CN117071071B - 一种p型氧化镓薄膜及其制备方法和应用 - Google Patents

一种p型氧化镓薄膜及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种p型氧化镓薄膜及其制备方法和应用。本发明的p型氧化镓薄膜的制备方法，通过物理气相沉积法在真空腔体内烧蚀、溅射或蒸发MxGa1‑xN靶材得到MxGa1‑xN团簇，同时通入O2氧化团簇得到M‑N共掺杂的Ga2O3薄膜。通过等价元素铝或钪等掺杂即合金化提高了氧化镓的导带底和价带顶，抑制氧空位缺陷电离的同时降低了氮受主激活能，同时有效提高了N受主元素在氧化镓薄膜中的溶解度及N受主稳定性；通过本发明的方法制备的共掺杂p型氧化镓薄膜为高质量外延薄膜，空穴载流子浓度高、电阻率低，p型导电稳定性好，且所需的设备和制备工艺简单、生产成本低，将促进氧化镓在超宽禁带半导体器件领域的应用。

Description

一种p型氧化镓薄膜及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及超宽禁带半导体材料与器件技术领域，尤其涉及一种p型氧化镓薄膜及其制备方法和应用。
背景技术
随着新能源、轨道交通及智能电网等领域快速发展，人们迫切需要能在高电压、大功率下工作的半导体功率器件。氧化镓作为新型的超宽禁带半导体材料，具有4.85eV带隙、大的耐击穿场强及良好的热稳定性，非常适合应用于日盲紫外探测、大功率电子器件等领域，因此得到了研究人员的极大关注。
经过人们多年的努力，氧化镓薄膜的外延生长、带隙调控及n型掺杂已经取得了很大进展。但氧化镓的p型掺杂受限于掺杂元素溶解度低、空穴自陷及背景电子自补偿效应，使得p型氧化镓薄膜的制备仍存在巨大挑战。为了实现氧化镓薄膜的大规模应用，其双极性掺杂必须得到解决。近年来，人们考虑到N元素与O元素原子尺寸接近，且在氧化镓中N元素受主杂质能级较浅，认为N是最有潜力实现氧化镓p型掺杂的元素。但氮受主在氧化镓中面临着稳定性差和溶解度低等问题，从而使得氮掺杂p型氧化镓薄膜制备困难且稳定性较差。
发明内容
有鉴于此，本发明提出了一种p型氧化镓薄膜及其制备方法和应用，以提高N受主溶解度及稳定性，氮元素取代氧元素(No)产生空穴，进而制备出p型氧化镓薄膜。
第一方面，本发明提供了一种p型氧化镓薄膜的制备方法，包括以下步骤：
提供MxGa1-xN靶材；其中，所述M选自Al、Sc、In、Y、Lu中的任一种；0＜x＜1；
提供一衬底；
将所述衬底置于沉积设备的真空腔体中，利用所述MxGa1-xN靶材作为氮源与镓源，采用物理气相沉积法烧蚀、溅射或蒸发MxGa1-xN靶材，得到MxGa1-xN团簇，再利用氧气氧化MxGa1-xN团簇，从而在衬底上生长得到氮元素掺杂p型氧化镓薄膜。
优选的是，所述的p型氧化镓薄膜的制备方法，将所述衬底置于沉积设备的真空腔体中并将衬底加热至400～750℃。
优选的是，所述的p型氧化镓薄膜的制备方法，所述物理气相沉积法包括磁控溅射法、脉冲激光沉积法及分子束外延法中的任一种；
和/或，所述衬底包括c面蓝宝石衬底、氧化镁衬底、氧化镓衬底、氮化镓衬底、硅衬底、NSTO衬底、石英玻璃衬底、r面蓝宝石、a面蓝宝石中的任一种。
优选的是，所述的p型氧化镓薄膜的制备方法，采用脉冲激光沉积法烧蚀MxGa1-xN靶材，得到MxGa1-xN团簇，同时向真空腔体中通入氧气，调节生长室氧压为0～5Pa；其中，脉冲激光能量为120～600mJ、脉冲个数为6000～72000、脉冲频率为1～20Hz。
优选的是，所述的p型氧化镓薄膜的制备方法，0.001≤x≤0.999。
优选的是，所述的p型氧化镓薄膜的制备方法，所述MxGa1-xN靶材的制备方法包括：
按比例将MN、GaN粉末球磨混合得到精细粉末；
将球磨后精细粉末压成陶瓷胚片；
将陶瓷胚片于800～1200℃下烧结，即得MxGa1-xN靶材。
优选的是，所述的p型氧化镓薄膜的制备方法，将球磨后精细粉末于压力为2～10Mpa下压成2～5mm厚的陶瓷胚片；将陶瓷胚片于800～1200℃下烧结2～5h，即得MxGa1-xN靶材。
优选的是，所述的p型氧化镓薄膜的制备方法，将所述衬底置于沉积设备的真空腔体中之前还包括，将所述衬底依次用丙酮、无水乙醇、去离子水清洗。
第二方面，本发明还提供了一种p型氧化镓薄膜，采用如权利要求1～8任一所述的制备方法制备得到。
第三方面，本发明还提供了一种所述的制备方法制备得到的p型氧化镓薄膜或所述的p型氧化镓薄膜在制备日盲紫外探测器、大功率电子器件中的应用。
本发明的氮元素掺杂p型氧化镓薄膜及其制备方法和应用，相对于现有技术具有以下技术效果：
本发明的p型氧化镓薄膜的制备方法，通过物理气相沉积法在真空腔体内烧蚀、溅射或蒸发MxGa1-xN靶材(如AlxGa1-xN或ScxGa1-xN靶材)，得到MxGa1-xN团簇(如AlxGa1-xN或ScxGa1-xN团簇)，同时通入O2氧化MxGa1-xN团簇得到M-N共掺杂的Ga2O3薄膜(如Al或Sc-N共掺杂的Ga2O3薄膜)；通过调节氧化MxGa1-xN团簇(如AlxGa1-xN或ScxGa1-xN团簇)的氧压，即优化控制N在M-Ga2O3(如Al-Ga2O3或Sc-Ga2O3)中的含量及对O的取代量，获得p型导电的M-N共掺杂的Ga2O3薄膜(如Al-N或Sc-N共掺杂Ga2O3薄膜)。该技术方案通过氧化MxGa1-xN小团簇(如AlxGa1-xN或ScxGa1-xN团簇)而得到M(如铝或钪)-氮共掺杂的氧化镓，氮元素取代氧元素产生空穴，从而实现了p型导电氧化镓薄膜；等价元素铝或钪等掺杂即合金化提高了氧化镓的导带底和价带顶，抑制氧空位缺陷电离(减少背景电子浓度)的同时降低了氮受主激活能(提高N电离产生空穴的效率)，同时有效提高了N受主元素在氧化镓薄膜中的溶解度(增加No空穴浓度)及N受主稳定性；通过本发明的方法制备的铝或钪-氮元素共掺杂p型氧化镓薄膜为高质量外延薄膜，空穴载流子浓度高、电阻率低，p型导电稳定性好，且所需的设备和制备工艺简单、生产成本低，将促进氧化镓在超宽禁带半导体器件领域的应用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例3制备的铝-氮元素共掺杂p型氧化镓薄膜x射线衍射(XRD)全图谱。
