CN106868593B - 高电导率的共掺杂氧化镓晶体及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电阻率低至10‑3Ω·cm量级的共掺杂氧化镓晶体，通过Sn和In离子掺入氧化镓形成的n型导电晶体，化学式为Ga2‑2x‑ 2yIn2xSn2yO3+y，其中x＝10～30mol％，y＝0.005～1mol％。同时公开了获得高电导率氧化镓晶体的制备方法，通过在氧化镓基质里面同时掺入Sn和In元素，使用光学浮区法生长出单晶，在较低的掺杂浓度下，获得较高的载流子浓度，实现氧化镓晶体电导率的提高。

Description

高电导率的共掺杂氧化镓晶体及其制备方法
技术领域
本发明涉及人工晶体领域，主要是具有较高电导率的n型掺杂氧化镓单晶及其制备方法。
背景技术
β-Ga2O3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。
为了实现氧化镓材料在光电子器件方面的应用，需要得到具有良好导电性的n型β-Ga2O3单晶，但是目前采取的掺杂手段对氧化镓晶体导电性的提高仍然是有限的。
一般情况下，纯的β-Ga2O3由于在生长时形成氧空位会变为n型半导体，但导电性较弱，其电阻率一般会在200Ω·cm以上。为了提高β-Ga2O3的n型导电能力，目前主要通过掺杂IIIA族、IVA族以及IVB族的Si，Sn和Ti等离子来实现。以Sn为例，当Sn4+进入β-Ga2O3后，会取代部分Ga3+而产生多余的电子，从而提高β-Ga2O3晶体的导电性。但由于掺杂浓度及生长技术的限制，单元素掺杂对导电性的提高是有限的。根据相关文献的记载，由Si、Sn和Ti掺杂的β-Ga2O3晶体电阻率只能降低到10-2Ω·cm量级。因此，需要寻找更好的掺杂方式来进一步提高氧化镓晶体的导电性。
发明内容
为了进一步提高氧化镓晶体的导电性，本发明提供一种高电导率的双掺杂β-Ga2O3单晶。本发明人通过反复的实验研究，发现通过在氧化镓中同时掺入Sn和In离子，可以在单元素掺杂的基础上进一步提高氧化镓晶体的导电性，通过低浓度的离子掺杂，可以获得较高的载流子浓度和电导率的氧化镓晶体。
根据本发明，提供以下的氧化镓晶体。
1.一种Sn和In离子共掺杂氧化镓晶体，化学式为Ga2-2x-2yIn2xSn2yO3+y，其中x＝10～30mol％，y＝0.005～1mol％。
2.根据1所述的共掺杂氧化镓晶体，其中x＝10～30mol％，y＝0.1～1mol％。
3.根据1所述的共掺杂氧化镓晶体，其中x＝10～20mol％，y＝0.5～1mol％。
4.一种上述1～3高电导率的共掺杂氧化镓晶体的制备方法，包括如下步骤：
(1)配料：采用高纯的Ga2O3、SnO2和In2O3为原料，根据化学式Ga2-2x-2yIn2xSn2yO3+y，x＝0.1～0.3，y＝0.00005～0.01，按摩尔比称取原料；
(2)混料：将称取的原料混合在一起，放入清洁后的聚四氟乙烯球磨罐中，然后放入经过清洗的玛瑙球，并加入无水乙醇，放在球磨机上球磨12h～24h。
(3)烘干：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；
(4)烧结：用有机弹性塑料模具在等静压中压成料棒，然后烧结；
(5)长晶：将烧结好的料棒装入浮区炉中作为上料棒，以纯的β-Ga2O3晶体作为下面生长用的籽晶，在空气气氛中进行晶体生长；晶体生长完毕后，待炉温降至室温，取出晶体。
5.优选的，上述4的晶体制备方法步骤(5)中，晶体的生长速度为4.5～6mm/h，转速为8～12rpm。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
通过该方法所制备的掺杂的β-Ga2O3单晶，表现出良好的n型导电性，β-Ga2O3:(Sn,In)的载流子浓度比单元素掺杂时更高，电阻率更低，说明在较低的掺杂浓度下，Sn和In共掺可以获得更好的电学性质。
具体实施方式
本发明的高电导率氧化镓晶体是共掺锡元素(Sn)和铟元素(In)的β-Ga2O3单晶，其化学式可表示为Ga2-2x-2yIn2xSn2yO3+y，另外，其特征在于，x和y的范围如下：x＝10～30mol％，y＝0.005～1mol％。
通过掺入满足上述浓度的Sn和In到氧化镓基质中，使用光学浮区法生长出单晶，得到电导率高的氧化镓晶体。
本发明的共掺杂氧化镓晶体中，Sn和In的浓度可以优选x＝10～30mol％，y＝0.1～1mol％，进一步优选x＝10～20mol％，y＝0.5～1mol％。
另外，本发明中可以含有通常能够获得的原料的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。
