掺杂氧化镓晶体及其制备方法技术

本发明专利技术揭示了一种掺杂氧化镓晶体及其制备方法。本发明专利技术提供的掺杂氧化镓晶体，为氧化镓晶体经掺杂形成N型导电体，掺杂元素为铌，掺杂浓度范围为小于等于0.8mol％。本发明专利技术可以获得具有高载流子浓度和高导电性的氧化镓晶体，并且，通过对掺杂浓度的控制，能够得到不同电阻率和载流子浓度的氧化镓晶体。

Doped gallium oxide crystal and preparation method thereof

The invention discloses a doped gallium oxide crystal and a preparation method thereof. The doped gallium oxide crystal provided by the invention is doped with gallium oxide crystal to form N-type conductive body, the doping element is niobium, and the doping concentration range is less than or equal to 0.8 mol%. The invention can obtain gallium oxide crystals with high carrier concentration and high conductivity, and by controlling the doping concentration, the gallium oxide crystals with different resistivity and carrier concentration can be obtained.

【技术实现步骤摘要】
掺杂氧化镓晶体及其制备方法
本专利技术涉及人工晶体
，特别是涉及一种掺杂氧化镓晶体及其制备方法。
技术介绍
β-Ga2O3(氧化镓)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)到红外区域(IR)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价离子的掺杂，主要包括第四主族和第四副族的Si、Hf、Ge、Sn、Zr、Ti等。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，4价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。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种掺杂氧化镓晶体及其制备方法，提高氧化镓晶体的导电能力，并且获得载流子浓度和电阻率可调节的氧化镓晶体。为解决上述技术问题，本专利技术提供一种掺杂氧化镓晶体，氧化镓晶体经掺杂形成N型导电体，掺杂元素为铌，掺杂浓度范围为小于等于0.8mol％。可选的，对于所述的掺杂氧化镓晶体，所述氧化镓晶体为单斜晶系的β-Ga2O3晶体。可选的，对于所述的掺杂氧化镓晶体，铌掺杂浓度范围为0.0001～0.8mol％。可选的，对于所述的掺杂氧化镓晶体，所述掺杂氧化镓晶体的电阻率在5.5×10-3～3.6×102Ω·cm，载流子浓度在9.55×1016～1.8×1019/cm3。本专利技术还提供一种掺杂氧化镓晶体的制备方法，包括：提供氧化镓粉末和氧化铌粉末，氧化铌的配比为小于等于0.8mol％；使得所述氧化镓粉末和氧化铌粉末混合后进行晶体生长，获得掺杂氧化镓晶体。可选的，对于所述的掺杂氧化镓晶体的制备方法，所述氧化镓粉末的纯度为6N以上，所述氧化铌粉末的纯度为4N以上。可选的，对于所述的掺杂氧化镓晶体的制备方法，所述氧化镓粉末和氧化铌粉末中氧化铌的配比为0.0001～0.8mol％。可选的，对于所述的掺杂氧化镓晶体的制备方法，所述氧化镓粉末和氧化铌粉末在有机溶剂中混合均匀。可选的，对于所述的掺杂氧化镓晶体的制备方法，使得所述氧化镓粉末和氧化铌粉末在有机溶剂中混合均匀为在密封环境下在球磨机中混料12h-24h。可选的，对于所述的掺杂氧化镓晶体的制备方法，进行晶体生长包括：对混合后的粉末进行烘干去除有机溶剂；将混合后的粉末压制成料棒；进行烧结使得氧化镓和氧化铌发生固相反应，形成多晶料；提供籽晶，利用所述多晶料进行生长，获得掺杂氧化镓晶体。可选的，对于所述的掺杂氧化镓晶体的制备方法，所述烘干为在80℃～100℃下烘烤3h～6h。可选的，对于所述的掺杂氧化镓晶体的制备方法，所述烧结为在马弗炉中1400℃～1600℃烧结10h-20h。可选的，对于所述的掺杂氧化镓晶体的制备方法，所述籽晶为氧化镓晶体。可选的，对于所述的掺杂氧化镓晶体的制备方法，所述生长的速度为2～6mm/h，转速为5～15rpm。本专利技术提供的掺杂氧化镓晶体及其制备方法，为氧化镓晶体经掺杂形成N型导电体，掺杂元素为铌，可以提供更多的自由电子，掺杂浓度范围为小于等于0.8mol％。本专利技术可以获得具有高载流子浓度和高导电性的氧化镓晶体，并且，通过对掺杂浓度的控制，能够得到不同电阻率和载流子浓度的氧化镓晶体。附图说明图1为本专利技术一实施例中掺杂氧化镓晶体的制备方法的流程图；图2为不同铌掺杂浓度下，载流子、电阻率的变化示意图。具体实施方式下面将结合示意图对本专利技术的掺杂氧化镓晶体及其制备方法进行更详细的描述，其中表示了本专利技术的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本专利技术，而仍然实现本专利技术的有利效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本专利技术的限制。在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本专利技术。根据下面说明和权利要求书，本专利技术的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本专利技术实施例的目的。本专利技术的主要思想是，提供一种掺杂氧化镓晶体，氧化镓晶体经掺杂形成N型导电体，掺杂元素为铌，掺杂浓度范围为小于等于0.8mol％。由此，本专利技术可以获得具有高载流子浓度和高导电性的氧化镓晶体，并且，通过对掺杂浓度的控制，能够得到不同电阻率和载流子浓度的氧化镓晶体。本专利技术的主要反应机制如下：式2与现有技术中的式1比较可见，相对于IV族元素，+5价的Nb(铌)元素掺杂可以比+4价元素提供更多的自由电子，由此可以达到本专利技术的效果。本专利技术中所述氧化镓晶体为单斜晶系的β-Ga2O3晶体，空间群为C2/m。所述铌掺杂浓度范围进一步可以为0.0001～0.8mol％。所述掺杂氧化镓晶体的电阻率在5.5×10-3～3.6×102Ω·cm，载流子浓度在9.55×1016～1.8×1019/cm3。如图1，示出了部分铌掺杂浓度下，载流子、电阻率的变化。本专利技术中可能含有通常能够获得的原料在精制过程中不可避免地含有的元素和在工艺上不可避免地混入的杂质。上述元素和上述杂质，相对于全部构成成分，优选为10ppm以下，以确保所得掺杂氧化镓晶体的性能不受影响。本专利技术的掺杂氧化镓晶体的制备可以采用光学浮区法进行生长，可以理解的是，本领域技术人员在本专利技术公开的基础上，能够适当的选择其他方法进行制备，例如提拉法、坩埚下降法、导模法等。请参考图1，本专利技术的掺杂氧化镓晶体的制备方法，包括：首先，执行步骤S11，提供氧化镓(Ga2O3)粉末和氧化铌(Nb2O5)粉末，氧化镓的配比为小于等于0.8mol％，例如，可以是0.0001～0.8mol％；较佳的，为了尽可能降低杂质的影响，使用的原料中氧化铌粉末的纯度为4N(99.99m％)以上，氧化镓粉末的纯度在6N(99.9999m％)以上。在一个实施例中，原料配比中所述氧化镓粉末和氧化铌粉末按摩尔比0.999999:0.000001比例称取，在其他实施例中，记氧化铌粉末的摩尔比为x，氧化镓粉末的摩尔比为1-x，其中0＜x≤0.008，例如0.00001，0.0001，0.002，0.005，0.008等。接着，执行步骤S12，使得所述氧化镓粉末和氧化铌粉末混合后进行晶体生长，获得掺杂氧化镓晶体。本步骤S12具体包括：步骤S121，混料。所述氧化镓粉末和氧化铌粉末的混合可以采用湿法混合，使用的溶剂和用量并不做特别限定，只需要有助于所述氧化镓粉末和氧化铌粉末混合均匀，且后续容易去除即可。例如选择乙醇、甲醇、异丙醇等有机溶剂。本专利技术实施例中选择无水乙醇，在密封环境下使得所述氧化镓粉末和氧化铌粉末在乙醇中混合均匀。本步骤S121可以是将所述氧化镓粉末和氧化铌粉末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～24h，如此可以确保所述氧化镓粉末和氧化铌粉末混合均匀。步骤S122，烘干。对混合后的粉末进行烘干去除乙醇；具体的，本步骤可以是将球磨罐放在烘箱里面，在80℃～100℃下烘烤3h～6h直至乙醇完全挥发。依据实际情况，若乙醇挥发后结块，还可以继续放置在球本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种掺杂氧化镓晶体，氧化镓晶体经掺杂形成N型导电体，掺杂元素为铌，掺杂浓度范围为小于等于0.8mol％。

