一种β-Ga2O3纳米线/金刚石异质结及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种β

【技术实现步骤摘要】
一种
β
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Ga2O3纳米线/金刚石异质结及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及半导体器件
，具体涉及一种β
‑
Ga2O3纳米线/金刚石异质结及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]随着科学技术的发展，以半导体纳米结构作为重点的低维纳米材料的研究逐渐引起人们的重视。半导体材料因受小尺寸效应、表面效应、体积效应、量子隧道效应等特性的影响，表现出与宏观尺寸不同的物理特性。作为一种超宽带隙(4.9eV)和高临界电场(8MV/cm)的新型半导体材料，β
‑
Ga2O3在电子设备应用方面引起了广泛关注。与薄膜材料相比，一维纳米线由于其具有的量子约束效应、丰富的表面态及显著的表面/尺寸效应，可显著提升器件的光吸收及载流子输运特性。由于β
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Ga2O3所具备的低热导率会导致相关器件中的热量难以及时消散，进而造成器件载流子迁移率和漏极电流降低，产生自热效应，这是造成器件可靠性低的重要问题之一。
[0003]利用高导热率的金刚石作为β
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Ga2O3纳米线的异质外延衬底可显著提高半导体器件的散热能力。具有这种特殊纳米结构的β
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Ga2O3纳米线可以拓宽材料在高功率/高温电子器件、高频电子电力器件以及日盲光电探测器中的应用。随着温度的升高，电阻率降低，使得β
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Ga2O3纳米线/金刚石器件在高工作温度下的性能可能更好，并可能消除在其他半导体中经常观察到的高温和/或高功率操作的热失控。但是金刚石在高温下易被氧气刻蚀，产生较多刻蚀坑，因此不能采用常规的方法在金刚石衬底上生长β
‑
Ga2O3纳米线。

技术实现思路

[0004]为了解决现有技术中存在的上述问题，本专利技术提供了一种β
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Ga2O3纳米线/金刚石异质结及其制备方法和应用，该方法无需金属催化剂，制备工艺简单，生长成本低廉，避免了金刚石在高温下被氧气刻蚀的现象，使得所制备的β
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Ga2O3纳米线与金刚石衬底能够具有更好的异质外延取向关系。
[0005]本专利技术的技术方案是这样实现的：一种β
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Ga2O3纳米线/金刚石异质结的制备方法，包括以下步骤：
[0006](1)在辅助衬底层上滴加金属液滴Ga；
[0007](2)将金刚石衬底层与辅助衬底层放置于管式炉的同一温度区；
[0008](3)对管式炉抽真空至负压，并通入H2和Ar的混合气体，以外界空气进入管式炉中的O2以及管式炉中残留的O2作为O源，通过化学气相沉积的方法在金刚石衬底层表面生长β
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Ga2O3纳米线。管式炉为CVD管式炉，非完全密封结构，管式炉内为负压时，外界的空气会从管式炉非密封的地方进入炉内，以进入空气中的O2作为O源；另外，无需对管式炉进行洗气，管式炉中也会残留部分空气，以残留空气中的O2作为O源。
[0009]进一步地，步骤(3)中，混合气体的流量为100
ꢀ‑
200sccm，生长温度为800
‑
1000℃，生长压力低于30Torr，生长时间为1
ꢀ‑
4h。
[0010]进一步地，滴加金属液滴Ga的方法为：将在5℃下保存的金属Ga放在60℃干燥箱中保温20min后取出，然后吸取金属Ga滴在辅助衬底层上。
[0011]进一步地，混合气体包括10％H2和90％Ar，这里指的是体积百分数。
[0012]进一步地，辅助衬底层为Si衬底层。
[0013]一种β
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Ga2O3纳米线/金刚石异质结，采用所述方法制备。
[0014]一种β
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Ga2O3纳米线/金刚石异质结的应用，应用于垂直型器件。
[0015]进一步地，所述垂直型器件包括从下到上依次设置的Ti/Au底电极、β
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Ga2O3纳米线/金刚石异质结、PMMA绝缘层及ITO顶电极，β
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Ga2O3纳米线/金刚石异质结包括金刚石衬底层，金刚石衬底层的上侧异质外延生长有β
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Ga2O3纳米线。
[0016]本专利技术的有益效果
[0017](1)本专利技术在金刚石表面无催化剂异质外延生长β
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Ga2O3纳米线，采用常规CVD管式炉退火的方法制备得到，制备条件简单可控，具有大规模商业化应用的前景；
[0018](2)本专利技术不需要预先对金刚石衬底进行退火处理和预铺金属薄膜层作为催化剂，简化制备工艺，节约生产成本；
[0019](3)本专利技术所制备的β
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Ga2O3纳米线顶端无金属催化剂颗粒，提高了β
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Ga2O3纳米线的质量，拓宽了材料的应用范围；
[0020](4)由于在高温条件下，氧气的存在极易刻蚀金刚石，因此采用H2/Ar作为流动气体，利用负压条件下外界进入管式炉中的O2以及管式炉中残余O2提供O源而非直接采用通入O2作为反应气体的方法，避免了金刚石在高温下被氧气刻蚀的现象，使得所制备的β
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Ga2O3纳米线与金刚石衬底能够具有更好的异质外延取向关系；
[0021](5)所制备的β
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Ga2O3纳米线与金刚石衬底具有一定的外延取向关系，显著提高了β
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Ga2O3纳米线的结晶质量和热导率，对拓宽材料在高功率/高温电子器件、高频电子电力器件以及日盲光电探测器中的应用中提供材料支撑。
附图说明
[0022]图1为本专利技术一种在金刚石表面异质外延β
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Ga2O3纳米线的方法示意图；
[0023]图2为实施例3生长的β
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Ga2O3纳米线的：(a)TEM形貌图，(b)HRTEM图，(c)SAED图，(d)EDX mapping图，(e)EDX图，(f)β
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Ga2O3晶体结构图；
[0024]图3为实施例1
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5以及对比例1生长β
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Ga2O3纳米线的SEM图；
[0025]图4为实施例3生长β
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Ga2O3纳米线的HRTEM图及对应的FFT图；
[0026]图5为β
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Ga2O3纳米线/金刚石异质结的垂直型器件光电性能测试示意图；
[0027]图6为β
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Ga2O3纳米线/金刚石异质结的垂直型器件在Dark/Light条件下的能带图。
具体实施方式
[0028]下面结合实施例和附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本专利技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0029]实施例1：
mapping图及EDX图谱，可以看本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种β
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Ga2O3纳米线/金刚石异质结的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)在辅助衬底层上滴加金属液滴Ga；(2)将金刚石衬底层与辅助衬底层放置于管式炉的同一温度区；(3)对管式炉抽真空至负压，并通入H2和Ar的混合气体，以外界空气进入管式炉中的O2以及管式炉中残留的O2作为O源，通过化学气相沉积的方法在金刚石衬底层表面生长β
‑
Ga2O3纳米线。2.根据权利要求1所述的一种β
‑
Ga2O3纳米线/金刚石异质结的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，混合气体的流量为100
‑
200sccm，生长温度为800
‑
1000℃，生长压力低于30Torr，生长时间为1
‑
4h。3.根据权利要求1或2所述的一种β
‑
Ga2O3纳米线/金刚石异质结的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，滴加金属液滴Ga的方法为：将在5℃下保存的金属Ga放在60℃干燥箱中保温20min后...

【专利技术属性】
技术研发人员：李星，皇文涛，单崇新，林超男，万丽，
申请(专利权)人：郑州大学，
类型：发明
国别省市：