CN113097055B - 一种高质量p型氧化镓纳米柱状结构薄膜及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种高质量p型氧化镓纳米柱状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。依次由砷化镓(GaAs)单晶衬底、p型Ga2O3纳米柱状结构薄膜两部分组成。首先对GaAs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As形成的As替位AsO与Ga2O3中的本征缺陷Ga空位VGa结合，形成AsO‑VGa复合体结构作为有效的受主掺杂源，形成稳定的p型Ga2O3薄膜。此外，热氧化时形成的纳米柱状结构还可以有效缓解与衬底间较大的晶格失配与热失配，提高薄膜晶体质量。本发明工艺简单、成本低，解决了Ga2O3材料的p型掺杂的问题，且薄膜质量高，该方法为Ga2O3基器件的发展提供了有力支撑。

Description

一种高质量p型氧化镓纳米柱状结构薄膜及其制备方法
技术领域
本发明属于半导体薄膜材料制备技术领域，特别是涉及一种高质量p型氧化镓纳米柱状结构薄膜及其制备方法。
背景技术
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、气体传感等领域具备广泛应用前景。
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，本发明提出一种高质量、稳定的p型Ga2O3纳米柱状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。
发明内容
本发明的目的是提出一种在砷化镓(GaAs)单晶衬底上通过热氧化方法制备的高质量p型Ga2O3纳米柱状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。
本发明所述的一种高质量p型氧化镓纳米柱状结构薄膜的制备方法，其步骤如下：
A、GaAs单晶衬底的预处理：将GaAs单晶衬底依次使用甲苯、丙酮、乙醇进行超声清洗，每种溶液的清洗时间为1～5min；然后将衬底置于质量分数8～15％的盐酸中1～5min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GaAs单晶衬底在10～100Pa压强下进行加热，加热温度为600～700℃，加热时间为2～10min；由于GaAs在600～700℃温度下会发生分解且As单质的饱和蒸汽压低于Ga单质，所以在加热过程中，大部分As单质会发生脱离而在衬底表面形成富Ga状态，而Ga组份在衬底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，然后升高衬底温度至700～900℃使GaAs单晶衬底热氧化，其中氧气流量为20～300sccm，调节氮气流量使压强维持在100～1000Pa；氧气将与GaAs单晶衬底1表面的Ga液滴反应，在Ga液滴与GaAs单晶衬底界面处形成Ga2O3晶核，为薄膜的生长提供有效位点；进一步通过GaAs单晶衬底自提供的Ga和通入的氧气进行薄膜的连续生长。同时GaAs单晶衬底中的As形成的As替位AsO与Ga2O3中的本征缺陷Ga空位VGa相结合，形成AsO-VGa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，从而得到高质量p型氧化镓纳米柱状结构薄膜；热氧化过程的持续时间为10～100min，氧化镓纳米柱状的直径为100～200nm，氧化镓纳米柱状结构薄膜的厚度800～2000nm，氧化镓纳米柱状结构薄膜中的空穴浓度为5×1015～1×1016cm-3。薄膜制备的原理如图2所示。
本发明的效果和益处：
首先，本发明解决了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，本发明所制备的Ga2O3纳米柱状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，该发明还可利用GaAs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
图1：本发明制备的高质量p型Ga2O3纳米柱状结构薄膜的结构示意图，图1中部件1为GaAs单晶衬底，2为p型Ga2O3纳米柱状结构薄膜层。
图2：本发明所述的高质量p型Ga2O3纳米柱状结构薄膜的制备过程示意图。
步骤1是将GaAs单晶衬底1进行加热；
步骤2是GaAs单晶衬底1进行加热后，大部分As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；
步骤3是对GaAs单晶衬底1进行热氧化，氧气与Ga液滴反应，在Ga液滴与GaAs单晶衬底1界面处形成Ga2O3晶核；
步骤4是进一步通过GaAs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型氧化镓纳米柱状结构薄膜；
图3：本发明制备的p型Ga2O3纳米柱状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。
图4：本发明制备的高质量p型Ga2O3纳米柱状结构薄膜的X射线衍射图谱。
具体实施方式
实施例1：
A、GaAs单晶衬底1的预处理：首先将GaAs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GaAs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；
B、在生长前需要先在真空环境下利用管式炉对GaAs单晶衬底进行加热，加热温度为650℃，时间为5min，反应压强为10Pa，使GaAs表面的大部分As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。
C、高质量p型Ga2O3纳米柱状结构薄膜由加热后的GaAs单晶衬底经高温氧化而成。改变反应温度至800℃，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1000Pa。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As原子将以AsO-VGa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柱状结构(如图3所示)，氧化镓纳米柱状的直径为150nm，氧化镓纳米柱状结构薄膜的厚度为1500nm。
为表征p型Ga2O3纳米柱状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
Figure BDA0003004777090000031
和
Figure BDA0003004777090000032
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。
我们使用HL5500型Hall效应测试仪表征该Ga2O3纳米柱状结构薄膜的电学特性，具体数据如表1所示。从表1的数据中可以发现，利用本发明所述方法获得的Ga2O3薄膜呈p型导电性，空穴浓度达到1016cm-3数量级，且样品的迁移率也较大。
表1：热氧化制备的p型Ga2O3薄膜的电阻率、迁移率、载流子浓度
电阻率(Ω·cm) 迁移率(cm<sup>2</sup>/Vs) 载流子浓度(cm<sup>-3</sup>) 导电类型
51.1 10.24 1.2×10<sup>16</sup> p
以上结果证明本方法制备的Ga2O3纳米柱状结构薄膜晶体质量较高，且能够有效解决材料的p型掺杂问题。此外，该方法的工艺简单，生产成本低。该方法的使用将开辟一条p型Ga2O3材料制备的新途径，对我国功率器件领域的发展起到极大的推动作用。