图2为本发明实施例3制备的铝-氮元素共掺杂p型氧化镓薄膜x射线衍射摇摆曲线图谱。
图3为本发明实施例3制备的铝-氮元素共掺杂p型氧化镓薄膜的x射线光光电子能谱图。
图4为本发明实施例3制备的铝-氮元素共掺杂p型氧化镓薄膜的Al 2p光电子峰精细谱图。
图5为本发明实施例3制备的铝-氮元素共掺杂p型氧化镓薄膜原子力显微镜(AFM)表面形貌图像。
图6为本发明实施例3制备的铝-氮元素共掺杂p型氧化镓薄膜的透射光谱图，内插图为薄膜的(αhv)2与hv的关系曲线图。
图7为本发明实施例6和7制备的钪-氮元素共掺杂p型氧化镓薄膜XRD全图谱。
图8为本发明实施例6制备的钪-氮元素共掺杂p型氧化镓薄膜的x射线光光电子能谱图。
图9为本发明实施例6制备的钪-氮元素共掺杂p型氧化镓薄膜的Sc 2p光电子峰精细谱图。
图10为本发明实施例6制备的钪-氮元素共掺杂p型氧化镓薄膜的原子力显微镜表面形貌图像。
图11为本发明实施例6制备的钪-氮元素共掺杂p型氧化镓薄膜的透射光谱图，内插图为薄膜的(αhv)2与hv的关系曲线图。
图12为本发明实施例7制备的钪-氮元素共掺杂p型氧化镓薄膜的透射光谱图，内插图为薄膜的(αhv)2与hv的关系曲线图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施方式，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
需说明的是，以下实施例的描述顺序不作为对实施例优选顺序的限定。另外，在本申请的描述中，术语“包括”是指“包括但不限于”。本发明的各种实施例可以以一个范围的型式存在；应当理解，以一范围形式的描述仅仅是因为方便及简洁，不应理解为对本发明范围的硬性限制；因此，应当认为所述的范围描述已经具体公开所有可能的子范围以及该范围内的单一数值。例如，应当认为从1到6的范围描述已经具体公开子范围，例如从1到3，从1到4，从1到5，从2到4，从2到6，从3到6等，以及所数范围内的单一数字，例如1、2、3、4、5及6，此不管范围为何皆适用。另外，每当在本文中指出数值范围，是指包括所指范围内的任何引用的数字(分数或整数)。
本申请实施例提供了一种p型氧化镓薄膜的制备方法，包括以下步骤：
S1、提供MxGa1-xN靶材；其中，M选自Al、Sc、In、Y、Lu中的任一种；0＜x＜1；
S2、提供一衬底；
S3、将述衬底置于沉积设备的真空腔体中，利用MxGa1-xN靶材作为氮源与镓源，采用物理气相沉积法烧蚀、溅射或蒸发MxGa1-xN靶材，得到MxGa1-xN团簇，再利用氧气氧化MxGa1-xN团簇，从而在衬底上生长得到氮元素掺杂p型氧化镓薄膜。
需要说明的是，本发明的p型氧化镓薄膜的制备方法，采用MxGa1-xN靶材，其中，M选自Al、Sc、In、Y、Lu中的任一种，0＜x＜1，具体的，可以采用AlxGa1-xN、ScxGa1-xN、InxGa1-xN、YxGa1-xN、LuxGa1-xN；等价元素铝或钪掺杂即合金化，同时提高了氧化镓的导带底和价带顶，抑制氧空位缺陷电离(减少补偿电子)的同时降低了N受主激活能(增加电离空穴)，双元素共掺杂也有效提高了N受主元素在氧化镓薄膜中的溶解度(提高No空穴载流子浓度)及稳定性；在本发明中合金化Ga2O3采用与Ga等价的Al或Sc元素，类似地也可采用与Ga等价的In、Y、Lu等元素，或与O等价的S、Se、Te等元素，与N共掺杂获得p型Ga2O3。具体的，通过将与氧元素等价的S、Se、Te单质粉末或化合物掺杂进靶材中，后在氧气中生长得到N-S、N-Se、N-Te共掺氧化镓。例如在GaN粉末中加入硫粉或硫化镓，得到镓氮硫靶材，后在氧气中生长得到氮-硫共掺杂的氧化镓薄膜；同理N-Se、N-Te共掺氧化镓可利用类似方式掺杂得到。本发明的p型氧化镓薄膜的制备方法，通过物理气相沉积法在真空腔体内烧蚀、溅射或蒸发MxGa1-xN靶材(如AlxGa1-xN或ScxGa1-xN靶材)，得到MxGa1-xN团簇(如AlxGa1-xN或ScxGa1-xN团簇)，同时通入O2氧化MxGa1-xN团簇得到M-N共掺杂的Ga2O3薄膜(如Al或Sc-N共掺杂的Ga2O3薄膜)；通过调节氧化MxGa1-xN团簇(如AlxGa1-xN或ScxGa1-xN团簇)的氧压，即优化控制N在M-Ga2O3(如Al-Ga2O3或Sc-Ga2O3)中的含量及对O的取代量，获得p型导电的M-N共掺杂的Ga2O3薄膜(如Al-N或Sc-N共掺杂Ga2O3薄膜)。该技术方案通过氧化MxGa1-xN小团簇(如AlxGa1-xN或ScxGa1-xN团簇)而得到M(如铝或钪)-氮共掺杂的氧化镓，氮元素取代氧元素产生空穴，从而实现了p型导电氧化镓薄膜；等价元素铝或钪等掺杂即合金化，同时提高了氧化镓的导带底和价带顶，抑制氧空位缺陷电离的同时降低了N受主激活能，并且有效提高了N受主元素在氧化镓薄膜中的溶解度及N受主稳定性。
在一些实施例中，将衬底置于沉积设备的真空腔体中并将衬底加热至400～750℃，利用MxGa1-xN靶材作为氮源与镓源，采用物理气相沉积法烧蚀、溅射或蒸发MxGa1-xN靶材，得到MxGa1-xN团簇，同时向真空腔体中通入氧气，利用氧气氧化MxGa1-xN团簇，从而在衬底上生长得到M-氮元素共掺杂p型氧化镓薄膜。
