[发明专利]一种六方相五氧化二钽单晶薄膜的制备方法

说明书

本发明公开了一种六方相五氧化二钽单晶薄膜的制备方法，属于光电子信息功能材料技术领域。用乙醇钽作为有机金属化合物材料，以高纯氧气作为氧化气体，采用金属有机物化学气相沉积设备在六方结构的氟化镧单晶衬底上制备出无孪晶的六方相五氧化二钽单晶薄膜。本发明所制备的六方相五氧化二钽单晶薄膜材料具有单晶质量高、稳定性好，因此在半导体器件领域具有良好的应用前景。

技术领域

本发明涉及一种基于氟化镧衬底高质量六方相五氧化二钽单晶薄膜的制备方法，属于宽带隙氧化物半导体光电材料技术领域。

背景技术

近年来，随着半导体技术的快速发展，导体材料向着宽带隙、更高的击穿电压和低损耗的方向发展。相应的半导体器件则向着高功率、高集成和低能耗的方向发展，宽带隙的氧化物材料成为当前研究的热点之一。五氧化二钽(Ta₂O₅)主要有四方、正交和六方相结构，具有宽带隙、高击穿电压和高介电常数及物理化学性能稳定等特点，因此是很有潜力的多功能材料。Ta₂O₅的带隙宽度约为3.9-4.5eV，其介电常数：20-22，因此可作为绝缘介质材料应用于薄膜晶体管、高电子迁移率晶体管和超级电容等半导体器件。特别是具有六方相的Ta₂O₅，其晶格结构与氮化镓相似，是一种很有前途的宽带隙氧化物半导体材料。

Ta₂O₅粉末材料(CN105197996B)和薄膜材料(Optical Materials，97(2019)109404)已有报道。采用溶胶-凝胶和射频磁控溅射等传统方法所制备的Ta₂O₅常为非晶或多晶结构形态的薄膜。采用异质外延生长的薄膜Ta₂O₅材料均已有报道[正交相Ta₂O₅外延薄膜：Ceramics International，48(2022)26800-26805；六方相Ta₂O₅外延薄膜：MaterialsScience in Semiconductor Processing 135(2021)106065]。

当前制备的六方相五氧化二钽材料仍然存在如下问题：

(1)对于目前生长六方相Ta₂O₅薄膜所使用的单晶衬底而言，通常会因为与其晶格结构差异或其晶格匹配较差，导致目前所获得的六方相Ta₂O₅外延薄膜一般都含有孪晶结构，存在着晶格结构不完整、晶格缺陷多、结晶质量差的问题。目前尚未见采用与六方相Ta₂O₅晶格结构相同且晶格匹配良好的单晶材料作为衬底生长六方相Ta₂O₅单晶薄膜的报道。

(2)目前非晶或多晶结构的Ta₂O₅薄膜材料在半导体器件的中多用作绝缘介质层。若使用高质量的六方相Ta₂O₅单晶薄膜作为绝缘介质层，将有利于降低器件的漏电流、提高器件的集成度，进而提升器件的性能。

(3)目前尚缺乏与六方相Ta₂O₅晶格匹配良好的单晶衬底材料。在此情况下，即使是采用金属有机物化学气相沉积(MOCVD)和分子束外延(MBE)等制备单晶薄膜的专用设备，也难以得到高质量的六方相Ta₂O₅单晶薄膜材料。这是目前未能获得无孪晶、结构完整的六方相Ta₂O₅单晶薄膜的重要原因。