CN103469299A - 掺杂氧化镓膜的制备方法及掺杂氧化镓膜 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种掺杂氧化镓膜的制备方法及掺杂氧化镓膜，该掺杂氧化镓膜的制备方法包括以下步骤：选取衬底，所述衬底中含有目标掺杂元素；采用金属有机物化学气相沉积法在所述衬底上制备氧化镓膜，得到掺杂氧化镓膜初品；对制备得到的掺杂氧化镓膜初品进行热处理和激活，得到掺杂氧化镓膜。本发明掺杂氧化镓膜的制备方法步骤科学、合理，有效解决了目前金属有机物化学气相沉积法难以实现氧化镓膜的多种类、安全、有效掺杂的问题。本发明制备得到的掺杂氧化镓膜具有优良的导电特性。
Description
技术领域
本发明涉及半导体材料制备技术，尤其涉及一种掺杂氧化镓膜的制备方法及掺杂氧化镓膜。
背景技术
氧化镓材料以单斜晶型β相最为稳定，该单斜晶型β相氧化镓材料具有直接带隙结构，禁带宽度为4.9eV，在深紫外发光、透明导电、日盲探测和高频电子器件等方面具有重要应用，已成为宽带隙半导体材料领域的研究热点。但是非故意掺杂（掺杂源直接参与反应）的氧化镓膜呈现出高阻特性，使其在发光、探测和电子器件等领域的应用受到了极大的限制。
为了使氧化镓膜呈现出优良的导电特性，最好的解决办法就要对其进行掺杂并进行相应的激活处理。目前，针对氧化镓掺杂的研究非常少；尤其缺少适用于金属有机物化学气相沉积系统的有效掺杂方法。关于掺杂氧化镓的研究目前仅停留在利用有机锡源或者硅烷进行有关电学特性方面的掺杂研究。在金属有机物化学气相沉积系统中之所以不能尝试多种元素的掺杂，主要是由于缺少合适且安全的掺杂源，大大限制了掺杂氧化镓膜的发展。所以，亟待一种掺杂氧化镓膜的制备方法，以解决上述难题。
发明内容
本发明的目的在于，针对上述目前难以实现金属有机物化学气相沉积系统中氧化镓膜的多种类、安全、有效掺杂的问题，提出一种掺杂氧化镓膜的制备方法，该方法有效地实现了掺杂原子在氧化镓膜内的扩散、并入和激活。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种掺杂氧化镓膜的制备方法，包括以下步骤：
1） 选取衬底，所述衬底中含有目标掺杂元素；
2） 采用金属有机物化学气相沉积方法在所述衬底上制备氧化镓膜，得到掺杂氧化镓膜初品；
3） 对制备得到的掺杂氧化镓膜初品进行热处理和激活，得到掺杂氧化镓膜。
进一步地，所述衬底为单一衬底或带有预沉积层的复合衬底。
进一步地，当所述掺杂氧化镓膜为电子导电特性的掺杂氧化镓膜时，所述衬底包括IV主族原子形成的单质、VII主族原子形成的单质、IV主族原子与VII主族原子形成的化合物、IV主族原子与镓原子形成的化合物、VII主族原子与镓原子形成的化合物、IV主族原子与氧原子形成的化合物、VII主族原子与氧原子形成的化合物、IV主族原子和VII主族原子同时与镓原子形成的化合物、IV主族原子和VII主族原子同时与氧原子形成的化合物中的一种或多种。其中上述单质或者化合物其分解温度要低于氧化镓膜的熔点。
进一步地，当所述掺杂氧化镓膜为具有空穴导电特性的掺杂氧化镓膜时，所述衬底包括I主族原子形成的单质、II主族原子形成的单质、I主族的原子与II主族原子形成的化合物、I主族原子与氧原子形成的化合物、II主族原子与氧原子形成的化合物、I主族原子和II主族原子同时与镓原子形成的化合物、I主族原子和II主族原子同时与氧原子形成的化合物中的一种或多种。其中上述单质或者化合物其分解温度要低于氧化镓膜的熔点。
进一步地，步骤2）中采用金属有机物化学气相沉积方法在所述衬底上制备氧化镓膜的生长温度为300-1200℃。
