本发明涉及一种钽(ta)掺杂β氧化镓(β-ga2o3)晶态材料及其制备方法和应用。
背景技术：
β-ga2o3是一种直接带隙宽禁带半导体材料，禁带宽度约为4.8-4.9ev。它具有禁带宽度大、饱和电子漂移速度快、热导率高、击穿场强高、化学性质稳定等诸多优点，从深紫外(duv)到红外(ir)区域都是透明的，与传统透明导电材料(tcos)相比，可以制备波长更短的新一代半导体光电器件。
纯的β-ga2o3晶体表现为半绝缘或较弱的n型导电，目前已知的提高β-ga2o3晶体的n型导电能力的主要方法是进行4价离子(iv族元素)的掺杂，主要包括第四主族和第四副族的si、hf、ge、sn、zr、ti等离子的掺杂。以si为例，其提高载流子浓度的主要机理反应如下：
从上式可以看出，iv族元素掺杂提供自由电子的理论极限能力约为1:1，随着掺杂浓度提高，晶体结晶困难增加，电导率提高程度有限。
其中，iv族元素中si和sn是常用的两个掺杂元素。美国专利文献us20070166967a1和日本专利文献jp2015083536a公开了采用si掺杂β-ga2o3单晶。虽然上述两文献公开的si掺杂β-ga2o3单晶电阻率在2.0×10-3到8.0×102ω·cm范围内，电阻率可低至2.0×10-3ω·cm，但是上述最低电阻率仅仅是理论上的。实践过程中很难达到，由于si4+与ga3+半径差别很大，所以随着si等iv元素的掺杂浓度大幅提高，将会有第二相析出，导致晶体质量下降，如us20070166967a1和jp2015083536a最终也只制备出了si掺杂浓度在0.2mol％左右(参见appliedphysicsletters,2008,92,202120)的掺杂β-ga2o3单晶，该掺杂晶体的电阻率在2.0×10-2ω·cm左右(具体可参见说明书图2)。
期刊文献(thinsolidfilms,2008,516(17),5763-5767)公开了采用sn掺杂β-ga2o3单晶，但由于锡的氧化物挥发性很强，通常原料配比中即使加了2-10mol％的sn，所获得的晶体中sn的含量也仅为ppm量级，这不仅对控制其含量及其均匀性带来了极大的困难，而且锡的氧化物的挥发还会造成对制备设备的污染。
因此，如何以一种简单的方式制备高电导率的掺杂β-ga2o3成了本领域的重要研究课题。
技术实现要素：
本发明所解决的问题在于克服现有的iv族元素掺杂晶态β-ga2o3电导率提高程度有限，要制备得到高电导率的iv族元素掺杂晶态β-ga2o3存在晶体结晶困难、工艺条件苛刻的缺陷，提供了一种v族元素ta掺杂β-ga2o3晶态材料及其制备方法和应用。本发明的v族元素ta掺杂β-ga2o3晶态材料表现出n型导电特性，采用常规工艺即可制备得到高电导率的β-ga2o3晶态材料。
通常在晶态β-ga2o3中掺杂价态比ga3+高的离子可一定程度地提高晶态β-ga2o3的电导率，然而若掺杂离子价态过高，电荷难以平衡，极易产生较多的掺杂缺陷，缺陷会消耗电子，使得能够自由移动的载流子数量明显降低，不能有效达到通过掺杂高价离子来提高晶态β-ga2o3电导率的目的，还会严重影响材料的应用性能。因此，现有技术中通常采用比ga3+高1价的iv族元素来掺杂晶态β-ga2o3，尚无采用v族元素掺杂的报道，因为用v族元素掺杂β-ga2o3会引入较多的掺杂缺陷，影响材料的应用性能，目前也尚无法得到有力的理论支持，而且在具体实验上也面临着极大难度。
