一种p型氧化镓纳米结构薄膜及其制备方法

1.本发明属于半导体薄膜材料制备技术领域，具体涉及一种p型氧化镓纳米结构薄膜及其制备方法。


背景技术：

2.氧化镓(ga2o3)是一种宽禁带半导体材料，最稳定物晶相为单斜晶系的β-ga2o3结构。ga2o3的紫外光区透过率高、击穿电场强度高(8mv/cm)、热稳定性及化学稳定性好。其良好的半导体工艺兼容性、成本低廉的特点更使其相比于sic和gan等半导体材料更具应用价值。ga2o3的诸多特性使其在光电器件、电力电子、气体传感等领域具有广泛的应用前景。
3.目前ga2o3基器件的研究进展较为缓慢，其主要原因在于ga2o3材料的有效p型掺杂存在较大困难，常规掺杂获得的空穴浓度较低且不稳定，难以制备有效的pn同质结双极器件，而与其他p型材料制成的异质结双极器件又普遍存在缺陷多、漏电流大等问题，这极大阻碍了ga2o3材料优势的应用。所以，稳定的p型ga2o3材料制备是亟须攻克的难题。为了解决上述问题，本发明提出一种较高质量、稳定的p型ga2o3纳米结构薄膜及其制备方法，从而突破ga2o3基pn同质结双极器件的制备瓶颈。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种在锑化镓(gasb)单晶衬底上通过热氧化方法制备的p型ga2o3纳米结构薄膜及其制备方法，以解决ga2o3材料p型掺杂困难且质量较低的问题。
5.本发明所述的一种p型氧化镓纳米结构薄膜，其结构如图1所示，制备步骤如下：
6.a、gasb单晶衬底1的预处理：将gasb单晶衬底1依次使用甲苯、丙酮、乙醇进行超声清洗，每种溶液的清洗时间为3～8min；然后将gasb单晶衬底1置于质量分数8～15％的盐酸中3～8min去除衬底表面的原生氧化层，最后用去离子水将衬底清洗干净并用高纯氮气将衬底吹干；
7.b、将步骤a处理后的gasb单晶衬底1在5～100pa压强下进行加热，加热温度为450～550℃，加热时间为3～15min；由于gasb在450～550℃温度下会发生分解且sb单质的饱和蒸汽压低于ga单质，所以在加热过程中，sb单质会发生脱离而在衬底1表面形成富ga状态，而ga组份在衬底1表面达到一定浓度后则会发生团簇而形成ga液滴；
8.c、向步骤b的反应体系内通入氮气和氧气，然后升高衬底温度至400～700℃使gasb单晶衬底1热氧化，其中氧气流量为50～500sccm，调节氮气流量使压强维持在100～2000pa；氧气将与gasb单晶衬底1表面的ga液滴反应，在ga液滴与gasb单晶衬底1界面处形成ga2o3晶核，为薄膜的生长提供有效位点；进一步通过gasb单晶衬底1自提供的ga和通入的氧气进行薄膜的连续生长，在衬底1表面形成氧化镓纳米柱结构；同时gasb单晶衬底1中的sb形成的sb替位(sbo)与ga2o3中的本征缺陷ga空位(v
ga
)相结合，形成sb
o-v
ga
复合体结构；这种复合体结构作为有效的受主掺杂源，可实现ga2o3薄膜的稳定p型掺杂，最终形成p型ga2o3纳米结构薄膜层2；其中热氧化过程的持续时间为20～150min，氧化镓纳米柱结构的直径为
100～400nm，氧化镓纳米结构薄膜的厚度500～3000nm，氧化镓纳米结构薄膜中的空穴浓度为3
×
10
15
～2
×
10
16
cm-3
，薄膜制备的原理如图2所示。
9.本发明的效果和益处：