在一些实施例中，物理气相沉积法包括磁控溅射法、脉冲激光沉积法及分子束外延法中的任一种。
在一些实施例中，衬底包括c面蓝宝石衬底、氧化镁衬底、氧化镓衬底、氮化镓衬底、硅衬底、NSTO衬底、石英玻璃衬底、r面蓝宝石、a面蓝宝石中的任一种。
在一些实施例中，采用脉冲激光沉积法烧蚀MxGa1-xN靶材，得到MxGa1-xN团簇，同时向真空腔体中通入氧气，调节生长室氧压为0～5Pa；其中，脉冲激光能量为120～600mJ、脉冲个数为6000～72000、脉冲频率为1～20Hz。
在一些实施例中，0.001≤x≤0.999。
在一些实施例中，MxGa1-xN靶材的制备方法包括：
按比例将MN(如AlN、ScN等)、GaN粉末球磨混合得到精细粉末；
将球磨后精细粉末压成陶瓷胚片；
将陶瓷胚片于800～1200℃下烧结，即得MxGa1-xN靶材。
在一些实施例中，将球磨后精细粉末于压力为2～10Mpa下压成2～5mm厚的陶瓷胚片；将陶瓷胚片于800～1200℃下烧结2～5h，即得MxGa1-xN靶材。
具体的，将按比例称取的MN(如AlN或ScN等)、GaN粉末置于球磨罐中，然后加入粉末总质量55～65％的去离子水进行球磨6～10h，再将粉末放入真空干燥箱中进行干燥处理，得到干燥粉末即为精细粉末，具体的干燥温度为100～130℃，干燥时间为6～12h；然后向干燥的精细粉末中加入粉末总质量1～5％的无水乙醇，研磨搅拌均匀，于压力为2～10MPa下压成2～5mm的陶瓷胚片；将陶瓷胚片于800～1200℃下烧结2～5h，即得MxGa1-xN靶材。
可以理解的是，上述实施例中MN(如AlN、ScN等)粉末、GaN粉末的摩尔比为x:(1-x)。
在一些实施例中，将衬底置于脉冲激光沉积系统真空腔体中之前还包括，将所述衬底依次用丙酮、无水乙醇、去离子水清洗。
同时需要指出的是，现有技术中公开的关于p型氮掺杂氧化镓薄膜及其制备方法，其存在p型导电稳定性较差、空穴载流子浓度较低(低于1017)等问题，因此，有必要对现有技术进行改进优化。在本发明的方法中，通过(等价离子掺杂)合金化同时提高了氧化镓的导带底和价带顶，抑制氧空位缺陷电离(减少背景电子浓度)的同时降低了N受主激活能(提高N电离产生空穴的效率)，并且有效提高了N受主元素在氧化镓薄膜中的溶解度(增加No空穴浓度)及N受主稳定性；氮元素取代氧元素(No)产生空穴，从而实现了p型导电氧化镓薄膜。通过本发明的方法制备得到的M(如铝或钪)-氮元素共掺杂p型氧化镓薄膜晶体质量良好，可见光透过率超过90％，空穴载流子浓度高(7.79×1017)、稳定性好，50天后测试依然为p型导电。本发明提供的p型氧化镓薄膜制备方法，利用物理气相沉积法，通过O2氧化MxGa1-xN团簇(如AlxGa1-xN或ScxGa1-xN团簇)有效提高了N元素在Ga2O3薄膜中的溶解度，N元素取代Ga2O3中O元素产生空穴，从而实现p型导电Ga2O3合金薄膜；等价元素Al或Sc等合金化提高了氧化镓的导带底和价带顶，抑制氧空位缺陷电离的同时降低了N受主激活能，并且有效提高了N受主元素在氧化镓薄膜中的溶解度及N受主稳定性。通过该方法制备的铝或钪-氮元素共掺杂p型氧化镓薄膜空穴载流子浓度高、电阻率低及稳定性好，且薄膜晶体质量高、所需的设备和制备工艺简单，生产成本低，将促进氧化镓在超宽禁带半导体器件领域的应用。
基于同一发明构思，本发明还提供了一种p型氧化镓薄膜，采用所述的制备方法制备得到。
基于同一发明构思，本发明还提供了一种所述的制备方法制备得到的p型氧化镓薄膜或所述的p型氧化镓薄膜在制备日盲紫外探测器、大功率电子器件中的应用。
以下进一步以具体实施例说明本申请的p型氧化镓薄膜的制备方法和应用。本部分结合具体实施例进一步说明本发明内容，但不应理解为对本发明的限制。如未特别说明，实施例中所采用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本领域常规试剂、方法和设备。
实施例1
本申请实施例提供了一种铝-氮元素共掺杂p型氧化镓薄膜的制备方法，包括以下步骤：
S1、提供Al0.01Ga0.99N靶材；
S2、提供MgO衬底；
S3、将氧化镁衬底依次用丙酮、无水乙醇清洗15分钟，之后用高纯氮气吹干，得到干净的衬底；将衬底放入脉冲激光沉积系统的真空腔体中并抽真空至1×10-4Pa，将衬底加热到500℃，并向真空腔体中通入氧气，氧气为生长气氛，调节生长室氧气气压为1Pa，利用Al0.01Ga0.99N靶材作为铝-氮源和镓源，采用脉冲激光烧蚀沉积的方法在衬底上进行铝-氮共掺杂氧化镓薄膜的生长，薄膜厚度约为150nm；其中，脉冲激光能量为300mJ、脉冲个数为18000、脉冲频率为5Hz；
其中，Al0.01Ga0.99N靶材的制备方法为：
将AlN、GaN粉末按摩尔比为0.01:0.99混合后，置于球磨罐中，然后加入粉末总质量60％的去离子水进行球磨8小时，再将球磨混合粉末放入真空干燥箱中进行干燥处理，得到精细粉末；具体的干燥温度为120℃，干燥时间为8小时；
然后向干燥的精细粉末中加入粉末总质量3％的无水乙醇，研磨搅拌均匀，并在压片机中于压力为4MPa下压制成陶瓷胚片，陶瓷胚片的厚度为3mm；
在真空管式炉中，于温度为950℃下对Al0.01Ga0.99N陶瓷胚片烧结6h，即得Al0.01Ga0.99N靶材。