然而，本发明的发明人通过科学设计和实验验证，惊奇地发现采用一定量的5价ta离子掺杂晶态β-ga2o3可比常用的+4价离子提供更多的自由电子，提高载流子浓度，进而利于电导率的提高，并且通过掺杂元素ta的含量控制，可调控β-ga2o3晶态材料的导电性，主要的缺陷反应机制如下：
从上式可以看出，v族元素ta掺杂提供自由电子的理论极限能力可为1:2，电导率提高程度明显大于iv族元素。因此，采用常规工艺即可在高的掺杂浓度下结晶得到晶体。
进一步，本发明的发明人发现对ta掺杂的晶态β-ga2o3退火后，可除去晶格中的氧空位，使掺杂后的晶态β-ga2o3带隙更宽，为其应用提供依据。
最终本发明通过以下技术方案来解决上述技术问题。
本发明提供了一种ta掺杂β-ga2o3晶态材料，属于单斜晶系，空间群为c2/m，所述ta掺杂β-ga2o3晶态材料的电阻率在2.0×10-4到1×104ω·cm范围内和/或载流子浓度在5×1012到7×1020/cm3范围内。
本发明中，术语晶态(crystalline)材料指固态物质占主导存在形态且内部结构呈现长程有序状态的材料，包括固体晶体和固态物质占主导地位的液晶等。其中，晶态材料按其晶体结晶过程中的宏观聚集状况及晶粒粒径划分，包括单晶、双晶(孪晶)、多晶(粉晶)、共晶、微晶以及纳米晶等。本发明中，对于晶态材料的宏观存在形式不作特殊限定，例如可为粉末、颗粒、薄膜等。
本发明中，所述ta掺杂β-ga2o3晶态材料的分子式可为ga2(1-x)ta2xo3，0.000000001<x<0.01，较佳地x为0.000001<x<0.01。
本发明中，所述ta掺杂β-ga2o3晶态材料较佳地为ta掺杂β-ga2o3晶体，更佳地为ta掺杂β-ga2o3单晶。
本发明中，所述ta掺杂β-ga2o3晶态材料的电阻率较佳地2.0×10-3到3.6×102ω·cm范围内，更佳地在0.004-7.9ω·cm范围内。
本发明中，所述ta掺杂β-ga2o3晶态材料的载流子浓度较佳地在3.7×1015到6.3×1019/cm3范围内，更佳地在3.7×1015到3.0×1019/cm3范围内。
本发明还提供了一种ta掺杂β-ga2o3晶态材料的制备方法，所述制备方法可按照本领域常规将纯度在4n以上的ta2o5和ga2o3混合后进行晶体生长即可，其中所述ta2o5和ga2o3较佳地按照摩尔比(0.000000001-0.01):(0.09-0.999999999)进行混合，更佳地按照摩尔比(0.000001-0.01):(0.09-0.999999)进行混合。
本发明中，术语纯度指样品中ta2o5或ga2o3所占的质量分数。纯度为4n表示ta2o5或ga2o3的质量含量为99.99％。当ta2o5或ga2o3的原料纯度低于要求纯度时，会因杂质过多影响最终晶态材料的导电性。
本发明中，所述ta2o5和ga2o3的纯度较佳地为5n以上，即样品中ta2o5或ga2o3的质量含量为99.999％。所述ta掺杂β-ga2o3晶态材料为ta掺杂β-ga2o3单晶时，制备过程中使用的ga2o3的纯度较佳地为6n以上，即样品中ga2o3的质量含量为99.9999％。
本发明中，所述ta掺杂β-ga2o3晶态材料后续还可进一步进行退火的操作，以除去晶格中的氧空位，增加载流子浓度的控制范围。所述退火的温度和时间可为本领域常规，例如1000℃-1200℃退火3-10h。
本发明中，ta掺杂β-ga2o3晶态材料可含有原料在精制过程中不可避免地包含的杂质元素以及工艺上不可避免地混入的杂质元素，相对于全部构成成分，上述杂质元素的含量较佳地在10ppm以下。