10.首先，本发明解决了ga2o3材料的p型掺杂困难的问题，获得了空穴浓度稳定的ga2o3材料，为扩展ga2o3在电力电子器件与光电器件的应用提供了有效支撑。其次，本发明所制备的ga2o3纳米结构薄膜可以有效缓解薄膜与衬底间较大的晶格失配与热失配，提高薄膜晶体质量。最后，本发明还可利用gasb材料的工艺成熟、售价低、易集成等优点，使ga2o3基器件接近实用化。
附图说明
11.图1：本发明制备的p型ga2o3纳米结构薄膜的结构示意图，图1中部件1为gasb单晶衬底，2为p型ga2o3纳米结构薄膜层。
12.图2：本发明所述的p型ga2o3纳米结构薄膜的制备过程示意图。
13.步骤1是将gasb单晶衬底1进行加热；
14.步骤2是gasb单晶衬底1进行加热后，大部分sb单质会发生脱离而在衬底1表面形成富ga状态，而ga组份在衬底1表面达到一定浓度后则会发生团簇而形成ga液滴；
15.步骤3是对gasb单晶衬底1进行热氧化，氧气与ga液滴反应，在ga液滴与gasb单晶衬底1界面处形成ga2o3晶核；
16.步骤4是进一步通过gasb单晶衬底1自提供的ga和通入的氧气进行薄膜的连续生长，得到p型氧化镓纳米结构薄膜2；
17.图3：本发明制备的p型ga2o3纳米结构薄膜的扫描电镜(sem)图像，图(a)为薄膜的截面图，图(b)是薄膜的表面图。
18.图4：本发明制备的p型ga2o3纳米结构薄膜的x射线衍射图谱。
具体实施方式
19.实施例1：
20.a、gasb单晶衬底1的预处理：首先将gasb单晶衬底1在超声状态下使用甲苯、丙酮、乙醇依次清洗5min。然后将清洗后的gasb单晶衬底1置于质量分数10％的盐酸溶液中5min，去除表面氧化层并用去离子水冲洗干净，最后利用高纯氮气将衬底吹干；
21.b、在生长前需要先在真空环境下利用管式炉对gasb单晶衬底进行加热，加热温度为500℃，时间为5min，反应压强为10pa，使gasb表面的大部分sb单质脱离，形成富ga状态，ga原子在衬底表面团簇而形成微小液滴。
22.c、p型ga2o3纳米结构薄膜由加热后的gasb单晶衬底经高温氧化而成。维持温度500℃，通入氮气与氧气，其中氧气流量为300sccm，调节氮气流量使反应压强维持在1500pa。利用氧气对衬底表面的ga液滴进行热氧化，形成ga2o3晶核，氧化时间为30min。同时，高温氧化中未脱离的sb原子将以sb
o-v
ga
复合体的形式在ga2o3薄膜中充当有效受主，实现该层的p型导电性。热氧化形成的p型ga2o3薄膜的形貌呈现均匀分布的纳米结构(如图3所示)，氧化镓纳米结构的直径为300nm，氧化镓纳米结构薄膜的厚度为1500nm。
23.为表征p型ga2o3纳米结构薄膜的晶体质量，我们利用ultima iv型x射线衍射仪对
氧化后的样品进行了xrd谱的测试，结果如图4所示。在图4中，我们可以发现明显的β-ga2o3的和衍射峰，衍射峰强度与衬底衍射峰强度接近，这说明热氧化法获得的薄膜晶体质量较高。
24.表1：热氧化制备的p型ga2o3薄膜的电阻率、迁移率、载流子浓度
[0025][0026]
我们使用hl5500型hall效应测试仪表征该ga2o3纳米结构薄膜的电学特性，具体数据如表1所示。从表1的数据中可以发现，利用本发明所述方法获得的ga2o3薄膜呈p型导电性，空穴浓度达到10
16
cm-3
数量级，且样品的迁移率也较大。
[0027]
实施例2：
[0028]
