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CN106816366A - 一种锡掺杂n型氧化镓制备方法 - Google Patents

一种锡掺杂n型氧化镓制备方法 Download PDF

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CN106816366A CN201710079419.4A CN201710079419A CN106816366A CN 106816366 A CN106816366 A CN 106816366A CN 201710079419 A CN201710079419 A CN 201710079419A CN 106816366 A CN106816366 A CN 106816366A
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夏晓川
张贺秋
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Abstract

本发明属于半导体材料制备技术领域，具体提供了一种锡掺杂n型氧化镓制备方法。将适量的锡掺杂源以适当的方法预沉积在氧化镓材料上，然后将氧化镓材料以适当的形式放置在耐高温管内，而后在一定的温度下热处理一定时间，使得锡原子能可控的扩散到氧化镓材料中，并激活为有效施主，进而实现氧化镓材料的n型掺杂。本发明能够在氧化镓材料制备完成后实现掺杂，并且其所需设备和工艺过程简单，掺杂可控性高；利用本发明所提锡掺杂技术，不仅能够进行基于n型氧化镓材料的纵向器件结构制备，特别是还可以进行横向器件结构制备和多种类器件集成制造，进而研制出传统掺杂技术无法制备出的氧化镓基新型器件。

Description

一种锡掺杂n型氧化镓制备方法
技术领域
本发明属于半导体材料制备技术领域，具体提供了一种锡掺杂n型氧化镓制备方法。
背景技术
以氧化镓为代表的第三代宽禁带半导体材料因其禁带宽度大、击穿场强高、电子饱和漂移速度高、耐腐蚀和抗辐照等突出优点，在制作高效率紫外探测器、气体传感器、友好型生物传感器，以及高频、高功率、抗辐射等电子器件方面具有重要应用，具有电子或者空穴导电特性的氧化镓材料是制备上述各类器件的基础，也是当今氧化镓材料制备领域的研究热点。目前，非掺杂的氧化镓材料大多表现出高电阻率特性，但可通过掺入适量掺杂剂使得其表现出电子或者空穴导电特性，与此同时其电阻率得以显著降低。目前氧化镓材料导电类型的控制均是在生长过程中进行相关掺杂而实现，例如氧化镓单晶的掺杂就是在前驱体中加入适当的锡或者硅元素获得电子导电特性；氧化镓薄膜的掺杂是在反应源增加锡或者硅元素获得电子导电特性。利用上述方法仅可在纵向，即沿生长方向设计相应的器件，而无法进行器件横向结构设计，特别是在多类型器件集成方面显得无能为力，这不利于新型器件的研发与应用。特别是锡与硅材料在1000度以下时的蒸汽压较低，难以通过气相扩散的方式进入到氧化镓体内形成n型导电。
发明内容
本发明的目的在于，针对上述缺乏行之有效的氧化镓材料后掺杂技术问题，提出一种锡扩散掺杂方法，该方法是将适量的锡掺杂源以适当的方法预沉积在氧化镓材料上，然后将氧化镓材料以适当的形式放置在耐高温管内，而后在一定的温度下热处理一定时间，使得锡原子能可控的扩散到氧化镓材料中，并激活为有效施主，进而实现氧化镓材料的n型掺杂。
本发明的技术方案：
一种锡掺杂n型氧化镓制备方法，步骤如下：
步骤1.在氧化镓材料上预沉积锡掺杂源或将锡掺杂源直接覆盖在氧化镓材料上，锡掺杂源的厚度为1nm～1mm；
步骤2.安放氧化镓材料，选择如下方法中的一种：
方法一，在常压条件下，将步骤1处理后的氧化镓材料置于石英舟或者石英管内；
方法二，将步骤1处理后的氧化镓材料封闭在石英管内，石英管内的真空度小于1×10-3Pa；
方法三，将步骤1处理后的氧化镓材料和锡掺杂源共同封闭在石英管内，石英管内的真空度小于1×10-3Pa；
步骤3.对步骤2放置好的氧化镓材料进行热处理，热处理温度为100℃～1500℃；热处理时间为1h～24h；
当选择方法一放置氧化镓材料时，在高纯氮气或氩气气体保护下进行热处理；
步骤4.温度降到室温后，取出锡掺杂n型氧化镓；
步骤5.锡掺杂n型氧化镓的后续处理：用清洗液对锡掺杂n型氧化镓表面的残留物进行一次清洁，再用去离子水对产生的残留物进行二次清洁；将氧化镓材料吹干，妥善保存。
所述的氧化镓材料是单晶、多晶和制备在衬底上的外延薄膜；所述的锡掺杂源是锡单质或锡的氧化物。
所述的优选热处理温度为700℃～1200℃；优选热处理时间为2h～12h。
所述的锡掺杂源层的优选厚度为10nm～10μm。
所述的清洗液是盐酸、氢氟酸、硫酸、硝酸、双氧水、氢氧化钠、氢氧化钾中的一种或两种以上混合。
热处理过程中所用的加热器设备包括有单温区或多温区控制的箱式炉、管式炉和RTP快速退火炉。
所述的沉积方法是溶胶凝胶法、热蒸发法、电子束蒸发法、磁控溅射法、激光脉冲沉积、原子层外延或分子束外延法。
本发明的有益效果：本发明突出的优势是能够在氧化镓材料制备完成后实现掺杂，并且其所需设备和工艺过程简单，掺杂可控性高；利用本发明所提锡掺杂技术，不仅能够进行基于n型氧化镓材料的纵向器件结构制备，特别是还可以进行横向器件结构制备和多种类器件集成制造，进而研制出传统掺杂技术无法制备出的氧化镓基新型器件。
附图说明
图1是具有锡单质预沉积层的氧化镓单晶的结构示意图。
图2是锡掺杂氧化镓单晶的X射线光电能谱图。
图3是具有锡单质预沉积层的氧化镓薄膜的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。
实施例1
本实施例提供了一种对氧化镓单晶进行锡掺杂的方法，包括以下工艺步骤：
步骤1：所选氧化镓材料具有半绝缘特性，厚度为600μm、表面5mm见方；所选掺杂源为高纯金属锡；
步骤2：采用热蒸发方法，在上述氧化镓单晶上预沉积一层100nm厚的锡层，如图1所示；
步骤3：将步骤2处理后的氧化镓单晶和5g金属锡，共同封闭在石英管内，石英管内为高真空，真空度为3×10-4Pa；
步骤4：将步骤3所放置好的封闭石英管，放入单温区管式炉中进行热处理；处理温度为1000℃，处理时间为6h；
步骤5：温度降到室温后，取出氧化镓材料；
步骤6：利用稀盐酸对氧化镓材料表面的残留物进行一次清洁；
步骤7：利用去离子水对步骤6中的产生的残留物进行二次清洁；
步骤8：将氧化镓材料吹干，妥善保存。
经检测本实施例中进行锡掺杂的氧化镓表面已经表现出导电特性，其表面电阻率为3400Ω/sq，表面电子浓度为3.5×1015/cm2。图2所示为在氧化镓单晶表面的X射线光电能谱图，次结果表明，利用本发明所述技术，我们成功制备出具有锡掺杂n型氧化镓。
实施例2
本实施例提供了一种对氧化镓薄膜进行锡掺杂的方法，包括以下工艺步骤：
步骤1：所选氧化镓材料为，采用MOCVD方法在蓝宝石衬底上制备的厚度为2μm、表面10mm见方的氧化镓薄膜；所选掺杂源为高纯金属锡；
步骤2：采用热蒸发方法，在上述氧化镓薄膜上预沉积一层10nm厚的锡层，如图3所示；
步骤3：将步骤2处理后的氧化镓材料和5g金属锡，共同封闭在石英管内，石英管内为高真空，真空度为3×10-4Pa；
步骤4：将步骤3所放置好的封闭石英管，放入单温区管式炉中进行热处理；处理温度为1000℃，处理时间为6小时；
步骤5：温度降到室温后，取出氧化镓材料；
步骤6：利用稀盐酸对氧化镓材料表面的残留物进行一次清洁；
步骤7：利用去离子水对步骤6中的产生的残留物进行二次清洁；
步骤8：将氧化镓材料吹干，妥善保存。
经检测本实施例中进行锡掺杂的氧化镓已经表现出导电特性，其表面电阻率为4500Ω/sq，表面电子浓度为2.5×1015/cm2。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (8)