本发明中，制备ta掺杂β-ga2o3晶态材料采用的晶体生长方法和生长条件不作特殊限定，可为本领域常规的晶体生长方法和生长条件。所述ta掺杂β-ga2o3晶态材料为ta掺杂β-ga2o3单晶时，通常采用本领域常规使用的熔体法生长单晶，熔体生长法通常是在熔体中引入籽晶，控制单晶成核，然后在籽晶和熔体的相界面上进行相变，促进晶体不断长大，一般包括提拉法、泡生法、坩埚下降法、光学浮区法、焰熔法等，光学浮区法是一种简单高效的方法，本发明中采用光学浮区法。
其中，采用光学浮区法制备ta掺杂β-ga2o3单晶的步骤一般包括混合、制棒、烧结和晶体生长。
其中，所述混合可采用本领域常规使用的混合方式，例如湿法混合。所述湿法混合时使用的溶剂种类和用量不作特殊限定，只要能使ta2o5和ga2o3混合均匀并且后续容易去除即可，一般使用挥发性溶剂如乙醇。将ta2o5和ga2o3在挥发性溶剂中分散混匀后通过烘烤方式即可使溶剂完全挥发。为使ta2o5和ga2o3混合更均匀，所述湿法混合还可采用湿法球磨工艺进行混合，所述湿法球磨的时间可为本领域常规，例如12-24h。
其中，所述压棒可采用本领域常规的操作方式，压棒一般使用等静压机进行。本领域技术人员知晓ta2o5和ga2o3的混合料呈粉末状可易于压制，并能使压制均匀，因此若压制前混合料存在结块现象，可通过研磨方式，如球磨方式，将其磨成粉末状。
在本发明某一实施例中，纯度在4n以上的ta2o5和6nga2o3按照摩尔比(0.000001-0.01):(0.09-0.999999)混合后，通过加入适量无水乙醇进行湿法球磨，球磨时间为12-24h，以使ta2o5和ga2o3充分混匀，之后将所得混合料在80-100℃下烘烤3-6h，使乙醇完全挥发，再将烘干后的混合料球磨成粉末状，以备压棒用。
其中，所述烧结可按照本领域常规的烧结温度和时间进行，用以除去ta2o5和ga2o3混合料中的水分，并使ta2o5和ga2o3发生固相反应，形成多晶料。所述烧结的温度较佳地为1400-1600℃，所述烧结的时间较佳地为10-20h。所述烧结一般在马弗炉中进行。
其中，所述晶体生长的气氛较佳地为惰性气氛或氧化气氛，以保证ta离子的价态稳定。所述惰性气氛可为本领域常规的惰性气氛，如氮气气氛或氩气气氛；所述氧化气氛可为本领域常规的氧化气氛，如氧气气氛或空气气氛。
其中，采用光学浮区法制备ta掺杂β-ga2o3单晶，一般是将β-ga2o3晶体作为籽晶，加热使籽晶熔化，然后用烧结后的ta2o5和ga2o3多晶料棒接触籽晶，再调整料棒和籽晶的转速和旋转方向，接种，进行晶体生长，之后降温分离熔区，即得ta掺杂β-ga2o3单晶。所述晶体的生长速度较佳地为4.5-6mm/h，所述转速较佳地为8-12rpm。所述降温通常为自然降温，一般为降温至室温。所述光学浮区法制备ta掺杂β-ga2o3单晶一般在浮区炉中进行。
在本发明某一实施例中，浮区法生长ta掺杂β-ga2o3单晶按照如下步骤进行：将烧结后的ta2o5和ga2o3多晶料棒装入浮区炉中作为上料棒，<010>方向的β-ga2o3晶体作为籽晶，升温先使籽晶熔化，然后接触上料棒，调整料棒和籽晶的转速和旋转方向，接种，开始晶体生长，晶体的生长速度为4.5-6mm/h，转速为8-12rpm，生长气氛为空气气氛，晶体生长完毕后，拉脱熔区，缓慢降至室温，取出晶体。
本发明还提供了上述制备方法制得的ta掺杂β-ga2o3晶态材料。
本发明还提供了所述ta掺杂β-ga2o3晶态材料在电力电子器件、光电子器件、光催化剂或导电衬底上的应用。