a、gasb单晶衬底1的预处理：首先将gasb单晶衬底1在超声状态下使用甲苯、丙酮、乙醇依次清洗5min。然后将清洗后的gasb单晶衬底1置于质量分数10％的盐酸溶液中5min，去除表面氧化层并用去离子水冲洗干净，最后利用高纯氮气将衬底吹干；
[0029]
b、在生长前需要先在真空环境下利用管式炉对gasb单晶衬底进行加热，加热温度为470℃，时间为4min，反应压强为20pa，使gasb表面的大部分sb单质脱离，形成富ga状态，ga原子在衬底表面团簇而形成微小液滴。
[0030]
c、p型ga2o3纳米结构薄膜由加热后的gasb单晶衬底经高温氧化而成。维持温度470℃，通入氮气与氧气，其中氧气流量为100sccm，调节氮气流量使反应压强维持在1700pa。利用氧气对衬底表面的ga液滴进行热氧化，形成ga2o3晶核，氧化时间为40min。同时，高温氧化中未脱离的sb原子将以sb
o-v
ga
复合体的形式在ga2o3薄膜中充当有效受主，实现该层的p型导电性。热氧化形成的p型ga2o3薄膜的形貌呈现均匀分布的纳米结构(如图3所示)，氧化镓纳米结构的直径为100nm，氧化镓纳米结构薄膜的厚度为500nm。
[0031]
我们使用hl5500型hall效应测试仪表征该ga2o3纳米结构薄膜的电学特性，具体数据如表2所示。从表1的数据中可以发现，利用本发明所述方法获得的ga2o3薄膜呈p型导电性，空穴浓度达到10
15
cm-3
数量级，且样品的迁移率也较大。
[0032]
表2：热氧化制备的p型ga2o3薄膜的电阻率、迁移率、载流子浓度
[0033][0034]
实施例3：
[0035]
a、gasb单晶衬底1的预处理：首先将gasb单晶衬底1在超声状态下使用甲苯、丙酮、乙醇依次清洗5min。然后将清洗后的gasb单晶衬底1置于质量分数10％的盐酸溶液中5min，去除表面氧化层并用去离子水冲洗干净，最后利用高纯氮气将衬底吹干；
[0036]
b、在生长前需要先在真空环境下利用管式炉对gasb单晶衬底进行加热，加热温度为520℃，时间为6min，反应压强为7pa，使gasb表面的大部分sb单质脱离，形成富ga状态，ga
原子在衬底表面团簇而形成微小液滴。
[0037]
c、p型ga2o3纳米结构薄膜由加热后的gasb单晶衬底经高温氧化而成。维持温度520℃，通入氮气与氧气，其中氧气流量为150sccm，调节氮气流量使反应压强维持在1800pa。利用氧气对衬底表面的ga液滴进行热氧化，形成ga2o3晶核，氧化时间为60min。同时，高温氧化中未脱离的sb原子将以sb
o-v
ga
复合体的形式在ga2o3薄膜中充当有效受主，实现该层的p型导电性。热氧化形成的p型ga2o3薄膜的形貌呈现均匀分布的纳米结构(如图3所示)，氧化镓纳米结构的直径为400nm，氧化镓纳米结构薄膜的厚度为3000nm。
[0038]
我们使用hl5500型hall效应测试仪表征该ga2o3纳米结构薄膜的电学特性，具体数据如表3所示。从表1的数据中可以发现，利用本发明所述方法获得的ga2o3薄膜呈p型导电性，空穴浓度达到10
16
cm-3
数量级，且样品的迁移率也较大。
[0039]
表3：热氧化制备的p型ga2o3薄膜的电阻率、迁移率、载流子浓度
[0040][0041]
以上结果证明本方法制备的ga2o3纳米结构薄膜晶体质量较高，且能够有效解决材料的p型掺杂问题。此外，该方法的工艺简单，生产成本低。该方法的使用将开辟一条p型ga2o3材料制备的新途径，对我国功率器件领域的发展起到极大的推动作用。