中Ga与As物质量比的影响。

注：J=6.29 mA·cm^-2 ;θ=14℃，pH＝1.42;t＝5 min.

建议电沉积GaAs薄膜工艺参数：c(Ga³⁺）为0.3088g·L^-1，c(AsO⁺）为0.0397 g·L^-1，电流密度J为6.25mA·cm^-2,pH值为1.4,温度35℃，沉积时间628 min。

4 . GaAs薄膜表征

结构表征。利用X射线衍射仪测试所制备GaAs薄膜X射线衍射谱（XRD)，以确定其是否为GaAs化合物。如图9.14为采取上述最佳工艺制备的GaO_0.9946 、As_1.0054薄膜XRD谱图，与同一图中示出的GaAs标准衍射谱几乎一一对应，膜层为化合态的GaAs。

四、注意事项

① As0₃剧毒，实验后要彻底清除残留物。

② GaC1₃易挥发，HCl溶解Ga时不要加热；HCl溶解AsO₃时温度不要过高，防止H₃AS0₃生成。