进一步地，步骤2）中采用金属有机物化学气相沉积方法在所述衬底上制备氧化镓膜的镓原子与掺杂原子的个数比为101-105；反应体系压力为10-1-103torr。
进一步地，步骤3）中所述热处理在反应室内直接进行，或者取样后在反应室外进行。
进一步地，所述激活为辐射激活。
进一步地，所述辐射激活为热辐射、光辐射、磁辐射和核辐照中的一种或多种。
本发明的另第一个目的还公开了一种掺杂氧化镓膜，该掺杂氧化镓膜具有优良的导电特性。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种掺杂氧化镓膜由所述掺杂氧化镓膜的制备方法制备而成。
本发明掺杂氧化镓膜的制备方法步骤科学、合理，通过合适衬底（基底或预沉积层）的选择或制备，以及氧化镓膜生长过程中的参数调控和恰当的后处理工艺，有效地使得掺杂原子在氧化镓膜内扩散、并入和激活进而得到性能优良的掺杂氧化镓膜。本发明掺杂氧化镓膜的制备方法制备得到的掺杂氧化镓膜具有优良的导电特性。
附图说明
图1为实施例1中砷原子从砷化镓衬底中向氧化镓膜扩散的示意图；
图2为实施例1退火处理过程中砷原子从衬底向氧化镓膜继续扩散的示意图；
图3为实施例2砷原子从蓝宝石衬底上的预沉积砷单质层中向氧化镓膜扩散的示意图；
图4为实施例2后续退火处理过程中氧化镓膜内砷原子再分布的示意图。
具体实施方式
本发明公开了一种适用于金属有机物化学气相沉积系统的掺杂氧化镓膜的制备方法，该方法具体包括以下步骤：
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种掺杂氧化镓膜的制备方法，包括以下步骤：
1） 选取衬底，所述衬底中含有目标掺杂元素，即该衬底即为掺杂源；
2） 采用金属有机物化学气相沉积方法在所述衬底上制备氧化镓膜，得到掺杂氧化镓膜初品；
3） 对制备得到的掺杂氧化镓膜初品进行热处理和激活，得到含有目标掺杂元素的掺杂氧化镓膜。
本法明所述衬底为单一衬底或带有预沉积层的复合衬底。当衬底为单一衬底时，氧化镓膜能通过金属有机物化学气相沉积方法制备在单一衬底的任意一面；当衬底选用带有预沉积层的复合衬底时，氧化镓膜需通过金属有机物化学气相沉积方法制备在复合衬底上靠近预沉积层的一侧。
所述衬底中目标掺杂元素的选取和用量，取决于所需制备的掺杂氧化镓膜的用途：当所述掺杂氧化镓膜为电子导电特性的掺杂氧化镓膜时，所述衬底包括IV主族原子（例如硅、锗和锡）形成的单质、VII主族原子（例如氟、氯、溴和碘）形成的单质、IV主族原子与VII主族原子形成的化合物、IV主族原子与镓原子形成的化合物、VII主族原子与镓原子形成的化合物、IV主族原子与氧原子形成的化合物、VII主族原子与氧原子形成的化合物、IV主族原子和VII主族原子同时与镓原子形成的化合物、IV主族原子和VII主族原子同时与氧原子形成的化合物中的一种或多种。其中上述单质或者化合物其分解温度要低于氧化镓膜的熔点。
当所述掺杂氧化镓膜为具有空穴导电特性的掺杂氧化镓膜时，所述衬底包括I主族原子（例如锂、钠和钾）形成的单质、II主族原子（例如铍、镁和钙）形成的单质、I主族原子与II主族原子形成的化合物、I主族原子与氧原子形成的化合物、II主族原子与氧原子形成的化合物、I主族原子和II主族原子同时与镓原子形成的化合物、I主族原子和II主族原子同时与氧原子形成的化合物中的一种或多种。其中上述单质或者化合物其分解温度要低于氧化镓膜的熔点。