Claims (4)

1.一种高质量p型氧化镓纳米柱状结构薄膜的制备方法，其步骤如下：
A、砷化镓(GaAs)单晶衬底的预处理：将GaAs单晶衬底依次使用甲苯、丙酮、乙醇进行超声清洗，每种溶剂的清洗时间为1～5min；然后将衬底置于质量分数8～15％的盐酸中1～5min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GaAs单晶衬底在10～100Pa压强下进行加热，加热温度为600～700℃，加热时间为2～10min；在加热过程中，大部分As单质会发生脱离而在衬底表面形成富Ga状态，而Ga组份在衬底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，然后升高衬底温度至700～900℃使GaAs单晶衬底热氧化，其中氧气流量为20～300sccm，调节氮气流量使压强维持在100～1000Pa；氧气将与GaAs单晶衬底表面的Ga液滴反应，在Ga液滴与GaAs单晶衬底界面处形成氧化镓(Ga2O3)晶核，为薄膜的生长提供有效位点；进一步通过GaAs单晶衬底自提供的Ga和通入的氧气进行薄膜的连续生长，同时GaAs单晶衬底中的As形成的As替位AsO与Ga2O3中的本征缺陷Ga空位VGa相结合，形成AsO-VGa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，从而得到高质量p型氧化镓纳米柱状结构薄膜。
2.如权利要求1所述的一种高质量p型氧化镓纳米柱状结构薄膜的制备方法，其特征在于：热氧化过程的持续时间为10～100min。
3.一种高质量p型氧化镓纳米柱状结构薄膜，其特征在于：是由权利要求1或2所述的方法制备得到。
4.如权利要求3所述的高质量p型氧化镓纳米柱状结构薄膜，其特征在于：氧化镓纳米柱状的直径为100～200nm，氧化镓纳米柱状结构薄膜的厚度800～2000nm，氧化镓纳米柱状结构薄膜中的空穴浓度为5×1015～1×1016cm-3。
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