[发明专利]一种钽掺杂β氧化镓晶态材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种钽掺杂β氧化镓晶态材料及其制备方法和应用。该Ta掺杂β‑Ga₂O₃晶态材料属于单斜晶系，空间群为C2/m，电阻率在2.0×10^‑4到1×10⁴Ω·cm范围内和/或载流子浓度在5×10¹²到7×10²⁰/cm³范围内。制备方法包括步骤：将纯度在4N以上的Ta₂O₅和Ga₂O₃混合后进行晶体生长即可。本发明采用常规工艺即可制备得到高电导率，呈n型导电特性的β‑Ga₂O₃晶态材料，为其在电力电子器件、光电子器件、光催化剂或导电衬底上的应用提供基础。

技术领域

本发明涉及一种钽(Ta)掺杂β氧化镓(β-Ga₂O₃)晶态材料及其制备方法和应用。

背景技术

β-Ga₂O₃是一种直接带隙宽禁带半导体材料，禁带宽度约为4.8-4.9eV。它具有禁带宽度大、饱和电子漂移速度快、热导率高、击穿场强高、化学性质稳定等诸多优点，从深紫外(DUV)到红外(IR)区域都是透明的，与传统透明导电材料(TCOs)相比，可以制备波长更短的新一代半导体光电器件。

纯的β-Ga₂O₃晶体表现为半绝缘或较弱的n型导电，目前已知的提高β-Ga₂O₃晶体的n型导电能力的主要方法是进行4价离子(IV族元素)的掺杂，主要包括第四主族和第四副族的Si、Hf、Ge、Sn、Zr、Ti等离子的掺杂。以Si为例，其提高载流子浓度的主要机理反应如下：

从上式可以看出，IV族元素掺杂提供自由电子的理论极限能力约为1:1，随着掺杂浓度提高，晶体结晶困难增加，电导率提高程度有限。

其中，IV族元素中Si和Sn是常用的两个掺杂元素。美国专利文献US20070166967A1和日本专利文献JP2015083536A公开了采用Si掺杂β-Ga₂O₃单晶。虽然上述两文献公开的Si掺杂β-Ga₂O₃单晶电阻率在2.0×10^-3到8.0×10²Ω·cm范围内，电阻率可低至2.0×10^-3Ω·cm，但是上述最低电阻率仅仅是理论上的。实践过程中很难达到，由于Si⁴⁺与Ga³⁺半径差别很大，所以随着Si等IV元素的掺杂浓度大幅提高，将会有第二相析出，导致晶体质量下降，如US20070166967A1和JP2015083536A最终也只制备出了Si掺杂浓度在0.2mol％左右(参见Applied Physics Letters,2008,92,202120)的掺杂β-Ga₂O₃单晶，该掺杂晶体的电阻率在2.0×10^-2Ω·cm左右(具体可参见说明书图2)。

期刊文献(Thin Solid Films,2008,516(17),5763-5767)公开了采用Sn掺杂β-Ga₂O₃单晶，但由于锡的氧化物挥发性很强，通常原料配比中即使加了2-10mol％的Sn，所获得的晶体中Sn的含量也仅为ppm量级，这不仅对控制其含量及其均匀性带来了极大的困难，而且锡的氧化物的挥发还会造成对制备设备的污染。

因此，如何以一种简单的方式制备高电导率的掺杂β-Ga₂O₃成了本领域的重要研究课题。

发明内容