一种氧化镓p-n同质结材料及其制备和应用

本发明属于半导体材料，涉及一种氧化镓p-n同质结材料及其制备和应用。

背景技术：

1、p-n结是半导体电子、光电子和功率器件的至关重要的基本结构单元。近年来，以宽禁带半导体材料制备的p-n结展现出极高的击穿场强、baliga和johnson优值，可进一步提升半导体结型器件的性能，在功率与射频电子器件、光电探测器、高温气体传感器等领域具有广泛的应用前景。相比硅基半导体，宽禁带半导体的巴利加优值通常可提升500～25000倍，最低比导通电阻可降低100～1000倍，击穿电压可以提升100～1000倍[h.peelaers et al.,phys.rev.b,2015,92,085206；m.higashiwaki et al.,j.phys.d:appl.phys.,2017,50,333002；k.sheng et al.,ecs trans.,2017,80,37；z.galazka,semicond.sci.tech.,2018,33,113001；s.j.pearton et al.,appl.phys.rev.,2018,5,011301；t.f.pu et al.,nanoscale res.lett.,2021,16,101.]。

2、氧化镓作为一种新兴的宽禁带半导体材料,具有4.8ev超宽带隙、高热/化学稳定性、高的可见光光透性、常温激子、高密度二维电子气等特性，近年来引起了人们强烈的研究兴趣。氧化镓基p-n异质结展现出超高的击穿电压，极低的比导通电阻，与抗浪涌稳定性等优异的性能[j.s.li et al.,appl.phys.lett.,2022,121,042105；j.c.zhang et al.,nat.commun.,2022,13,3900；f.zhou et al.,nat.commun.,2023,14,4459；2022international electron devices meeting(iedm)；2022 3-7dec.2022；2022.pp.9.5.1-9.5.4.]。由于存在p型掺杂与激活效率低、自补偿效应等问题还需克服，目前还未曾有过关于氧化镓p-n同质结制备技术的相关报道。p-n同质结可以消除p-n异质结中的带阶、异质界面电子陷阱、异质材料击穿电场和介电常数差异等固有问题，因此亟待开发氧化镓p-n同质结的制备技术。

技术实现思路

1、本发明的目的就是为了提供一种氧化镓p-n同质结材料及其制备和应用，以实现氧化镓p-n同质结的制备的生产制备等。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

3、本发明的技术方案之一提供了一种氧化镓p-n同质结材料的制备方法，包括以下步骤：

4、(1)取氮化镓薄膜放置于外延生长设备中，通入载气，将腔体气氛调至第一腔体气氛条件，并在腔体温度600～1050℃条件下进行10～30min的处理；

5、(2)再将腔体气氛调至第二腔体气氛条件，并在1000～1400℃的腔体温度下进行90～210min生长，得到氧化镓p-n同质结材料。

6、进一步的，所述氮化镓薄膜为由依次复合的衬底、n型氮化镓层、p型(绝缘)氮化镓层组成的p型(或绝缘)氮化镓/n型氮化镓/衬底结构。更具体的，衬底的材质可以为现有导电与绝缘衬底，例如：硅、氮化镓、蓝宝石、碳化硅中的任一种。同时，上述绝缘(p型)氮化镓/n型氮化镓/衬底结构中，p型掺杂浓度为1.0×1016～1.0×1020/cm3，n型掺杂浓度为1.0×1016～1.0×1020/cm3。

7、进一步的，所述载气为氮气、氩气、氢气或其他惰性气体中任意一种或几种的混合气体。

8、进一步的，所述第一腔体气氛条件为：载气流量10sccm～700sccm，腔体压强1.01×10-2pa～1.01×106pa，腔体氧含量1.0×10-15mol/l～1.0×10-9mol/l。

9、进一步的，所述第二腔体气氛条件具体为：载气流量80sccm～1200sccm，腔体压强1.01×10-1pa～1.01×106pa，腔体氧含量1.0×10-11mol/l～1.0×10-6mol/l。

10、进一步的，在第二腔体气氛条件中生长完成后，还继续在退火炉、高压釜、或离子注入设备中进行性能调控。

11、更进一步的，所述退火炉中进行性能调控的条件为：载气流量0sccm～1200sccm，腔体压强1.01×10-1pa～1.01×106pa，腔体氧含量1.0×10-11mol/l～1.0×10-6mol/l，退火时间30～300min。优选的，载气流量不为0。

12、更进一步的，所述高压釜中进行性能调控的条件为：釜内气氛为高纯氮气、高纯氩气、高纯氢气、高纯氧气或其他惰性气体中任意一种或几种的混合气体作为载气，腔体温度为25～200℃，釜内压强为1×106pa～6×106pa，加压时长为120～8640min。

13、更进一步的，所述离子注入设备中进行性能调控的条件为：入射角度为3～7°，入射离子束能量为30～200kev，离子剂量为1×1013～9×1014cm-2；具体的，注入离子可以为mg、h、n等受主杂质或者si、sn、fe等施主杂质。