本发明的氧化镓晶体中含有的各元素的含量，可以通过电感耦合等离子体发射光谱分析装置(ICP-AES)定量分析含有元素而求得。
具体而言，在使用ICP-AES的分析中，将溶液试样用雾化器形成雾状，导入氩等离子体中时，试样在高温和惰性气氛中被充分的蒸发、原子化、电离和激发，发射出所含元素的特征谱线。根据谱线的存在与否来鉴定样品中是否含有某种元素；根据特种谱线的强度来确定样品中所含元素的含量。
本发明的氧化镓晶体的导电性通过范德堡法来测得，使用的仪器是霍尔效应测试仪。
本发明的晶体生长主要通过光学浮区炉进行生长，生长过程需要包括下述(a)～(e)五个步骤。
(a)采用高纯的Ga2O3、SnO2和In2O3为原料，按摩尔比称取原料；
(b)将原料混合后放入聚四氟乙烯球磨罐中球磨使原料混合均匀；
(c)将球磨罐中的原料烘干；
(d)用有机弹性塑料模具装料，使用等静压机压成料棒，然后放在马弗炉中烧结；
(e)使用光学浮区炉生长单晶。
(1)步骤(a)：配料
使用的原料中氧化锡(SnO2)和氧化铟(In2O3)的纯度为4N(99.99质量％)以上，氧化镓(Ga2O3)的纯度在5N(99.999质量％)以上，优选6N(99.9999质量％)以上。当纯度低于要求纯度时，由于杂质过多会影响晶体的导电性。
(2)步骤(b)：混料
在混料过程中，将原料放入聚四氟乙烯球磨罐中，球磨罐需要事先清洗干净，无肉眼可见杂质。在球磨罐中放入5～10颗大小不一的玛瑙球，直径约在5～10mm之间，然后加入纯度为99.7％以上的乙醇浸没玛瑙球和原料，放在球磨机上球磨12h～24h。
(3)步骤(c)：烘干
将球磨好的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；然后再次放入球磨机球磨10分钟将烘干后的块状原料磨成粉末状。
(4)步骤(d)：烧结
原料在马弗炉中要经过3次烧结，分别是先在600℃下烧结10h，取出球磨24h；再在600℃下烧结6h和1200℃下烧结6h，取出球磨24h；最后一次烧结前需将原料装入橡胶模具制作成直径直径约10mm左右、长80mm左右的原料棒，将料棒放入冷等静压机中在200Mpa的压力下保持5分钟后缓慢释放压力后取出，破除橡胶模具取出料棒，然后在1450℃下烧结20h。三次烧结气氛都是在空气下。
(5)步骤(e)：生长
本发明使用光学浮区法生长氧化镓单晶，将烧结好的料棒装入浮区炉中作为上料棒，以<010>方向的β-Ga2O3晶体放在下面作为籽晶。升温先使籽晶熔化，然后接触上面的料棒，达到稳定后开始晶体的生长。晶体的稳定生长速度优选为4.5～6mm/h，转速优选为8～12rpm，生长气氛为空气。晶体生长完毕后，停止上料棒的下降，通过下面晶体的自然下降使熔区逐渐分离，再经过约1h自然缓慢降至室温，取出晶体。
实施例
实施例1
使用纯度为6N的氧化镓(Ga2O3)、纯度4N的SnO2和In2O3作为原料，按照表1中晶体的原子摩尔比Ga:In:Sn＝0.89995:0.1:0.00005(x＝10mol％，y＝0.005mol％)称取。
将称好的原料装入清洁后的聚四氟乙烯球磨罐中，放入玛瑙球，加入无水乙醇，放在球磨机上球磨12h。
将球磨罐放在烘箱里面，在80℃下烘烤约6h直至乙醇完全挥发。然后再球磨10分钟使原料变成粉末状。
将原料放入马弗炉中进行烧结，烧结条件如下：先在600℃下烧结10h，取出球磨24h；再在600℃下烧结6h和1200℃下烧结6h，取出球磨24h；最后用有机弹性塑料模具装好原料捏制成直径约10mm、长约80mm的料棒，放入冷等静压机中在200MPa下压制2min，然后在1450℃下烧结20h，三次烧结气氛都是在大气下烧结。
将烧结好的料棒装入浮区炉中作为上料棒，以<010>方向的β-Ga2O3晶体放在下面作为籽晶。升温先使籽晶熔化，然后接触上面的料棒，达到稳定后开始晶体的生长。晶体的稳定生长速度为5mm/h，转速为10rpm，生长气氛为空气。晶体生长完毕后，停止上料棒的下降，通过下面晶体的自然下降使熔区逐渐分离，再经过约1h自然缓慢降至室温，取出晶体。所得晶体完整没有开裂，颜色均匀。
经过霍尔效应测试仪的测试，该掺杂晶体的导电类型为n型，载流子浓度为5.00×1019cm-3，电阻率为5.50×10-3Ω·cm。
实施例2～4
除了将晶体的掺杂元素含量按照表1进行变更之外，与实施例1同样生长氧化镓晶体，进行测试评价。
比较例1～3
比较例是掺杂一种元素的实验，除了将晶体的掺杂元素含量按照表2进行变更之外，与实施例1同样生长氧化镓晶体，进行测试将结果与共掺时进行对比。