本申请实施例中，通过脉冲激光沉积法烧蚀Al0.01Ga0.99N靶材，得到Al0.01Ga0.99N团簇，同时通入O2氧化Al0.01Ga0.99N团簇制备铝-氮共掺杂p型氧化镓薄膜。该方法有效提高了氮元素在氧化镓薄膜中的溶解度，氮元素取代氧元素产生空穴，从而实现p型导电氧化镓薄膜；Al掺杂合金化提高了氧化镓的导带底和价带顶，抑制氧空位缺陷电离的同时降低了N受主激活能，并且有效提高了N受主元素在氧化镓薄膜中的溶解度及N受主稳定性。
实施例2
本申请实施例提供了一种铝-氮元素共掺杂p型氧化镓薄膜的制备方法，包括以下步骤：
S1、提供Al0.01Ga0.99N靶材；
S2、提供MgO衬底；
S3、将氧化镁衬底依次用丙酮、无水乙醇清洗15分钟，之后用高纯氮气吹干，得到干净的衬底；将衬底放入脉冲激光沉积系统的真空腔体中并抽真空至1×10-4Pa，将衬底加热到550℃，并向真空腔体中通入氧气，氧气为生长气氛，调节生长室氧气气压为1Pa，利用Al0.01Ga0.99N靶材作为铝-氮源和镓源，采用脉冲激光烧蚀沉积的方法在衬底上进行铝-氮共掺杂氧化镓薄膜的生长，薄膜厚度约为150nm；其中，脉冲激光能量为300mJ、脉冲个数为18000、脉冲频率为5Hz；
其中，Al0.01Ga0.99N靶材的制备方法为：
将AlN、GaN粉末按摩尔比为0.01:0.99混合后，置于球磨罐中，然后加入粉末总质量60％的去离子水进行球磨8小时，再将球磨混合粉末放入真空干燥箱中进行干燥处理，得到精细粉末；具体的干燥温度为120℃，干燥时间为8小时；
然后向干燥的精细粉末中加入粉末总质量3％的无水乙醇，研磨搅拌均匀，并在压片机中于压力为4MPa下压制成陶瓷胚片，陶瓷胚片的厚度为3mm；
在真空管式炉中，于温度为950℃下对Al0.01Ga0.99N陶瓷胚片烧结6h，即得Al0.01Ga0.99N靶材。
本申请实施例中，通过脉冲激光沉积法烧蚀Al0.01Ga0.99N靶材，得到Al0.01Ga0.99N团簇，同时通入O2氧化Al0.01Ga0.99N团簇制备铝-氮共掺杂p型氧化镓薄膜。该方法有效提高了氮元素在氧化镓薄膜中的溶解度，氮元素取代氧元素产生空穴，从而实现p型导电氧化镓薄膜，Al掺杂合金化提高了氧化镓的导带底和价带顶，抑制氧空位缺陷电离的同时降低了N受主激活能，并且有效提高了N受主元素在氧化镓薄膜中的溶解度及N受主稳定性。
实施例3
本申请实施例提供了一种铝-氮元素共掺杂p型氧化镓薄膜的制备方法，包括以下步骤：
S1、提供Al0.01Ga0.99N靶材；
S2、提供MgO衬底；
S3、将氧化镁衬底依次用丙酮、无水乙醇清洗15分钟，之后用高纯氮气吹干，得到干净的衬底；将衬底放入脉冲激光沉积系统的真空腔体中并抽真空至1×10-4Pa，将衬底加热到600℃并向真空腔体中通入氧气，氧气为生长气氛，调节生长室氧气气压为1Pa，利用Al0.01Ga0.99N靶材作为铝-氮源和镓源，采用脉冲激光烧蚀沉积的方法在衬底上进行铝-氮共掺杂氧化镓薄膜的生长，薄膜厚度约为150nm；其中，脉冲激光能量为300mJ、脉冲个数为18000、脉冲频率为5Hz；
其中，Al0.01Ga0.99N靶材的制备方法为：
将AlN、GaN粉末按摩尔比为0.01:0.99混合后，置于球磨罐中，然后加入粉末总质量60％的去离子水进行球磨8小时，再将球磨混合粉末放入真空干燥箱中进行干燥处理，得到精细粉末；具体的干燥温度为120℃，干燥时间为8小时；
然后向干燥的精细粉末中加入粉末总质量3％的无水乙醇，研磨搅拌均匀，并在压片机中于压力为4MPa下压制成陶瓷胚片，陶瓷胚片的厚度为3mm；
在真空管式炉中，于温度为950℃下对Al0.01Ga0.99N陶瓷胚片烧结6h，即得Al0.01Ga0.99N靶材。
本申请实施例中，通过脉冲激光沉积法烧蚀Al0.01Ga0.99N靶材，得到Al0.01Ga0.99N团簇，同时通入O2氧化Al0.01Ga0.99N团簇制备铝-氮共掺杂p型氧化镓薄膜。该方法有效提高了氮元素在氧化镓薄膜中的溶解度，氮元素取代氧元素产生空穴，从而实现p型导电氧化镓薄膜，Al掺杂合金化提高了氧化镓的导带底和价带顶，抑制氧空位缺陷电离的同时降低了N受主激活能，并且有效提高了N受主元素在氧化镓薄膜中的溶解度及N受主稳定性。
对本申请实施例制备得到的铝-氮元素共掺杂p型氧化镓薄膜进行结构、光学和电学性能测试，测试结果为：薄膜为(100)择优取向生长，可见光透过率为90％，薄膜为p型导电，空穴浓度为7.79×1017cm-3，空穴迁移率为0.072cm2/V·s，电阻率为112Ω·cm。
实施例4
本申请实施例提供了一种铝-氮元素共掺杂p型氧化镓薄膜的制备方法，包括以下步骤：
S1、提供Al0.01Ga0.99N靶材；
S2、提供MgO衬底；
S3、将氧化镁衬底依次用丙酮、无水乙醇清洗15分钟，之后用高纯氮气吹干，得到干净的衬底；将衬底放入脉冲激光沉积系统的真空腔体中并抽真空至1×10-4Pa，将衬底加热到650℃并向真空腔体中通入氧气，氧气为生长气氛，调节生长室氧气气压为1Pa，利用Al0.01Ga0.99N靶材作为铝-氮源和镓源，采用脉冲激光烧蚀沉积的方法在衬底上进行铝-氮共掺杂氧化镓薄膜的生长，薄膜厚度约为150nm；其中，脉冲激光能量为300mJ、脉冲个数为18000、脉冲频率为5Hz；
其中，Al0.01Ga0.99N靶材的制备方法为：
将AlN、GaN粉末按摩尔比为0.01:0.99混合后，置于球磨罐中，然后加入粉末总质量60％的去离子水进行球磨8小时，再将球磨混合粉末放入真空干燥箱中进行干燥处理，得到精细粉末；具体的干燥温度为120℃，干燥时间为8小时；
然后向干燥的精细粉末中加入粉末总质量3％的无水乙醇，研磨搅拌均匀，并在压片机中于压力为4MPa下压制成陶瓷胚片，陶瓷胚片的厚度为3mm；
在真空管式炉中，于温度为950℃下对Al0.01Ga0.99N陶瓷胚片烧结6h，即得Al0.01Ga0.99N靶材。
