[发明专利]一种通过氧空位浓度调控ε相氧化镓光电响应性能的方法

说明书

本发明提供了一种通过氧空位浓度调控ε相氧化镓光电响应性能的方法和相应的Ga₂O₃薄膜和光电探测器。所述方法包括：在衬底上生成初始的ε相晶体结构Ga₂O₃薄膜，并在富氧环境下对所述初始的Ga₂O₃薄膜进行退火处理，以得到最终的Ga₂O₃薄膜。本发明的方法能够有效改善ε相氧化镓的结晶质量和缺陷浓度，使ε相氧化镓的光电响应性能大幅度提升，达到光电探测器应用要求。

技术领域

本发明涉及半导体光电子器件领域，具体涉及光电探测技术领域，特别涉及一种通过氧空位浓度调控ε相氧化镓光电响应性能的方法，以及相应的Ga₂O₃薄膜和光电探测器。

背景技术

现代半导体技术虽然只有短短七十年的发展历程，但已经给人类社会带来了翻天覆地的变化，将人类由信息闭塞的时代一下子推进到网络信息和人工智能时代。这种仅通过半导体材料的基础光电物性所达到的技术革新效果，让世界各国对新材料、新技术的探索趋之如骛。特别是近年来，氮化镓材料的成功商业化应用，将第三代宽禁带半导体和超宽半导体材料带入了人们的视野。同时，发达国家纷纷将第三代宽禁带半导体的发展纳入国家战略，投巨资予以支持。美国宣布成立“下一代电力电子器件国家制造创新中心”，欧洲启动了“LAST POWER”产学研项目，日本则设立了“下一代功率半导体封装技术开发联盟”。

作为比第三代半导体材料禁带宽度更大的氧化镓材料，自2005年以来，便受到广泛关注。美国空军研究实验室甚至针对氧化镓的制备技术和相关器件进行了系统的评价和关注。氧化镓材料总共有α、β、γ、ε和δ五种相结构，其中β相最稳定，也是目前研究最多的晶体结构类型。随着对氧化镓材料多应用场景的探索，具有六方结构的ε相氧化镓因其在应力调控下的超高稳定性、自发极化和二维电子气特征受到越来越多的关注。但在光电探测领域，其性能提升一直受限于低温制备导致的结晶质量差。如何优化ε相氧化镓的工艺流程，获得优异的结晶质量，实现对氧空位缺陷的有效控制，从而提升其光电性能，是拓展ε相氧化镓在探测器领域应用的关键一步。此外，现有技术中，存在氧化镓在光电探测领域因结晶质量差、空位缺陷多导致的光电性能差等的技术问题。

因此，有必要提供一种新的更有效的方式来调控ε相氧化镓光电响应性能，以解决上述问题。

发明内容

本发明旨在解决现有技术中的基于氧化镓的光电探测器因结晶质量差、空位缺陷多导致的光电性能差等的技术问题。

鉴于上述问题，本发明提出一种通过氧空位浓度调控ε相氧化镓光电响应性能的方法，所述方法包括：在衬底上生成初始的Ga₂O₃薄膜，该Ga₂O₃薄膜为ε相晶体结构；在富氧环境且在400～960℃的温度下，对所述初始的Ga₂O₃薄膜进行退火处理以降低该Ga₂O₃薄膜的氧空位浓度，得到最终的Ga₂O₃薄膜。

根据本发明的优选实施方式，所述富氧环境的气体流量为0～200ml/min的氧气。

根据本发明的优选实施方式，所述气体流量为20～80ml/min。

根据本发明的优选实施方式，所述退火处理时间为10～300min。

根据本发明的优选实施方式，所述的富氧环境氧含量大于50％。

根据本发明的优选实施方式，所述退火处理的温度为600～800℃。

根据本发明的优选实施方式，所述最终的Ga₂O₃薄膜的O/Ga原子比为1.35～1.65，O_II/O_I比值为0.1～0.4。