步骤2）中采用金属有机物化学气相沉积方法在所述衬底上制备氧化镓膜的生长温度为300-1200℃，优选为650-800℃，控制合适的生长温度，既能满足优良氧化镓膜成长需求，也能保证掺杂原子可以从衬底或者预沉积层中向氧化镓膜内适度的扩散。
步骤2）中采用金属有机物化学气相沉积方法在所述衬底上制备氧化镓膜的镓原子与掺杂原子的个数比为101-105，优选为102-103；反应体系压力为10-1-103torr，优选为1-10torr，控制镓源与氧源的供给量和反应室压力，对于取代镓原子晶格位置为目标的掺杂以富氧条件生长，对于取代氧原子晶格位置的掺杂以富镓条件生长。
步骤3）中所述热处理在反应室内进行，可以理解该热处理过程也可以采用在反应仪器外（如退火炉）进行。
本发明所述激活为辐射激活，所述辐射激活为热辐射、光辐射、磁辐射和核辐照中的一种或多种。辐射激活能达到激活掺入原子使之成为有效施主或者受主的目的。
本发明还公开一种采用上述制备方法制备得到的掺杂氧化镓膜，该方法得到的掺杂氧化镓膜具有优良的导电特性，可广泛应用于发光、探测和电子器件等领域。
以下通过具体实施例进一步说明本发明。
实施例1
图1为实施例1中砷原子从砷化镓衬底中向氧化镓膜扩散的示意图；图2为实施例1退火处理过程中砷原子从衬底向氧化镓膜继续扩散的示意图。
本发明涉及一种砷掺杂氧化镓膜制备方法，该方法采用单一衬底（单晶砷化镓），如图1和图2所示，具体地该砷掺杂氧化镓膜制备方法包含以下步骤：
步骤1：选择单晶砷化镓2作为外延衬底，同时作为砷3的掺杂源。将衬底进行清洗处理待用。
步骤2：利用金属有机物化学气相沉积设备在单晶砷化镓2衬底上进行氧化镓膜1的生长，设定氧化镓膜1的生长温度为650℃，调节三乙基镓源温度为10℃、源瓶压力为900torr和载气（高纯氩气）流量15sccm，辅气（高纯氩气）流量为300sccm；调节氧气流量为900sccm，控制反应室压力为5torr。根据所要制备的氧化镓膜1厚度，控制生长速度为0.6μm/h，生长1小时。
步骤3：对制备的氧化镓膜样品进行后续激活处理。
其中激活处理可在反应室内进行，关闭镓源供给，将衬底温度升高到750℃，在氧气氛围100torr压强下对样品进行原位热退火处理30min，一方面巩固砷原子的并入效果提高掺杂氧化镓膜晶体质量，另一方面以达到激活掺入的砷原子使之成为有效受主的目的。
步骤4：将反应室温度降至100℃，而后关闭所有气路和相关泵阀，取出砷掺杂氧化镓膜。
砷掺杂氧化镓膜所选样品的电学特性，采用霍尔测试系统得到的数据为：空穴浓度为3.3×1017cm-3，迁移率为4.2cm2V-1s-1，电阻率为4.5Ωcm-1。
实施例2
图3为实施例2砷原子从蓝宝石衬底上的预沉积砷单质层中向氧化镓膜扩散的示意图；图4为实施例2后续退火处理过程中氧化镓膜内砷原子再分布的示意图。
本发明涉及一种砷掺杂氧化镓膜制备方法，该方法采用复合衬底（预沉积层为砷单质层），如图3和图4所示，具体地该砷掺杂氧化镓膜制备方法包含以下步骤：
步骤1：选择表面预沉积了砷单质层4的蓝宝石5作为复合衬底，预沉积的砷单质层中的砷3作为掺杂源。
步骤2：利用金属有机物化学气相沉积设备在上述复合衬底上进行氧化镓膜1的生长，设定生长温度为700℃，调节三乙基镓源温度为10℃、源瓶压力为900torr和载气（高纯氩气）流量15sccm，辅气（高纯氩气）流量为300sccm；调节氧气流量为900sccm，控制反应室压力为5torr。根据所要制备的氧化镓膜1厚度，控制生长速度为0.6μm/h，生长1小时。
步骤3：将反应室温度降至100℃，而后关闭所有气路和相关泵阀，取出样品。
步骤4：对制备的氧化镓膜样品进行激活处理。
