碲化镓微纳结构及其异质结的制备方法

本发明属于半导体材料制备领域，具体涉及一种碲化镓微纳结构及其异质结的制备方法。

背景技术：

1、碲化镓(gate)作为iii-vi族化合物半导体之一，相比于硫化镓(gas)及硒化镓(gase)，具有更低的禁带宽度(1.64ev)、更低的熔点(850℃)、较高的空穴密度(1016-1017cm-3)及空穴迁移率(30-40cm2/vs)，且为直接带隙，使其在太阳能窗口材料和室温辐射探测等方面优势明显；此外，gate呈现天然的p型导电性，可作为异质p型材料，在异质结光电探测(例如n-si/p-gate)及异质结太阳能电池(例如n-inse/p-gate)方面应用潜力巨大。

2、纳米材料相比于体块晶体，具有比表面积大、光俘获能力强等独特的物理性质，在超密集集成电路、光电探测器中表现出了优异的性能。由于体块gate的制备难度大且能带结构更为复杂，其研究较少。微纳结构gate制备及形貌控制更有待进一步研究，尤其是高产量、简易、低成本的微纳结构gate合成方法。目前，对于gate微纳结构，尤其是高密度条带状gate微纳结构未见报道。

技术实现思路

1、针对现有技术缺少高密度条带状gate微纳结构的不足，本发明提供一种碲化镓微纳结构及其异质结的制备方法，该方法基于高温原位te化处理技术，在n型ga源单晶衬底的表面生长了高密度条带状p型gate微纳结构，构建了垂直结构的异质p-n结。

2、本发明具体通过以下技术方案实现：

3、一种碲化镓微纳结构及其异质结的制备方法，其步骤包括：

4、(1)将镓化合物单晶衬底放置于石英舟中，并将石英舟放置于化学气相沉积炉的下游温区；

5、(2)将纯度至少为5n的碲粉放置于石英舟中，并将石英舟放置于所述化学气相沉积炉的上游温区，与下游温区装有所述镓化合物单晶衬底的石英舟间隔5～10cm；

6、(3)对化学气相沉积炉进行抽真空处理，直至真空度降至10-1pa或以下；

7、(4)上下游温区同时升温，上游温区升温至500℃，下游温区升温至800℃；

8、(5)待上游温区升温至500℃，恒温使碲源充分挥发，通入载气；

9、(6)通入载气至化学气相沉积炉中至气压到达常压后，恒定载气的流量为800～120sccm，反应时间为4～8h；

10、(7)反应结束后，停止通入载气，关闭化学气相沉积炉电源，冷却；

11、(8)温度降到室温后，取出，在衬底上表面获得高密度条带状碲化镓微纳结构。

12、上下游温区的石英舟的间距以及载气的流量在上述限定范围内，有利于生成高密度的gate微纳结构，并且更好地满足碲化镓化学计量比。

13、步骤(4)上游温区的温度略高于碲粉的熔点，使其挥发分解到下游衬底；下游温区的温度是生成gate的反应温度，在此温度下有利于生成高密度、条带状gate微纳结构。

14、进一步的，所述步骤(1)采用的镓化合物单晶衬底为n型导电。

15、进一步的，所述步骤(1)采用的镓化合物为β-ga2o3、gaas或者gan，更优选为β-ga2o3。β-ga2o3作为超宽禁带半导体材料之一，因其大的禁带宽度、高的击穿场强、高的巴利加优值及功率优值，使其在高频、大功率、抗辐射电力电子器件应用方面优势明显。由于受价带离散度小、空穴有效质量大及n型背景载流子自补偿效应等影响，有效p型掺杂β-ga2o3难以实现。以niox(3.8-4ev)为代表的宽禁带p型材料与n型β-ga2o3相结合，构建垂直结构的异质p-n结二极管，提高了器件耐压特性，但即使引入其它p型材料构建异质p-n结，β-ga2o3二极管的潜力也远未达到材料极限。主要原因包括：(1)异质p型材料通常采用低温溅射和激光脉冲的方法快速沉积在n型β-ga2o3衬底或者薄膜表面，呈现多晶态，晶体质量较差，大量晶界的存在导致载流子被捕获、散射；(2)沉积的p型多晶膜与n型β-ga2o3晶系不同，界面晶格失配率高，化学结合键弱，导致载流子界面传输受阻，导通电阻增加。本发明在氧化镓衬底上制备的p型gate微纳结构，属于与β-ga2o3晶系相同的宽禁带p型材料，具有较高的p-n结界面结合力，对于有效推进高性能β-ga2o3双极性器件研发进程，具有重大科学意义和应用价值。

16、进一步的，所述步骤(2)中所述的上游碲粉与下游单晶衬底的距离间隔为7cm。

17、进一步的，所述步骤(3)中所述的化学气相沉积炉的真空度为10-3pa～10-1pa。

18、进一步的，所述步骤(4)升温速率为8～10℃/min。

19、进一步的，所述步骤(5)恒温时间为1～1.5h。

20、进一步的，所述化学气相沉积炉中所通入的载气为氩气。

21、本发明的有益效果：

22、1、本发明借助衬底里边的ga元素，首次制得了高密度条带状gate微纳结构。

23、2、本发明在n型ga源单晶衬底的表面生长了高密度条带状p型gate微纳结构，构建了垂直结构的异质p-n结，对于缺乏p型导电的β-ga2o3单晶尤为重要，在可见-紫外光波段光电探测、太阳能电池及功率器件研制方面潜力巨大，有重要的应用价值。

24、3、常用高温外延技术如mbe、mocvd等外延成本高、工艺复杂，本发明的高温原位te化技术，工艺简单，成本低廉。

技术特征：

1.一种碲化镓微纳结构及其异质结的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)采用的镓化合物单晶衬底为n型导电。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)采用的镓化合物为β-ga2o3、gaas或者gan。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中所述的上游碲粉与下游单晶衬底的距离间隔为7cm。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中所述的化学气相沉积炉的真空度为10-3pa～10-1pa。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)升温速率为8～10℃/min。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述化学气相沉积炉中所通入的载气为氩气。

8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(5)恒温时间为1～1.5h。

技术总结
本发明属于半导体材料制备领域，针对缺少高密度条带状GaTe微纳结构的不足，提供一种碲化镓微纳结构及其异质结的制备方法。将镓化合物单晶衬底放置于石英舟中并置于化学气相沉积炉的下游温区；将碲粉放置于石英舟中并置于化学气相沉积炉的上游温区；对化学气相沉积炉抽真空；上下游温区同时升温，上游温区升温至500℃，下游温区升温至800℃；待上游温区升温至500℃，恒温，通入载气，气压到达常压后，恒定载气的流量，反应4～8h；反应结束后，停止通气体，关闭电源，冷却。该方法基于高温原位Te化处理技术，在n型Ga源单晶衬底的表面生长了高密度条带状p型GaTe微纳结构，构建了垂直结构的异质p‑n结。

技术研发人员：付博,王海婷,于志鸿,张栩朝,汪倩文,高树静
受保护的技术使用者：青岛科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16