14、更具体的，离子注入后进行退火处理，退火温度为600～1200℃。此处退火处理可以在氮气、氩气、氧气等气体下进行。

15、本发明的技术方案之二提供了一种氧化镓p-n同质结材料，其采用如上任一所述的制备方法制备得到，其特征在于，该氧化镓p-n同质结材料包括依次复合的衬底、n型氧化镓层、p型氧化镓层，其中，p型氧化镓层的电阻率≤900ω·cm，n型氧化镓层的电阻率≤100ω·cm。

16、本发明的技术方案之三提供了一种氧化镓p-n同质结材料在制备水平结构和/或垂直结构的氧化镓p-n结、p-i-n结二极管器件或肖特基器件中的应用。

17、本发明中，第一腔体气氛条件用于初始表面氧化调控；随后在第二腔体气氛条件制备氧化镓p-n同质结；结合退火炉、高压釜、离子注入设备，用于调控氧化镓p-n同质结的最终性能。本发明的生长条件中任意参数超出范围，通常制备出高性能的氧化镓p-n同质结。

18、与现有技术相比，本发明具有以下优点：

19、1)本发明可以制备出氧化镓薄膜基p-n同质结，重复率高。

20、2)本发明对设备要求低，实验操作步骤简单。

21、3)通过本发明的制备方法制备的氧化镓薄膜基p-n同质结可进一步制作功率射频电子器件、深紫外光电子器件与气敏探测器。

技术特征：

1.一种氧化镓p-n同质结材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种氧化镓p-n同质结材料的制备方法，其特征在于，所述氮化镓薄膜为由p型或绝缘氮化镓层、n型氮化镓层与衬底组成的p型或绝缘氮化镓/n型氮化镓/衬底结构；

3.根据权利要求1所述的一种氧化镓p-n同质结材料的制备方法，其特征在于，所述第一腔体气氛条件为：载气流量10sccm～700sccm，腔体压强1.01×10-2pa～1.01×106pa，腔体氧含量1.0×10-15mol/l～1.0×10-9mol/l。

4.根据权利要求1所述的一种氧化镓p-n同质结材料的制备方法，其特征在于，所述第二腔体气氛条件具体为：载气流量80sccm～1200sccm，腔体压强1.01×10-1pa～1.01×106pa，腔体氧含量1.0×10-11mol/l～1.0×10-6mol/l。

5.根据权利要求1所述的一种氧化镓p-n同质结材料的制备方法，其特征在于，在第二腔体气氛条件中生长完成后，还继续在退火炉、高压釜、或离子注入设备中进行性能调控。

6.根据权利要求5所述的一种氧化镓p-n同质结材料的制备方法，其特征在于，所述退火炉中进行性能调控的条件为：载气流量0sccm～1200sccm，腔体压强1.01×10-1pa～1.01×106pa，腔体氧含量1.0×10-11mol/l～1.0×10-6mol/l，退火时间30～300min。

7.根据权利要求5所述的一种氧化镓p-n同质结材料的制备方法，其特征在于，所述高压釜中进行性能调控的条件为：釜内气氛为高纯氮气、高纯氩气、高纯氢气、高纯氧气或其他惰性气体中任意一种或几种的混合气体作为载气，腔体温度为25～200℃，釜内压强为1×106pa～6×106pa，加压时长为120～8640min。

8.根据权利要求5所述的一种氧化镓p-n同质结材料的制备方法，其特征在于，所述离子注入设备中进行性能调控的条件为：入射角度为3～7°，入射离子束能量为30～200kev，离子剂量为1×1013～9×1014cm-2；

9.一种氧化镓p-n同质结材料，其采用如权利要求1-8任一所述的制备方法制备得到，其特征在于，该氧化镓p-n同质结材料包括依次复合的衬底、n型氧化镓层、p型氧化镓层，其中，p型氧化镓层的电阻率≤900ω·cm，n型氧化镓层的电阻率≤100ω·cm。

10.如权利要求9所述的一种氧化镓p-n同质结材料在制备水平结构和/或垂直结构的氧化镓p-n结、p-i-n结二极管器件或肖特基器件中的应用。

技术总结本发明涉及一种氧化镓p‑n同质结材料及其制备和应用，该同质结材料的制备方法包括以下步骤：(1)取氮化镓薄膜放置于外延生长设备中，通入载气，将腔体气氛调至第一腔体气氛条件，并在腔体温度600～1050℃条件下进行10～30min的处理；(2)再将腔体气氛调至第二腔体气氛条件，并在1000～1400℃的腔体温度下进行90～210min生长；(3)最后继续在退火炉、高压釜、或离子注入设备中进行性能调控，得到氧化镓p‑n同质结材料。本发明填补了超宽禁带半导体氧化镓同质p‑n结制备技术方面的空白，可制备出氧化镓同质p‑n结，可应用在深紫外日盲探测器、气体传感器和功率器件的制备。技术研发人员：方志来,吴征远,刘晨星受保护的技术使用者：复旦大学技术研发日：技术公布日：2024/5/29