本申请实施例中，通过脉冲激光沉积法烧蚀Al0.01Ga0.99N靶材，得到Al0.01Ga0.99N团簇，同时通入O2氧化Al0.01Ga0.99N团簇制备铝-氮共掺杂p型氧化镓薄膜。该方法有效提高了氮元素在氧化镓薄膜中的溶解度，氮元素取代氧元素产生空穴，从而实现p型导电氧化镓薄膜，Al掺杂合金化提高了氧化镓的导带底和价带顶，抑制氧空位缺陷电离的同时降低了N受主激活能，并且有效提高了N受主元素在氧化镓薄膜中的溶解度及N受主稳定性。
对本申请实施例制备得到的铝-氮元素共掺杂p型氧化镓薄膜进行结构、光学和电学性能测试，测试结果为：薄膜为(100)择优取向生长，可见光透过率为90％，薄膜为p型导电，空穴浓度为7.12×1017cm-3，空穴迁移率为0.05cm2/V·s，电阻率为179Ω·cm。
实施例5
本申请实施例提供了一种铝-氮元素共掺杂p型氧化镓薄膜的制备方法，包括以下步骤：
S1、提供Al0.01Ga0.99N靶材；
S2、提供MgO衬底；
S3、将氧化镁衬底依次用丙酮、无水乙醇清洗15分钟，之后用高纯氮气吹干，得到干净的衬底；将衬底放入脉冲激光沉积系统的真空腔体中并抽真空至1×10-4Pa，将衬底加热到700℃并向真空腔体中通入氧气，氧气为生长气氛，调节生长室氧气气压为1Pa，利用Al0.01Ga0.99N靶材作为铝-氮源和镓源，采用脉冲激光烧蚀沉积的方法在衬底上进行铝-氮共掺杂氧化镓薄膜的生长，薄膜厚度约为150nm；其中，脉冲激光能量为300mJ、脉冲个数为18000、脉冲频率为5Hz；
其中，Al0.01Ga0.99N靶材的制备方法为：
将AlN、GaN粉末按摩尔比为0.01:0.99混合后，置于球磨罐中，然后加入粉末总质量60％的去离子水进行球磨8小时，再将球磨混合粉末放入真空干燥箱中进行干燥处理，得到精细粉末；具体的干燥温度为120℃，干燥时间为8小时；
然后向干燥的精细粉末中加入粉末总质量3％的无水乙醇，研磨搅拌均匀，并在压片机中于压力为4MPa下压制成陶瓷胚片，陶瓷胚片的厚度为3mm；
在真空管式炉中，于温度为950℃下对Al0.01Ga0.99N陶瓷胚片烧结6h，即得Al0.01Ga0.99N靶材。
本申请实施例中，通过脉冲激光沉积法烧蚀Al0.01Ga0.99N靶材，得到Al0.01Ga0.99N团簇，同时通入O2氧化Al0.01Ga0.99N团簇制备铝-氮共掺杂p型氧化镓薄膜。该方法有效提高了氮元素在氧化镓薄膜中的溶解度，氮元素取代氧元素产生空穴，从而实现p型导电氧化镓薄膜，Al掺杂合金化提高了氧化镓的导带底和价带顶，抑制氧空位缺陷电离的同时降低了N受主激活能，并且有效提高了N受主元素在氧化镓薄膜中的溶解度及N受主稳定性。
实施例6
本申请实施例提供了一种钪-氮元素共掺杂p型氧化镓薄膜的制备方法，包括以下步骤：
S1、提供Sc0.01Ga0.99N靶材；
S2、提供c面蓝宝石衬底；
S3、将c面蓝宝石衬底依次用丙酮、无水乙醇、去离子水清洗15分钟，之后用高纯氮气吹干，得到干净的衬底；将衬底放入脉冲激光沉积系统的真空腔体中并抽真空至1×10- 4Pa，将衬底加热到500℃并向真空腔体中通入氧气，氧气为生长气氛，调节生长室氧气气压为1Pa，利用Sc0.01Ga0.99N靶材作为钪-氮源和镓源，采用脉冲激光烧蚀沉积的方法在衬底上进行钪-氮共掺杂氧化镓薄膜的生长，薄膜厚度约为250nm；其中，脉冲激光能量为300mJ、脉冲个数为18000、脉冲频率为5Hz；
其中，Sc0.01Ga0.99N靶材的制备方法为：
将ScN、GaN粉末按摩尔比为0.01:0.99混合后，置于球磨罐中，然后加入粉末总质量60％的去离子水进行球磨8小时，再将球磨混合粉末放入真空干燥箱中进行干燥处理，得到精细粉末；具体的干燥温度为120℃，干燥时间为8小时；
然后向干燥的精细粉末中加入粉末总质量3％的无水乙醇，研磨搅拌均匀，并在压片机中于压力为4MPa下压制成陶瓷胚片，陶瓷胚片的厚度为3mm；
在真空管式炉中，于温度为950℃下对Sc0.01Ga0.99N陶瓷胚片烧结6h，即得Sc0.01Ga0.99N靶材。
本申请实施例中，通过脉冲激光沉积法烧蚀Sc0.01Ga0.99N靶材，得到Sc0.01Ga0.99N团簇，同时通入O2氧化Sc0.01Ga0.99N团簇制备钪-氮共掺杂p型氧化镓薄膜。该方法有效提高了氮元素在氧化镓薄膜中的溶解度，氮元素取代氧元素产生空穴，从而实现p型导电氧化镓薄膜，Sc掺杂合金化提高了氧化镓的导带底和价带顶，抑制氧空位缺陷电离的同时降低了N受主激活能，并且有效提高了N受主元素在氧化镓薄膜中的溶解度及N受主稳定性。
对本申请实施例制备得到的钪-氮元素共掺杂p型氧化镓薄膜进行结构、光学和电学性能测试，测试结果为：薄膜为(-201)择优取向生长，可见光透过率为90％，薄膜为p型导电，空穴浓度为6.18×1016cm-3，空穴迁移率为0.11cm2/V·s，电阻率为913Ω·cm。
实施例7
本申请实施例提供了一种钪-氮元素共掺杂p型氧化镓薄膜的制备方法，包括以下步骤：
S1、提供Sc0.01Ga0.99N靶材；
S2、提供c面蓝宝石衬底；
S3、将c面蓝宝石衬底依次用丙酮、无水乙醇、去离子水清洗15分钟，之后用高纯氮气吹干，得到干净的衬底；将衬底放入脉冲激光沉积系统的真空腔体中并抽真空至1×10- 4Pa，将衬底加热到550℃并向真空腔体中通入氧气，氧气为生长气氛，调节生长室氧气气压为1Pa，利用Sc0.01Ga0.99N靶材作为钪-氮源和镓源，采用脉冲激光烧蚀沉积的方法在衬底上进行钪-氮共掺杂氧化镓薄膜的生长，薄膜厚度约为250nm；其中，脉冲激光能量为300mJ、脉冲个数为18000、脉冲频率为5Hz；
其中，Sc0.01Ga0.99N靶材的制备方法为：
