[发明专利]一种高阻氧化镓晶体及其制备方法与应用

说明书

本发明涉及一种高阻氧化镓晶体及其制备方法与应用，所述高阻氧化镓晶体的分子式为β‑(Ga_1‑xAl_x)₂O₃，其中x的取值范围为0.07≤x≤0.3，采用包括光学浮区法、提拉法、导模法或下降法的熔体生长方法制备得到。与现有技术相比，本发明提供的掺铝高阻氧化镓晶体的电阻率≥10⁹Ω·cm，晶体结晶质量高，基于该高阻氧化镓晶体制备的辐射探测器具有制作工艺简单、暗电流小、光暗电流比高、响应速度快、灵敏度高、信噪比高、能量分辨率好等优点。

技术领域

本发明属于半导体晶体材料与核辐射探测器件领域，具体涉及一种高阻氧化镓晶体及其制备方法与应用。

背景技术

氧化镓(β-Ga₂O₃)晶体是一种新型超宽禁带半导体材料，具有禁带宽度大(～4.8eV)、理论击穿场强高(8MV/cm)、抗辐射能力强等优点，近年来受到广泛关注。非故意掺杂氧化镓晶体由于原料中残留的Si、Sn、Ge等杂质在晶体中形成浅施主，导致晶体具有一定浓度的自由电子，从而具有较低的电阻率。使用非故意掺杂氧化镓晶体制备的X射线辐射探测器件具有较高的暗电流，降低了器件的光暗电流比、灵敏度等核心参数，严重影响了探测器件的使用(如“Schottky x-ray detectors based on a bulkβ-Ga₂O₃ substrate”,Applied Physics Letters 112,103502,2018)。

在核辐射探测领域，为了使半导体探测器件具有高光暗电流比、高灵敏度、高信噪比、高能量分辨率等优良性能，需要使用高阻半导体材料以降低器件的暗电流，提高探测极限。对于氧化镓晶体而言，掺杂镁离子、铁离子、钙离子、锌离子可以起到受主补偿作用，降低晶体中的自由电子浓度，从而获得电阻率较高或半绝缘的氧化镓晶体(专利CN109537055A)。然而这些常用的受主补偿掺杂离子与镓不属于同族元素，电子结构相差较大，掺杂异族元素后会对氧化镓晶体的晶格造成较大畸变，影响高阻氧化镓晶体的结晶质量。

专利CN 113035999A公开了一种掺Al氧化镓X射线探测器及其制备方法，该专利通过在空气或氧气气氛1250-1600℃高温退火的方式来降低掺Al氧化镓单晶中的载流子浓度，并未通过调节Al离子掺杂浓度来获得高阻氧化镓晶体；该专利使用叉指电极制备的X射线探测器由于电场深度远远小于X射线的穿透深度，大部分光生电子空穴对无法被电极收集，造成载流子收集效率低，探测器的光电流不高，而且晶体的表面缺陷会产生大量的漏电流，导致探测器的暗电流提高，不利于器件应用于低剂量率探测。

发明内容

本发明的目的就是为了克服目前通过掺杂异族元素获得高阻氧化镓晶体容易造成较大的晶格畸变、晶体结晶质量较低，导致电子迁移率降低的不足的问题，提供一种高阻氧化镓晶体及其制备方法和应用。

本发明提供的掺铝高阻氧化镓晶体的电阻率≥10⁹Ω·cm，晶体结晶质量高，基于该高阻氧化镓晶体制备的辐射探测器具有制作工艺简单、暗电流小、光暗电流比高、响应速度快、灵敏度高、信噪比高、能量分辨率好等优点。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种高阻氧化镓晶体，所述高阻氧化镓晶体的分子式为β-(Ga_1-xAl_x)₂O₃，其中x的取值范围为0.07≤x≤0.3，x的取值范围对于获取具有优异性能的高阻氧化镓晶体具有重要影响，x值低于0.07时氧化镓晶体具有较高的载流子浓度，晶体的电阻率较低；x值高于0.3时，氧化镓晶体质量严重变差。