[发明专利]一种沿[101]晶向生长的金红石结构钽掺杂氧化锡单晶薄膜及其制备方法

说明书

本发明涉及一种沿[101]晶向生长的金红石结构钽掺杂氧化锡单晶薄膜及其制备方法。本发明采用有机金属化学气相淀积(MOCVD)技术，以四乙基锡(Sn(C₂H₅)₄)为有机金属Sn源，乙醇钽(Ta(C₂H₅O)₅)为有机金属Ta源，以氧气为氧化物，以氮气为载气，在R面蓝宝石衬底上外延生长钽掺杂氧化锡单晶薄膜。采用R面蓝宝石做衬底可以制备出沿[101]晶向生长的金红石结构的钽掺杂氧化锡薄膜，制备的钽掺杂氧化锡薄膜为单晶薄膜，且迁移率高达58.1cm²V^‑1s^‑1，所制备钽掺杂氧化锡单晶薄膜的晶格结构及电学性质均优于氧化锡多晶薄膜，因此是制造透明半导体器件和紫外光电子器件的重要材料。

技术领域

本发明涉及一种沿[101]晶向生长的金红石结构钽掺杂氧化锡单晶薄膜及其制备方法，属于半导体光电子材料技术领域。

技术背景

近年来，宽禁带氧化物半导体材料氧化锡(SnO₂)以其独特的光学电学性质引起研究人员的广泛关注。与氮化镓(GaN，Eg～3.4eV)和氧化锌(ZnO，Eg～3.37eV，激子束缚能为～60meV)相比，氧化锡具有更宽的带隙和更高的激子束缚能(室温下分别是～3.7eV和～130meV)，而且氧化锡材料具有制备温度低、物理化学性能稳定等优点。目前氧化锡薄膜材料主要应用于透明导电电极、薄膜太阳能电池、气敏传感器和建筑玻璃等。

为了获得具有优良的电学性质的氧化锡薄膜，人们致力于研究制备具有高迁移率和低电阻率的氧化锡薄膜。本征的氧化锡为n型半导体材料，并且存在自补偿作用，如果制备的氧化锡为多晶薄膜，即使通过掺杂也难以获得性能优良并且稳定的p型氧化锡薄膜材料。

当前用常规方法制备的钽掺杂氧化锡薄膜存在如下问题：

(1)喷雾热解法和磁控溅射法等传统方法制备的氧化锡薄膜一般为多晶结构，结晶质量较差，薄膜内部的缺陷较多，存在大量晶粒间界，对薄膜内部的载流子散射作用较强，难以获得高迁移率性能的薄膜。

(2)在对氧化锡薄膜进行n型掺杂研究中，目前研究较多的是金属Sb元素的掺杂研究。近年来，研究人员的目光又转向Nb和Ta元素的掺杂。但是难以获得高质量的单晶掺杂薄膜和高霍尔迁移率的薄膜材料，极大的限制了氧化锡薄膜在光电材料器件领域的应用。

(3)用激光脉冲沉积系统(PLD)等方法虽然可以在蓝宝石衬底上实现Ta掺杂氧化锡薄膜材料的生长，但是结晶质量不理想，成膜面积小，难以实现产业化生产。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种沿[101]晶向生长的金红石型结构钽掺杂氧化锡单晶薄膜材料的制备方法。

术语解释：

MOCVD：有机金属化学气相淀积。

Ta掺杂比：Ta原子占Ta和Sn原子之和的百分比，Ta/(Ta+Sn)，原子比的简写为：％atm。

发明概述：

本发明采用有机金属化学气相淀积(MOCVD)技术，以四乙基锡(Sn(C₂H₅)₄)为有机金属Sn源，乙醇钽(Ta(C₂H₅O)₅)为有机金属Ta源，以氧气为氧化物，以氮气为载气，在R面蓝宝石衬底上外延生长钽掺杂氧化锡单晶薄膜。

发明详述：

本发明的技术方案如下：

上述钽掺杂氧化锡单晶薄膜的制备方法，步骤如下：