其中，所述光电子器件包括透明电极、太阳能电池板、发光器件、光探测器、传感器等；所述导电衬底包括作为gan的衬底材料、ga2o3自身的衬底材料等。
在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实例。
本发明所用试剂和原料均市售可得。
本发明的积极进步效果在于：
(1)本发明采用5价ta离子掺杂晶态β-ga2o3提供自由电子的极限能力为1:2，明显高于+4价离子掺杂提供自由电子的能力(1:1)，因此在相同的掺杂浓度下可提供更多的自由电子，更有利于提高载流子浓度，改善电导率。
(2)本发明采用5价ta离子掺杂晶态β-ga2o3通过掺杂元素ta的含量控制，可调控β-ga2o3晶态材料的导电性。本发明的ta掺杂β-ga2o3晶态材料电阻率可在2.0×10-4到1×104ω·cm范围内实现控制，载流子浓度可在5×1012到7×1020/cm3范围内实现控制
(3)本发明的ta掺杂β-ga2o3晶态材料采用本领域常规方法即可制备得到，无需昂贵的原料和苛刻的工艺。
(4)本发明对ta掺杂的晶态β-ga2o3退火后，可除去晶格中的氧空位，增加载流子浓度的控制范围，为其应用提供了依据。
附图说明
图1为实施例1-4ta掺杂β-ga2o3原生晶体的ta2o5掺杂浓度与载流子浓度和电阻率之间的关系图。
图2为实施例1-3退火后的ta掺杂β-ga2o3晶体的ta2o5掺杂浓度与载流子浓度之间的关系图。
具体实施方式
下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，按照常规方法和条件，或按照商品说明书选择。
下述实施例中，所用原料和试剂皆市售可得。
实施例1
一种ta掺杂β-ga2o3单晶，分子式为ga2(1-x)ta2xo3(x＝0.0001％)，属于单斜晶系，空间群为c2/m，其由如下制备方法制得，具体步骤为：
(1)配料：按照摩尔比0.999999:0.000001称取纯度在6n以上的ga2o3和纯度在4n以上的ta2o5原料；
(2)混料：将所称重的原料放入清洁的聚四氟乙烯球磨罐中，放入高纯刚玉球，倒入适量无水乙醇，密封后，放入球磨机中，混料12h；
(3)烘干：将球磨罐至于烘箱中，在80℃下烘烤6h，使乙醇完全挥发，然后再次放入球磨机球磨10分钟将烘干后的块状原料磨成粉末状；
(4)压棒：将干燥后的混合粉料放入有机模具中，使用等静压机压制成料棒；
(5)烧结：将压制好的料棒放入马弗炉中，在1500℃下烧结10h，除去原料中的水分，并使ta2o5与ga2o3原料发生固相反应，形成多晶料；
(6)晶体生长：将烧结好的多晶料棒装入浮区炉中作为上料棒，并将<010>方向的β-ga2o3晶体放在下面作为籽晶；升温先使籽晶熔化，然后接触上面的料棒，达到稳定后开始晶体的生长；晶体生长速度为5mm/h，转速为10rpm，生长气氛为空气气氛；晶体生长完毕后，停止上料棒的下降，通过下面晶体的自然下降使熔区逐渐分离，再经过约1h自然缓慢降至室温，取出晶体；所得原生晶体完整无开裂，颜色均匀；
(7)退火：将所得原生晶体在1000℃下退火3h。
实施例2
一种ta掺杂β-ga2o3单晶，分子式为ga2(1-x)ta2xo3(x＝0.005％)，属于单斜晶系，空间群为c2/m，其制备步骤和条件同实施例1，只是步骤(1)中ta2o5的掺杂浓度有所不同，其ga2o3和ta2o5的摩尔比为0.99995:0.00005。
实施例3
