一种氧化镓薄膜及其制备方法和应用技术

本申请提供一种氧化镓薄膜及其制备方法和应用。所述氧化镓薄膜的制备方法包括：在有臭氧存在的环境中，利用氧化镓靶材和脉冲激光沉积法在衬底上沉积氧化镓薄膜。该方法通过在脉冲激光沉积过程中原位引入臭氧，借助过氧化氛围的构建，产生抑制电离和补偿效应，进而使制备的氧化镓薄膜具有良好电绝缘特性。相比于通过元素掺杂实现氧化镓薄膜高绝缘性的方法，本申请提供的制备方法工艺简单、易于实施且具有经济，具有实用性和规模化生产前景。本申请另外还提供一种施主掺杂氧化镓材料的电气调制方法，实现对氧化镓材料的电绝缘性的调控。实现对氧化镓材料的电绝缘性的调控。实现对氧化镓材料的电绝缘性的调控。

【技术实现步骤摘要】
一种氧化镓薄膜及其制备方法和应用


[0001]本申请属于半导体材料
，涉及一种氧化镓薄膜及其制备方法和应用，具体涉及一种氧化镓薄膜及其制备方法和应用、一种施主掺杂氧化镓材料的电气调制方法。

技术介绍

[0002]氧化镓(Ga2O3)是一种新兴的超宽带隙半导体材料(～4.9eV)，其可以实现整个日盲区内带隙连续可调，是天然日盲探测器和功率电子材料，因此是目前国际上研发新一代日盲紫外光电探测器和功率器件的重点前沿方向。由于非故意掺杂的影响，纯相氧化镓表现出本征n型导电特性，Si、Sn、Zr和Hf等元素的掺杂能够在氧化镓外延薄膜中有效实现高达1020cm
‑3载流子浓度的调控。目前，关于高绝缘氧化镓材料的调控手段和制备路径相对比较单一且比较匮乏，这严重限制了绝缘和半绝缘氧化镓薄膜在电子器件领域的应用。
[0003]目前现有技术中通常是通过引入阳离子空位缺陷补偿的方式制备绝缘、半绝缘氧化镓薄膜或衬底材料，例如在体系中引入Fe或Mg等受主掺杂元素。不同半导体材料掺杂元素种类及掺杂工艺有很大不同，掺杂后对晶体的载流子浓度影响也不同。不同掺杂元素在同种晶体中也会存在间隙、替位等不同掺杂形式。因此，通过元素掺杂的方式调控氧化镓的绝缘性能需要考虑元素离子半径、掺杂离子价态及杂质能级深度等各种因素，其制备工艺较为复杂，成本较高。可见，绝缘和半绝缘氧化镓材料的制备和生长工艺是目前氧化镓材料研究的难点，其是高性能氧化镓基光电子和功率器件发展的重要瓶颈，严重制约着氧化镓器件性能进一步地优化与提升。