【技术特征摘要】
1.一种掺杂氧化镓晶体，氧化镓晶体经掺杂形成N型导电体，掺杂元素为铌，掺杂浓度范围为小于等于0.8mol％。2.如权利要求1所述的掺杂氧化镓晶体，其特征在于，所述氧化镓晶体为单斜晶系的β-Ga2O3晶体。3.如权利要求1或2所述的掺杂氧化镓晶体，其特征在于，铌掺杂浓度范围为0.0001～0.8mol％。4.如权利要求1或2所述的掺杂氧化镓晶体，其特征在于，所述掺杂氧化镓晶体的电阻率在5.5×10-3～3.6×102Ω·cm，载流子浓度在9.55×1016～1.8×1019/cm3。5.一种如权利要求1-4中任意一项所述的掺杂氧化镓晶体的制备方法，包括：提供氧化镓粉末和氧化铌粉末，氧化铌的配比为小于等于0.8mol％；使得所述氧化镓粉末和氧化铌粉末混合后进行晶体生长，获得掺杂氧化镓晶体。6.如权利要求5所述的掺杂氧化镓晶体的制备方法，其特征在于，所述氧化镓粉末的纯度为6N以上，所述氧化铌粉末的纯度为4N以上。7.如权利要求5所述的掺杂氧化镓晶体的制备方法，其特征在于，所述氧化镓粉末和氧化铌粉末中氧化铌的配比为0.0001～0.8mol％...

【专利技术属性】
技术研发人员：夏长泰，赛青林，周威，齐红基，
申请(专利权)人：中国科学院上海光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：上海,31