一种ta掺杂β-ga2o3单晶，分子式为ga2(1-x)ta2xo3(x＝0.1％)，属于单斜晶系，空间群为c2/m，其制备步骤和条件同实施例1，只是步骤(1)中ta2o5的掺杂浓度有所不同，其ga2o3和ta2o5的摩尔比为0.999:0.001，并且未进行退火操作。
实施例4
一种ta掺杂β-ga2o3单晶，分子式为ga2(1-x)ta2xo3(x＝1％)，属于单斜晶系，空间群为c2/m，其制备步骤和条件同实施例1，只是步骤(1)中ta2o5的掺杂浓度有所不同，其ga2o3和ta2o5的摩尔比为0.99:0.01，并且未进行退火操作。
实施例5
一种ta掺杂β-ga2o3单晶，分子式为ga2(1-x)ta2xo3(x＝0.0001％)，属于单斜晶系，空间群为c2/m，其由如下制备方法制得，具体步骤为：
(1)配料：按照摩尔比0.999999:0.000001称取纯度在6n以上的ga2o3和纯度在4n以上的ta2o5原料；
(2)混料：将所称重的原料放入清洁的聚四氟乙烯球磨罐中，放入高纯刚玉球，倒入适量无水乙醇，密封后，放入球磨机中，混料24h；
(3)烘干：将球磨罐至于烘箱中，在100℃下烘烤3h，使乙醇完全挥发，然后再次放入球磨机球磨10分钟将烘干后的块状原料磨成粉末状；
(4)压棒：将干燥后的混合粉料放入有机模具中，使用等静压机压制成料棒；
(5)烧结：将压制好的料棒放入马弗炉中，在1400℃下烧结20h，除去原料中的水分，并使ta2o5与ga2o3原料发生固相反应，形成多晶料；
(6)晶体生长：将烧结好的多晶料棒装入浮区炉中作为上料棒，并将<010>方向的β-ga2o3晶体放在下面作为籽晶；升温先使籽晶熔化，然后接触上面的料棒，达到稳定后开始晶体的生长；晶体生长速度为4.5mm/h，转速为12rpm，生长气氛为空气气氛；晶体生长完毕后，停止上料棒的下降，通过下面晶体的自然下降使熔区逐渐分离，再经过约1h自然缓慢降至室温，取出晶体；所得原生晶体完整无开裂，颜色均匀；
(7)退火：将所得原生晶体在1200℃下退火4h。
实施例6
一种ta掺杂β-ga2o3单晶，分子式为ga2(1-x)ta2xo3(x＝0.0001％)，属于单斜晶系，空间群为c2/m，其由如下制备方法制得，具体步骤为：
(1)配料：按照摩尔比0.999999:0.000001称取纯度在6n以上的ga2o3和纯度在4n以上的ta2o5原料；
(2)混料：将所称重的原料放入清洁的聚四氟乙烯球磨罐中，放入高纯刚玉球，倒入适量无水乙醇，密封后，放入球磨机中，混料18h；
(3)烘干：将球磨罐至于烘箱中，在90℃下烘烤5h，使乙醇完全挥发，然后再次放入球磨机球磨10分钟将烘干后的块状原料磨成粉末状；
(4)压棒：将干燥后的混合粉料放入有机模具中，使用等静压机压制成料棒；
(5)烧结：将压制好的料棒放入马弗炉中，在1600℃下烧结10h，除去原料中的水分，并使ta2o5与ga2o3原料发生固相反应，形成多晶料；
(6)晶体生长：将烧结好的多晶料棒装入浮区炉中作为上料棒，并将<010>方向的β-ga2o3晶体放在下面作为籽晶；升温先使籽晶熔化，然后接触上面的料棒，达到稳定后开始晶体的生长；晶体生长速度为6mm/h，转速为8rpm，生长气氛为空气气氛；晶体生长完毕后，停止上料棒的下降，通过下面晶体的自然下降使熔区逐渐分离，再经过约1h自然缓慢降至室温，取出晶体；所得原生晶体完整无开裂，颜色均匀；
(7)退火：将所得原生晶体在1000℃下退火10h。
对照例
一种纯β-ga2o3单晶，其制备步骤和条件同实施例1，只是未进行ta2o5掺杂。
效果实施例1