将ScN、GaN粉末按摩尔比为0.01:0.99混合后，置于球磨罐中，然后加入粉末总质量60％的去离子水进行球磨8小时，再将球磨混合粉末放入真空干燥箱中进行干燥处理，得到精细粉末；具体的干燥温度为120℃，干燥时间为8小时；
然后向干燥的精细粉末中加入粉末总质量3％的无水乙醇，研磨搅拌均匀，并在压片机中于压力为4MPa下压制成陶瓷胚片，陶瓷胚片的厚度为3mm；
在真空管式炉中，于温度为950℃下对Sc0.01Ga0.99N陶瓷胚片烧结6h，即得Sc0.01Ga0.99N靶材。
本申请实施例中，通过脉冲激光沉积法烧蚀Sc0.01Ga0.99N靶材，得到Sc0.01Ga0.99N团簇，同时通入O2氧化Sc0.01Ga0.99N团簇制备钪-氮共掺杂p型氧化镓薄膜。该方法有效提高了氮元素在氧化镓薄膜中的溶解度，氮元素取代氧元素产生空穴，从而实现p型导电氧化镓薄膜，Sc掺杂合金化提高了氧化镓的导带底和价带顶，抑制氧空位缺陷电离的同时降低了N受主激活能，并且有效提高了N受主元素在氧化镓薄膜中的溶解度及N受主稳定性。
对本申请实施例制备得到的钪-氮元素共掺杂p型氧化镓薄膜进行结构、光学和电学性能测试，测试结果为：薄膜为(-201)择优取向生长，可见光透过率为90％，薄膜为p型导电，空穴浓度为9.56×1016cm-3，空穴迁移率为0.067cm2/V·s，电阻率为986Ω·cm。
实施例8
本申请实施例提供了一种钪-氮元素共掺杂p型氧化镓薄膜的制备方法，包括以下步骤：
S1、提供Sc0.01Ga0.99N靶材；
S2、提供c面蓝宝石衬底；
S3、将c面蓝宝石衬底依次用丙酮、无水乙醇、去离子水清洗15分钟，之后用高纯氮气吹干，得到干净的衬底；将衬底放入脉冲激光沉积系统的真空腔体中并抽真空至1×10- 4Pa，将衬底加热到600℃并向真空腔体中通入氧气，氧气为生长气氛，调节生长室氧气气压为1Pa，利用Sc0.01Ga0.99N靶材作为钪-氮源和镓源，采用脉冲激光烧蚀沉积的方法在衬底上进行钪-氮共掺杂氧化镓薄膜的生长，薄膜厚度约为250nm；其中，脉冲激光能量为300mJ、脉冲个数为18000、脉冲频率为5Hz；
其中，Sc0.01Ga0.99N靶材的制备方法为：
将ScN、GaN粉末按摩尔比为0.01:0.99混合后，置于球磨罐中，然后加入粉末总质量60％的去离子水进行球磨8小时，再将球磨混合粉末放入真空干燥箱中进行干燥处理，得到精细粉末；具体的干燥温度为120℃，干燥时间为8小时；
然后向干燥的精细粉末中加入粉末总质量3％的无水乙醇，研磨搅拌均匀，并在压片机中于压力为4MPa下压制成陶瓷胚片，陶瓷胚片的厚度为3mm；
在真空管式炉中，于温度为950℃下对Sc0.01Ga0.99N陶瓷胚片烧结6h，即得Sc0.01Ga0.99N靶材。
本申请实施例中，通过脉冲激光沉积法烧蚀Sc0.01Ga0.99N靶材，得到Sc0.01Ga0.99N团簇，同时通入O2氧化Sc0.01Ga0.99N团簇制备钪-氮共掺杂p型氧化镓薄膜。该方法有效提高了氮元素在氧化镓薄膜中的溶解度，氮元素取代氧元素产生空穴，从而实现p型导电氧化镓薄膜，Sc掺杂合金化提高了氧化镓的导带底和价带顶，抑制氧空位缺陷电离的同时降低了N受主激活能，并且有效提高了N受主元素在氧化镓薄膜中的溶解度及N受主稳定性。
实施例9
本申请实施例提供了一种钪-氮元素共掺杂p型氧化镓薄膜的制备方法，包括以下步骤：
S1、提供Sc0.01Ga0.99N靶材；
S2、提供c面蓝宝石衬底；
S3、将c面蓝宝石衬底依次用丙酮、无水乙醇、去离子水清洗15分钟，之后用高纯氮气吹干，得到干净的衬底；将衬底放入脉冲激光沉积系统的真空腔体中并抽真空至1×10- 4Pa，将衬底加热到650℃并向真空腔体中通入氧气，氧气为生长气氛，调节生长室氧气气压为1Pa，利用Sc0.01Ga0.99N靶材作为钪-氮源和镓源，采用脉冲激光烧蚀沉积的方法在衬底上进行钪-氮共掺杂氧化镓薄膜的生长，薄膜厚度约为200nm；其中，脉冲激光能量为300mJ、脉冲个数为18000、脉冲频率为5Hz；
其中，Sc0.01Ga0.99N靶材的制备方法为：
将ScN、GaN粉末按摩尔比为0.01:0.99混合后，置于球磨罐中，然后加入粉末总质量60％的去离子水进行球磨8小时，再将球磨混合粉末放入真空干燥箱中进行干燥处理，得到精细粉末；具体的干燥温度为120℃，干燥时间为8小时；
然后向干燥的精细粉末中加入粉末总质量3％的无水乙醇，研磨搅拌均匀，并在压片机中于压力为4MPa下压制成陶瓷胚片，陶瓷胚片的厚度为3mm；
在真空管式炉中，于温度为950℃下对Sc0.01Ga0.99N陶瓷胚片烧结6h，即得Sc0.01Ga0.99N靶材；
本申请实施例中，通过脉冲激光沉积法烧蚀Sc0.01Ga0.99N靶材，得到Sc0.01Ga0.99N团簇，同时通入O2氧化Sc0.01Ga0.99N团簇制备钪-氮共掺杂p型氧化镓薄膜。该方法有效提高了氮元素在氧化镓薄膜中的溶解度，氮元素取代氧元素产生空穴，从而实现p型导电氧化镓薄膜，Sc掺杂合金化提高了氧化镓的导带底和价带顶，抑制氧空位缺陷电离的同时降低了N受主激活能，并且有效提高了N受主元素在氧化镓薄膜中的溶解度及N受主稳定性。
对比例1
本申请实施例提供了一种氮元素单独掺杂p型氧化镓薄膜的制备方法，包括以下步骤：
S1、提供GaN靶材；
S2、提供MgO衬底；
S3、将氧化镁衬底依次用丙酮、无水乙醇清洗15分钟，之后用高纯氮气吹干，得到干净的衬底；将衬底放入脉冲激光沉积系统的真空腔体中并抽真空至1×10-4Pa，将衬底加热到600℃并向真空腔体中通入氧气，氧气为生长气氛，调节生长室氧气气压为1Pa，利用GaN靶材作为氮源和镓源，采用脉冲激光烧蚀沉积的方法在衬底上进行氮掺杂氧化镓薄膜的生长，薄膜厚度约为120nm；其中，脉冲激光能量为275mJ、脉冲个数为18000、脉冲频率为5Hz；