由表1和表2的结果可以看出，与制备的单掺In或是Sn的晶体相比，共掺杂的β-Ga2O3:(Sn,In)的导电性要好，载流子浓度更高，而且随着In和Sn浓度的增加，β-Ga2O3:(Sn,In)的载流子浓度不断增大，达到6.94×1019cm-3，电阻率不断降低，低至3.12×10-3Ω·cm。
综上所述，采用双掺杂的方式在氧化镓晶体中同时掺入In和Sn元素，可以大大提高晶体的导电性，通过低浓度的掺杂可以获得高浓度的载流子浓度和较高的电导率。
虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然所述诸多实施例仅为了便于说明而举例而已，并非用以限定本发明，本领域的技术人员在不脱离本发明精神和范围的前提下可作若干的更动与润饰，本发明所主张的保护范围应以权利要求书所述为准。
表1
实施例 掺杂离子及浓度 载流子浓度(cm<sup>–3</sup>) 电阻率(Ω·cm)
实施例1 0.005mol％SnO<sub>2</sub>+10mol％In<sub>2</sub>O<sub>3</sub> 3.91×10<sup>18</sup> 3.35×10<sup>-2</sup>
实施例2 1mol％SnO<sub>2</sub>+10mol％In<sub>2</sub>O<sub>3</sub> 5.00×10<sup>19</sup> 5.50×10<sup>-3</sup>
实施例3 1mol％SnO<sub>2</sub>+20mol％In<sub>2</sub>O<sub>3</sub> 6.53×10<sup>19</sup> 4.73×10<sup>-3</sup>
实施例4 1mol％SnO<sub>2</sub>+30mol％In<sub>2</sub>O<sub>3</sub> 6.94×10<sup>19</sup> 3.12×10<sup>-3</sup>
表2
比较例 掺杂离子及浓度 载流子浓度(cm<sup>–3</sup>) 电阻率(Ω·cm)
比较例1 0.005mol％SnO<sub>2</sub> 8.52×10<sup>17</sup> 5.61×10<sup>-1</sup>
比较例2 1mol％SnO<sub>2</sub> 1.48×10<sup>18</sup> 4.14×10<sup>-2</sup>
比较例3 10mol％In<sub>2</sub>O<sub>3</sub> 2.15×10<sup>18</sup> 4.76×10<sup>-2</sup>

Claims (8)

1.一种共掺杂氧化镓单晶晶体，其特征在于，通过Sn和In离子掺杂形成n型导电的晶体，化学式为Ga2-2x-2yIn2xSn2yO3+y，其中x＝10～30mol％，y＝0.005～1mol％。
2.根据权利要求1所述的共掺杂氧化镓单晶晶体，其特征在于，所述x＝10～30mol％，y＝0.1～1mol％。
3.根据权利要求1所述的共掺杂氧化镓单晶晶体，其特征在于，所述x＝20～30mol％，y＝0.005～1mol％。
4.根据权利要求1所述的共掺杂氧化镓单晶晶体，其特征在于，所述x＝20～30mol％，y＝0.1～1mol％。
5.根据权利要求1所述的共掺杂氧化镓单晶晶体，其特征在于，所述y＝1mol％。
6.根据权利要求4所述的共掺杂氧化镓单晶晶体，其特征在于，所述x＝30mol％。
7.一种权利要求1～5任一所述的共掺杂氧化镓单晶晶体的制备方法，
其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)配料：采用高纯Ga2O3、SnO2和In2O3为原料，根据化学式Ga2-2x-2yIn2xSn2yO3+y，x＝10～30mol％，y＝0.005～1mol％，按摩尔比称取原料；
(2)混料：将称取的原料混合在一起，放入清洁后的聚四氟乙烯球磨罐中，然后放入经过清洗的玛瑙球，并加入无水乙醇，放在球磨机上球磨12h～24h；
(3)烘干：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；(4)烧结：用有机弹性塑料模具在等静压中压成料棒，然后将料棒放入马弗炉中烧结；(5)长晶：将烧结好的料棒装入浮区炉中作为上料棒，以纯的β-Ga2O3晶体作为下面生长用的籽晶，在空气气氛中进行晶体生长；晶体生长完毕后，待炉温降至室温，取出晶体。
8.根据权利要求7所述的共掺杂氧化镓单晶晶体的制备方法，其特征是在于，晶体的生长速度为4.5-6mm/h，转速为8-12rpm。
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