将实施例1-6所得的ta掺杂β-ga2o3单晶以及对照例的纯β-ga2o3单晶(包括原生晶体和退火后的晶体)分别切成5mm×5mm×0.3mm样品，在四角上制作铟电极后，采用霍尔效应测试仪进行测试。测试结果表明实施例1-6掺杂晶体的导电类型为n型，其中实施例1-4和对照例样品的载流子浓度和电阻率测试结果如下表1所示：
表1实施例1-4和对照例的载流子浓度和电阻率
由上表数据可知，纯的β-ga2o3原生晶体退火后，近乎绝缘。而相较于纯的β-ga2o3原生晶体，用ta掺杂β-ga2o3单晶后载流子浓度大幅增加，电导率明显改善，其中载流子浓度增加幅度至少在103以上，电阻率降低至少500倍，表明ta离子已成功掺杂入β-ga2o3晶格中。实施例5和6样品的电阻率和载流子浓度与实施例1基本相当。
进一步，为研究原生晶体中ta掺杂浓度与载流子浓度和电阻率的关系，本发明绘制了实施例1-4未经退火样品的ta2o5掺杂浓度-载流子浓度-电阻率的曲线，具体可参见附图1。此外，为研究退火后ta2o5掺杂浓度与载流子浓度的关系，本发明绘制了实施例1-3退火后样品的ta2o5掺杂浓度-载流子浓度曲线，具体可参见附图2。
从图1中可以看到，ta2o5掺杂浓度与载流子浓度，以及ta2o5掺杂浓度与电阻率之间基本呈线性关系。在本发明的掺杂浓度范围内，退火前样品随着ta2o5掺杂浓度的增加，载流子浓度基本呈线性增加，电阻率基本呈线性下降。从图2中可以看出，样品退火后载流子浓度下降，并且退火后样品的ta2o5掺杂浓度与载流子浓度之间也基本呈线性关系。
需要说明的是，上述ta掺杂β-ga2o3单晶的载流子浓度和电阻率为本发明具体实验获得，由于实践中原料纯度、制备工艺及测试条件等的影响，会使实际测得的掺杂晶体的载流体浓度和电阻率与理论值存在差距，或者存在无法检测到的情况。因此，上述实施例仅仅是举例说明，本领域技术人员根据本发明公开的ta掺杂浓度结合本领域公知常识可推知ta掺杂β-ga2o3晶态材料的载流子浓度实质上可在5×1012到7×1020/cm3范围内实现控制，电阻率可在2.0×10-4到1×104ω·cm范围内实现控制。具体推算过程如下：
根据本发明实验获得的β-ga2o3单晶中掺ta的最大值为1at％，
而1molβ-ga2o3的体积为184.44/5.94cm3＝31cm3；
则1mol掺ta1at％的β-ga2o3中含ta原子个数为：1×2×1％×6.023×1023＝1.2×1022；
因此，掺ta1at％的β-ga2o3载流子浓度的理论值为＝2×1.2×1022/31＝7.7×1020/cm3。
再者，所采用hall效应低阻模块测试电阻率的极限值为105，本发明实验表明6n纯β-ga2o3晶体退火后超出测试极限，说明其电阻率>105，故采用在6n纯β-ga2o3掺ta完全可以将电阻率控制到1×104，这个数值是实施例1的1/1266，而将实施例中的载流子浓度乘以1/1266可得3×1012/cm3，故而ta掺杂β-ga2o3晶态材料的电阻率实现5×1012/cm3也是可行的。与该载流子浓度对应的ta的掺杂浓度则为10-7at％。
因此，ta掺杂β-ga2o3晶态材料的ta掺杂量可在0.0000001mol％到1mol％范围内，电阻率可在2.0×10-4到1×104ω·cm范围内实现控制，载流子浓度可在5×1012到7×1020/cm3范围内实现控制。
以上说明了本发明的实施方式，然所述实施例仅为了便于说明而举例而已，并非用以限定本发明，本领域的技术人员在不脱离本发明精神和范围的前提下可作若干的更动与润饰，本发明所主张的保护范围应以权利要求书所述为准。