其中，GaN靶材的制备方法为：
将GaN粉末置于球磨罐中，然后加入粉末总质量60％的去离子水进行球磨8小时，再将球磨混合粉末放入真空干燥箱中进行干燥处理，得到精细粉末；具体的干燥温度为120℃，干燥时间为8小时；
然后向干燥的精细粉末中加入粉末总质量3％的无水乙醇，研磨搅拌均匀，并在压片机中于压力为4MPa下压制成陶瓷胚片，陶瓷胚片的厚度为3mm；
在真空管式炉中，于温度为950℃下对GaN陶瓷胚片烧结6h，即得GaN靶材。
本申请实施例中，通过脉冲激光沉积法烧蚀GaN靶材，得到GaN团簇，同时通入O2氧化GaN团簇制备氮掺杂p型氧化镓薄膜。该方法有效提高了氮元素在氧化镓薄膜中的溶解度，降低了N受主激活能，氮元素取代氧元素产生空穴，从而实现p型导电氧化镓薄膜。
对本申请实施例制备得到的氮元素掺杂p型氧化镓薄膜进行结构、光学和电学性能测试，测试结果为：薄膜为(100)择优取向生长，可见光透过率为90％，薄膜为p型导电，空穴载流子浓度为7.03×1016cm-3，电阻率为20.9Ω·cm；一个月后对薄膜再进行测试，薄膜转变为n型，电子载流子浓度为4.52×1018cm-3，电阻率为2.36Ω·cm。氮元素单独掺杂可实现p型氧化镓薄膜，但p型导电稳定性较差，有待提高。
对比例2
本申请实施例提供了一种钪元素单独掺杂氧化镓薄膜的制备方法，包括以下步骤：
S1、提供(Sc0.06Ga0.94)2O3靶材；
S2、提供c面蓝宝石衬底；
S3、将c面蓝宝石衬底依次用丙酮、无水乙醇、去离子水清洗15分钟，之后用高纯氮气吹干，得到干净的衬底；将衬底放入脉冲激光沉积系统的真空腔体中并抽真空至1×10- 4Pa，将衬底加热到700℃并向真空腔体中通入氧气，氧气为生长气氛，调节生长室氧气气压为4Pa，利用(Sc0.06Ga0.94)2O3靶材作为钪源和镓源，采用脉冲激光烧蚀沉积的方法在衬底上进行钪掺杂氧化镓薄膜的生长，薄膜厚度约为150nm；其中，脉冲激光能量为300mJ、脉冲个数为18000、脉冲频率为5Hz；
其中，(Sc0.06Ga0.94)2O3靶材的制备方法为：
将Sc2O3、Ga2O3粉末按摩尔比为0.06:0.94混合后，置于球磨罐中，然后加入粉末总质量60％的去离子水进行球磨8小时，再将球磨混合粉末放入真空干燥箱中进行干燥处理，得到精细粉末；具体的干燥温度为120℃，干燥时间为8小时；
然后向干燥的精细粉末中加入粉末总质量3％的无水乙醇，研磨搅拌均匀，并在压片机中于压力为4MPa下压制成陶瓷胚片，陶瓷胚片的厚度为3mm；
在真空管式炉中，于温度为1300℃下对(Sc0.06Ga0.94)2O3陶瓷胚片烧结4h，即得(Sc0.06Ga0.94)2O3靶材；
本申请实施例中，通过脉冲激光沉积法烧蚀(Sc0.06Ga0.94)2O3靶材，得到(Sc0.06Ga0.94)2O3团簇，同时通入O2氧化(Sc0.06Ga0.94)2O3团簇制备钪掺杂氧化镓薄膜。Sc掺杂合金化提高了氧化镓的导带底和价带顶，薄膜光学带隙增大到4.96eV；钪元素的引入抑制了氧化镓中氧空位缺陷电离，电学测试表明，钪元素单独掺杂氧化镓薄膜为高阻状态。
性能测试
测试实施例3、6和7制备得到的铝或钪-氮元素共掺杂p型氧化镓薄膜的性能，结果如下表1所示。
表1-实施例3、6和7中制备得到的铝或钪-氮元素共掺杂p型氧化镓薄膜的性能
测试项目 实施例3 实施例6 实施例7
温度(K) 300 300 300
导电类型 p p p
空穴载流子浓度(1/cm3) 7.79×1017 6.18×1016 9.56×1016
霍尔迁移率(cm2/V·s) 0.072 0.11 0.067
电阻率(Ω·cm) 112 913 986
表2为实施例3中制备得到的铝-氮元素共掺杂p型氧化镓薄膜的时间依赖性结果。
表2-实施例3中制备得到的铝-氮元素共掺杂p型氧化镓薄膜的时间依赖性
测试项目 实施例3 30天后 50天后
温度(K) 300 300 300
导电类型 p p p
空穴载流子浓度(1/cm3) 7.79×1017 2.56×1017 2.92×1017
霍尔迁移率(cm2/V·s) 0.072 0.195 0.165
电阻率(Ω·cm) 112 125.5 129.8
图1为本发明实施例3制备的铝-氮元素共掺杂p型氧化镓薄膜x射线衍射(XRD)全图谱。
图2为本发明实施例3制备的铝-氮元素共掺杂p型氧化镓薄膜x射线衍射摇摆曲线图谱。
图3为本发明实施例3制备的铝-氮元素共掺杂p型氧化镓薄膜的x射线光光电子能谱图。
图4为本发明实施例3制备的铝-氮元素共掺杂p型氧化镓薄膜的Al 2p光电子峰精细谱图。
图5为本发明实施例3制备的铝-氮元素共掺杂p型氧化镓薄膜原子力显微镜(AFM)表面形貌图像。
图6为本发明实施例3制备的铝-氮元素共掺杂p型氧化镓薄膜的透射光谱图，内插图为薄膜的(αhv)2与hv的关系曲线图。
图7为本发明实施例6和7制备的钪-氮元素共掺杂p型氧化镓薄膜XRD全图谱。
图8为本发明实施例6制备的钪-氮元素共掺杂p型氧化镓薄膜的x射线光光电子能谱图。
图9为本发明实施例6制备的钪-氮元素共掺杂p型氧化镓薄膜的Sc 2p光电子峰精细谱图。
图10为本发明实施例6制备的钪-氮元素共掺杂p型氧化镓薄膜的原子力显微镜表面形貌图像。
图11为本发明实施例6制备的钪-氮元素共掺杂p型氧化镓薄膜的透射光谱图，内插图为薄膜的(αhv)2与hv的关系曲线图。
图12为本发明实施例7制备的钪-氮元素共掺杂p型氧化镓薄膜的透射光谱图，内插图为薄膜的(αhv)2与hv的关系曲线图。