技术实现思路
<br/>[0004]为解决上述全部或部分目的，本申请提供以下技术方案：
[0005]本申请的目的之一在于提供一种氧化镓薄膜的制备方法，包括：在有臭氧存在的环境中，利用氧化镓靶材和脉冲激光沉积法在衬底上沉积氧化镓薄膜。通过引入臭氧构建过氧化氛围，以抑制电离和补偿效应，进而在使制备得到的氧化镓薄膜具有良好的绝缘性。
[0006]在部分实施例中，所述氧化镓薄膜的制备方法具体包括：将经过预处理的衬底和氧化镓靶材置入沉积室后，对沉积室进行抽真空至真空度在10
‑5Pa以下；将所述衬底加热至550～650℃，并向所述沉积室内通入含有臭氧的气体，再采用脉冲激光沉积法在所述衬底上沉积氧化镓薄膜，之后在400
‑
800℃对所述氧化镓薄膜进行退火。
[0007]在部分实施例中，所述氧化镓薄膜的制备方法具体包括：在沉积所述氧化镓薄膜时，设置氧化镓靶材与衬底的距离为3
‑
7cm。
[0008]在部分实施例中，所述氧化镓靶材中掺杂有施主杂质。优选的，所述施主杂质包括但不限于Si、Sn、Zr或Hf。优选的，所述氧化镓靶材中掺杂元素的掺杂浓度为0.1
‑
2％摩尔分数。
[0009]在部分实施例中，在沉积所述氧化镓薄膜时，设置沉积室内的气压为1mTorr～40mTorr。在该沉积气压范围内，能够保证脉冲激光沉积的羽辉大小在合适的范围内，以确
保氧化镓薄膜良好的结晶性。
[0010]在部分实施例中，在沉积所述氧化镓薄膜时，通入沉积室内的含有臭氧的气体包含质量比为0.1～0.2∶1的臭氧和载气，所述载气包括氧气和/或惰性气体。若臭氧的比例较低，则无法实现抑制电离和产生补偿效应的效果；若臭氧的比例较高，则导致氧化镓单晶薄膜的结晶性变差。
[0011]优选的，所述载气包括氧气。更为优选的，所述含有臭氧的气体包含质量比为0.1～0.2：1的臭氧和氧气。
[0012]在部分实施例中，所述脉冲激光沉积法采用的工艺条件包括：激光能量密度为1～2mJ/cm2，频率为1
‑
10Hz，脉冲3000
‑
20000次；预先脉冲50
‑
200次，间隔30
‑
180s并循环3
‑
6次，之后进行氧化镓薄膜的沉积。
[0013]在部分实施例中，在完成所述氧化镓薄膜的沉积后，使沉积室内的气压维持在1mTorr～40mTorr，并使沉积室内的温度以5
‑
20℃/min的速度降温至300
‑
600℃，并保温0.5
‑
2h，实现对所述氧化镓薄膜的退火处理。
[0014]在部分实施例中，所述氧化镓薄膜的制备方法具体包括：对所述衬底进行清洗、干燥后，将所述衬底以5
‑
10℃/min的速度加热至1000
‑
1200℃并保温1
‑
2h，完成对所述衬底的退火处理，之后将所述衬底以5
‑
10℃/min的速度降温至室温，实现对所述衬底的预处理。
[0015]在部分实施例中，在所述沉积室内，将经过预处理的衬底以5
‑
20℃/min的速度加热至550～650℃并保温0.5
‑
1h，之后采用所述脉冲激光沉积法在所述衬底上沉积所述氧化镓薄膜。
[0016]本申请的目的之二在于提供一种由上述制备方法制备得到的氧化镓薄膜。
[0017]本申请的目的之三在于提供上述氧化镓薄膜在制备半导体器件中的应用。优选的，所述半导体器件包括电子器件或光电子器件。
[0018]本申请的目的之四在于提供一种施主掺杂氧化镓材料的电气调制方法，包括：在有臭氧存在的环境中，利用掺杂有施主杂质的氧化镓靶材和脉冲激光沉积法在衬底上沉积氧化镓层，实现对氧化镓材料导电特性的调制。
[0019]在部分实施例中，所述施主掺杂氧化镓材料的电气调制方法具体包括：将经过预处理的衬底和所述氧化镓靶材置入沉积室后，对沉积室进行抽真空至真空度在10
‑5Pa以下；将所述衬底加热至550～650℃，并向所述沉积室内通入含有臭氧的气体，再采用脉冲激光沉积法在所述衬底上沉积氧化镓层，之后在300
