[发明专利]一种p型氮掺杂氧化镓薄膜及其制备方法

说明书

本发明公开了一种p型氮掺杂氧化镓薄膜及其制备方法，通过热氧化生长，自氮化镓薄膜上表面向氮化镓薄膜下表面扩散生长p型氧化镓薄膜，制得的p型氧化镓薄膜载流子浓度为1.0×10¹¹/cm3～1.0×10²⁰/cm³，薄膜表面粗糙度为1nm‑100nm，膜电阻率≤100Ω·cm。该发明提供了一种工艺简单且可重复稳定制备p型氧化镓薄膜的方法，制备的p型氧化镓薄膜氮掺杂含量高、载流子浓度高、迁移率高、电阻率低，提升了p型氧化镓材料的质量，推动了氧化镓材料的产业化进程。

技术领域

本发明属于半导体材料技术领域，具体涉及一种p型氮掺杂氧化镓薄膜及其制备方法。

背景技术

基于硅材料的功率半导体器件经过多年发展，器件的性能已经趋近硅材料的理论极限，而随着功率转换电路和系统需求的日益增加，目前功率半导体器件正进入以碳化硅、氮化镓、氧化锌、金刚石、氮化铝以及氧化镓为代表的第三代宽禁带半导体时代。其中，单斜晶系β-氧化镓作为一种超宽禁带半导体，禁带宽度为4.7～4.9eV，是制备高性能深紫外日盲光电探测器的可选材料。目前高质量氧化镓材料生长与高性能深紫外光电探测器制备已成为研究热点。随着氧化镓材料质量和器件性能的逐步提升，氧化镓深紫外光电探测器有望在未来实现产业化。现阶段，氧化镓材料生长和p型掺杂，金属-半导体接触，探测器的探测能力以及器件稳定性等问题是氧化镓的研究重点。

关于β-Ga₂O₃材料的研究主要还是集中在材料的生长，更为细致的研究集中在材料缺陷和杂质的引入对β-Ga₂O₃材料的影响。β-Ga₂O₃材料往往更倾向于呈现n型导电性，这是由于缺陷与氧空位的存在而引入的施主能级，所以β-Ga₂O₃材料退火的环境会对材料的导电性有很直观的影响，例如β-Ga₂O₃材料在氧氛围下退火会抑制材料中的自由电子浓度，而在氢气或氮气氛围下退火却能提升自由电子浓度，达到提升n型导电性的效果。由于Ga₂O₃材料具有很高的空穴有效质量、极易引入的氧空位与缺陷等施主能级，所以即便是未掺杂的氧化镓材料也会呈现出n型材料的导电特性，这就使得Ga₂O₃材料在n型材料制备上突破不断，但在p型材料制备方面却举步维艰，迟迟未能有大突破。

近年来对p型氧化镓薄膜的研究主要集中在氮替位氧形成的氮掺杂氧化镓薄膜和锌替位镓形成的锌掺杂氧化镓薄膜，虽然对于p型氧化镓的研究取得了一定的进展，但在已有的p型氧化镓材料制备中，面临着材料掺杂浓度低，重复率低，迁移率低，载流子浓度低，电阻率高等无法满足实用性的需求。能否提高材料p型掺杂水平，能否快捷有效的制备高迁移率，高载流子浓度，低电阻率的p型氧化镓薄膜，是关系到氧化镓材料产业化推广的重要因素之一。

由于p型氧化镓材料的缺失，现阶段氧化镓材料的器件研究都是基于n型氧化镓。基于n型氧化镓薄膜制备的深紫外光电探测器，面临着响应度不高的问题。基于p型氧化镓薄膜制备的场效应晶体管，其性能表现一直都是盲区。在获得p型氧化镓薄膜的前提下，无论是对p型氧化镓深紫外光电探测器的研究，还是对p型氧化镓场效应管的研究，都是对氧化镓材料发展的巨大推动。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种p型氮掺杂氧化镓薄膜，包括衬底和p型氮掺杂氧化镓薄层，所述p型氮掺杂氧化镓薄膜的载流子浓度为1.0×10¹¹/cm³～1.0×10²⁰/cm³，即每立方厘米包含的载流子数量为1.0×10¹¹～1.0×10²⁰个，所述p型氮掺杂氧化镓薄膜表面粗糙度为1nm-100nm，所述p型氮掺杂氧化镓薄膜电阻率≤100Ω·cm。

优选的，所述衬底材料选自蓝宝石、硅、碳化硅、石墨烯、氮化硼。