本实施例与实施例1采取了两种不同的激活方法，实施例1为原位处理，优点是在氧化镓膜样品还处在亚稳态时候进行处理，效果更明显，缺点是受到反应室条件限制，比如温度不能达到太高；本实施例是在降温取片后再激活处理，优点是条件选择范围宽，缺点是氧化镓膜样品经过冷却后有些缺陷已经形成很难再处理掉。
其中在退火炉中，将温度升到550℃，在氧气氛围760torr压强下对样品进行热退火处理20min，一方面巩固砷原子的并入效果提高掺杂氧化镓膜晶体质量，另一方面达到激活掺入的砷原子使之成为有效受主的目的。
本发明不局限于上述实施例所记载的掺杂氧化镓膜的制备方法及掺杂氧化镓膜，其中，衬底结构的改变、掺杂元素的改变、氧化镓膜生长温度的改变、制备氧化镓膜供给量的改变或制备氧化镓膜反应体系压力的改变均在本发明的保护范围之内。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种掺杂氧化镓膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
选取衬底，所述衬底中含有目标掺杂元素；
采用金属有机物化学气相沉积方法在所述衬底上制备氧化镓膜，得到掺杂氧化镓膜初品；
对制备得到的掺杂氧化镓膜初品进行掺杂原子的激活处理，得到掺杂氧化镓膜。
2.根据权利要求1所述掺杂氧化镓膜的制备方法，其特征在于，所述衬底为单一衬底或带有预沉积层的复合衬底。
3.根据权利要求1或2所述掺杂氧化镓膜的制备方法，其特征在于，当所述掺杂氧化镓膜为电子导电特性的掺杂氧化镓膜时，所述衬底包括IV主族原子形成的单质、VII主族原子形成的单质、IV主族原子与VII主族原子形成的化合物、IV主族原子与镓原子形成的化合物、VII主族原子与镓原子形成的化合物、IV主族原子与氧原子形成的化合物、VII主族原子与氧原子形成的化合物、IV主族原子和VII主族原子同时与镓原子形成的化合物、IV主族原子和VII主族原子同时与氧原子形成的化合物中的一种或多种，其中所述单质或者化合物其分解温度要低于氧化镓膜的熔点。
4.根据权利要求1或2所述掺杂氧化镓膜的制备方法，其特征在于，当所述掺杂氧化镓膜为具有空穴导电特性的掺杂氧化镓膜时，所述衬底包括I主族原子形成的单质、II主族原子形成的单质、I主族原子与II主族原子形成的化合物、I主族原子与氧原子形成的化合物、II主族原子与氧原子形成的化合物、I主族原子和II主族原子同时与镓原子形成的化合物、I主族原子和II主族原子同时与氧原子形成的化合物中的一种或多种，其中所述单质或者化合物其分解温度要低于氧化镓膜的熔点。
5.根据权利要求1或2所述掺杂氧化镓膜的制备方法，其特征在于，步骤2）中采用金属有机物化学气相沉积方法在所述衬底上制备氧化镓膜的生长温度为300-1200℃。
6.根据权利要求1或2所述掺杂氧化镓膜的制备方法，其特征在于，步骤2）中采用金属有机物化学气相沉积方法在所述衬底上制备氧化镓膜的镓原子与掺杂原子的个数比为101-105，反应体系压力为10-1-103torr。
7.根据权利要求1或2所述掺杂氧化镓膜的制备方法，其特征在于，步骤3）中所述激活处理在反应室内直接进行，或者取样后在反应室外进行。
8.根据权利要求1或2所述掺杂氧化镓膜的制备方法，其特征在于，所述激活为辐射激活。
9.根据权利要求8所述掺杂氧化镓膜的制备方法，其特征在于，所述辐射激活为热辐射、光辐射、磁辐射和核辐照中的一种或多种。
10.一种掺杂氧化镓膜，其特征在于，由权利要求1-9任意一项所述掺杂氧化镓膜的制备方法制备而成。
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