由表1中实施例3、6和7薄膜的霍尔测试结果可以得到，利用本发明提供的方法在不同衬底(c面蓝宝石、氧化镁)实现了导电性良好、可重复性高的铝或钪-氮元素共掺杂p型氧化镓薄膜制备，在氧化镁衬底上生长的铝-氮元素共掺杂p型氧化镓薄膜，具有较高的载流子浓度为7.79×1017(1/cm3)，薄膜电阻率为112(Ω·cm)；在c面蓝宝石衬底上生长的钪-氮元素共掺杂p型氧化镓薄膜，薄膜最高载流子浓度为9.56×1016(1/cm3)，空穴迁移率最高为0.11(cm2/V·s)，薄膜电阻率为913(Ω·cm)。
由表2中实施例3的时间依赖霍尔测试结果可以得到，利用本发明提供的方法制备的铝-氮元素共掺杂p型氧化镓薄膜，在30天后测试为p型，载流子浓度为2.56×1017(1/cm3)，薄膜电阻率为125.5(Ω·cm)；50天后测试薄膜依然为p型，载流子浓度为2.92×1017(1/cm3)，薄膜电阻率为129.8(Ω·cm)。时间依赖性霍尔测试结果表明，利用该方法制备得到的铝-氮元素共掺杂p型氧化镓薄膜稳定性好，铝元素的引入提高了N受主稳定性。
由图1～6可以得到，在MgO衬底上生长了(100)取向的铝-氮元素共掺杂p型氧化镓薄膜，(600)晶面摇摆曲线半高宽(FWHM)为0.153°，薄膜结晶质量较好。x射线光电子能谱测试表明薄膜中只含有镓、氧及碳元素，其中碳元素来源于薄膜表面吸附物，薄膜不含有其它杂质，Al 2p光电子峰精细谱表明铝成功掺杂进氧化镓薄膜中。原子力显微镜测试表明薄膜表面光滑，粗糙度低至1.16nm。光学测试结果表明，铝-氮元素共掺杂p型氧化镓薄膜在300-3000nm波长范围内透过率高达90％，具有良好的透过率，薄膜光学带隙为4.8eV。
由图7～12可以得到，在c面蓝宝石衬底生长了钪-氮元素共掺杂p型氧化镓薄膜，实施例6的XRD全谱测试表明薄膜为多取向薄膜，实施例7的XRD全谱测试表明薄膜为(-201)择优取向薄膜。实施例6的x射线光电子能谱测试表明薄膜中只含有镓、氧及碳元素，其中碳元素来源于薄膜表面吸附物，不含有其它杂质，Sc 2p光电子峰精细谱表明钪成功掺杂进氧化镓薄膜中，而在397eV结合能处为镓元素俄歇峰。实施例6的原子力显微镜测试表明薄膜表面较光滑，粗糙度为7.14nm。实施例6和7的光学测试结果表明，薄膜在300-3000nm波长范围内透过率高达90％，具有良好的透过率，薄膜光学带隙为4.8eV。
综上，利用本申请提供的方法，在MgO衬底上实现了高质量的铝-氮元素共掺杂p型氧化镓薄膜，在c面蓝宝石衬底上制备得到了钪-氮元素共掺杂的p型氧化镓薄膜；制备得到的铝钪-氮元素共掺杂p型氧化镓薄膜均具有良好的光学透过性，薄膜厚度可调控；薄膜p型可重复性高及导电性良好，铝-氮元素共掺杂薄膜载流子浓度高，薄膜在50天后测试依然为p型，铝元素引入提高了N受主元素在氧化镓中的溶解度及N受主稳定性。这些特征为本发明提供的方法制备的铝或钪-氮元素共掺杂p型氧化镓薄膜在光电探测器件和功率电子器件应用提供了显著优势。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种p型氧化镓薄膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供MxGa1-xN靶材；其中，所述M选自Al、Sc、In、Y、Lu中的任一种；0＜x＜1；
提供一衬底；
将所述衬底置于沉积设备的真空腔体中，利用所述MxGa1-xN靶材作为氮源与镓源，采用物理气相沉积法烧蚀、溅射或蒸发MxGa1-xN靶材，得到MxGa1-xN团簇，再利用氧气氧化MxGa1-xN团簇，从而在衬底上生长得到氮元素掺杂p型氧化镓薄膜。
2.如权利要求1所述的p型氧化镓薄膜的制备方法，其特征在于，将所述衬底置于沉积设备的真空腔体中并将衬底加热至400～750℃。
3.如权利要求1所述的p型氧化镓薄膜的制备方法，其特征在于，所述物理气相沉积法包括磁控溅射法、脉冲激光沉积法及分子束外延法中的任一种；
和/或，所述衬底包括c面蓝宝石衬底、氧化镁衬底、氧化镓衬底、氮化镓衬底、硅衬底、NSTO衬底、石英玻璃衬底、r面蓝宝石、a面蓝宝石中的任一种。
4.如权利要求3所述的p型氧化镓薄膜的制备方法，其特征在于，采用脉冲激光沉积法烧蚀MxGa1-xN靶材，得到MxGa1-xN团簇，同时向真空腔体中通入氧气，调节生长室氧压为0～5Pa；其中，脉冲激光能量为120～600mJ、脉冲个数为6000～72000、脉冲频率为1～20Hz。
5.如权利要求1所述的p型氧化镓薄膜的制备方法，其特征在于，0.001≤x≤0.999。
6.如权利要求1所述的p型氧化镓薄膜的制备方法，其特征在于，所述MxGa1-xN靶材的制备方法包括：
按比例将MN、GaN粉末球磨混合得到精细粉末；
将球磨后精细粉末压成陶瓷胚片；
将陶瓷胚片于800～1200℃下烧结，即得MxGa1-xN靶材。
7.如权利要求6所述的p型氧化镓薄膜的制备方法，其特征在于，将球磨后精细粉末于压力为2～10Mpa下压成2～5mm厚的陶瓷胚片；将陶瓷胚片于800～1200℃下烧结2～5h，即得MxGa1-xN靶材。
8.如权利要求1所述的p型氧化镓薄膜的制备方法，其特征在于，将所述衬底置于沉积设备的真空腔体中之前还包括，将所述衬底依次用丙酮、无水乙醇、去离子水清洗。
9.一种p型氧化镓薄膜，其特征在于，采用如权利要求1～8任一所述的制备方法制备得到。
10.一种如权利要求1～8任一所述的制备方法制备得到的p型氧化镓薄膜或权利要求9所述的p型氧化镓薄膜在制备日盲紫外探测器、大功率电子器件中的应用。
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