一种p型氧化镓纳米结构薄膜及其制备方法技术

一种p型氧化镓纳米结构薄膜及其制备方法，属于半导体薄膜材料制备技术领域。结构薄膜依次由GaSb单晶衬底、p型Ga2O3纳米结构薄膜两部分组成。首先对GaSb单晶衬底加热，使其表面形成镓液滴；然后通入氧气对镓液滴进行持续热氧化，使得衬底中的Sb形成的Sb替位Sb

【技术实现步骤摘要】
一种p型氧化镓纳米结构薄膜及其制备方法


[0001]本专利技术属于半导体薄膜材料制备
，具体涉及一种p型氧化镓纳米结构薄膜及其制备方法。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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，本专利技术提出一种较高质量、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。

技术实现思路

[0004]本专利技术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。
[0005]本专利技术所述的一种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：
>[0006]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；
[0007]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；
[0008]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(Sb
O
)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。
[0009]本专利技术的效果和益处：
[0010]首先，本专利技术解决了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，本专利技术所制备的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，本专利技术还可利用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
[0011]图1：本专利技术制备的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。
[0012]图2：本专利技术所述的p型Ga2O3纳米结构薄膜的制备过程示意图。
[0013]步骤1是将GaSb单晶衬底1进行加热；
[0014]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；
[0015]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；
[0016]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；
[0017]图3：本专利技术制备的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。
[0018]图4：本专利技术制备的p型Ga2O3纳米结构薄膜的X射线衍射图谱。
具体实施方式
[0019]实施例1：
[0020]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；
[0021]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。
[0022]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。
[0023]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。
[0024]表1：热本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种p型氧化镓纳米结构薄膜的制备方法，其步骤如下：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；然后将GaSb单晶衬底(1)置于质量分数8～15％的盐酸中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；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℃；Sb单质发生脱离而在衬底(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；C、向步骤B的反应体系内通入氮气和氧气，然后升高衬底(1)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Sb
O
与Ga2O3中的...

【专利技术属性】
技术研发人员：董鑫，陈威，焦腾，刁肇悌，李政达，张源涛，张宝林，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：