‑
600℃对所述氧化镓层进行退火。
[0020]在部分实施例中，所述电器调制方法具体包括：在沉积所述氧化镓层时，设置氧化镓靶材与衬底的距离为3
‑
7cm。
[0021]在部分实施例中，所述施主杂质包括Si、Sn、Zr或Hf。优选的，所述氧化镓靶材中掺杂元素的掺杂浓度为0.1
‑
2％摩尔分数。
[0022]在部分实施例中，在沉积所述氧化镓层时，设置沉积室内的气压为1mTorr～40mTorr。
[0023]在部分实施例中，在沉积所述氧化镓层时，通入沉积室内的含有臭氧的气体包含质量比为0.1～0.2∶1的臭氧和载气，所述载气包括氧气和/或惰性气体。
[0024]优选的，所述载气包括氧气。更为优选的，所述含有臭氧的气体包含质量比为0.1～0.2：1的臭氧和氧气。
[0025]在部分实施例中，所述脉冲激光沉积法采用的工艺条件包括：激光能量密度为1～2mJ/cm2，频率为1
‑
10Hz，脉冲3000
‑
20000次；预先脉冲50<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种氧化镓薄膜的制备方法，其特征在于，包括：在有臭氧存在的环境中，利用氧化镓靶材和脉冲激光沉积法在衬底上沉积氧化镓薄膜。2.根据权利要求1所述的氧化镓薄膜的制备方法，其特征在于，具体包括：将经过预处理的衬底和氧化镓靶材置入沉积室后，对沉积室进行抽真空至真空度在10
‑5Pa以下；将所述衬底加热至550～650℃，并向所述沉积室内通入含有臭氧的气体，再采用脉冲激光沉积法在所述衬底上沉积氧化镓薄膜，之后在400
‑
800℃对所述氧化镓薄膜进行退火。3.根据权利要求1或2所述的氧化镓薄膜的制备方法，其特征在于，具体包括：在沉积所述氧化镓薄膜时，设置氧化镓靶材与衬底的距离为3
‑
7cm；和/或，所述氧化镓靶材中掺杂有施主杂质；优选的，所述施主杂质包括Si、Sn、Zr或Hf；优选的，所述氧化镓靶材中掺杂元素的掺杂浓度为0.1
‑
2％摩尔分数；和/或，在沉积所述氧化镓薄膜时，设置沉积室内的气压为1mTorr～40mTorr；和/或，在沉积所述氧化镓薄膜时，通入沉积室内的含有臭氧的气体包含质量比为0.1～0.2：1的臭氧和载气，所述载气包括氧气和/或惰性气体；和/或，所述脉冲激光沉积法采用的工艺条件包括：激光能量密度为1～2mJ/cm2，频率为1
‑
10Hz，脉冲3000
‑
20000次；预先脉冲50
‑
200次，间隔30
‑
180s并循环2
‑
6次，之后进行氧化镓薄膜的沉积；和/或，在完成所述氧化镓薄膜的沉积后，使沉积室内的气压维持在1mTorr～40mTorr，并使沉积室内的温度以5
‑
20℃/min的速度降温至300
‑
600℃，并保温0.5
‑
2h，实现对所述氧化镓薄膜的退火处理。4.根据权利要求2所述的氧化镓薄膜的制备方法，其特征在于，具体包括：对所述衬底进行清洗、干燥后，将所述衬底以5
‑
10℃/min的速度加热至1000
‑
1200℃并保温1v2h，完成对所述衬底的退火处理，之后将所述衬底以5
‑
10℃/min的速度降温至室温，实现对所述衬底的预处理；和/或，在所述沉积室内，将经过预处理的衬底以5
‑
20℃/min的速度加热至550～650℃并保温0.5
‑
1h，之后采用所述脉冲激光沉积法在所述衬底上沉积所述氧化镓薄膜。5.根据权利要求1
‑
4任一项所述的制备方法制备得到的氧化镓薄膜。6.权利要求5所述的氧化镓薄膜在制备半导体器件中的应用；优选的，所述半导器件包括电子器件或光电子器件。7.一种施主掺...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘宁涛，张文瑞，叶继春，
申请(专利权)人：中国科学院宁波材料技术与工程研究所，
类型：发明
国别省市：