1.一种锡掺杂n型氧化镓制备方法，其特征在于，步骤如下：
步骤1.在氧化镓材料上预沉积锡掺杂源或将锡掺杂源直接覆盖在氧化镓材料上，锡掺杂源的厚度为1nm～1mm；
步骤2.安放氧化镓材料，选择如下方法中的一种：
方法一，在常压条件下，将步骤1处理后的氧化镓材料置于石英舟或石英管内；
方法二，将步骤1处理后的氧化镓材料封闭在石英管内，石英管内的真空度小于1×10- 3Pa；
方法三，将步骤1处理后的氧化镓材料和锡掺杂源共同封闭在石英管内，石英管内的真空度小于1×10-3Pa；
步骤3.对步骤2放置好的氧化镓材料进行热处理，热处理温度为100℃～1500℃；热处理时间为1h～24h；
当选择方法一放置氧化镓材料时，在高纯氮气或氩气气体保护下进行热处理；
步骤4.温度降到室温后，取出锡掺杂n型氧化镓；
步骤5.锡掺杂n型氧化镓的后续处理：用清洗液对锡掺杂n型氧化镓表面的残留物进行一次清洁，再用去离子水对残留物进行二次清洁；将氧化镓材料吹干，妥善保存。
2.根据权利要求1所述的锡掺杂n型氧化镓制备方法，其特征在于，所述的氧化镓材料是单晶、多晶和制备在衬底上的外延薄膜；所述的锡掺杂源是锡单质或锡的氧化物。
3.根据权利要求1或2所述的锡掺杂n型氧化镓制备方法，其特征在于，热处理温度为700℃～1200℃；热处理时间为2h～12h。
4.根据权利要求1或2所述的锡掺杂n型氧化镓制备方法，其特征在于，锡掺杂源的厚度为10nm～10μm。
5.根据权利要求3所述的锡掺杂n型氧化镓制备方法，其特征在于，锡掺杂源的厚度为10nm～10μm。
6.根据权利要求1、2或5所述的锡掺杂n型氧化镓制备方法，其特征在于，所述的清洗液是盐酸、氢氟酸、硫酸、硝酸、双氧水、氢氧化钠、氢氧化钾中的一种或两种以上混合。
7.根据权利要求3所述的锡掺杂n型氧化镓制备方法，其特征在于，所述的清洗液是盐酸、氢氟酸、硫酸、硝酸、双氧水、氢氧化钠、氢氧化钾中的一种或两种以上混合。
8.根据权利要求4所述的锡掺杂n型氧化镓制备方法，其特征在于，所述的清洗液是盐酸、氢氟酸、硫酸、硝酸、双氧水、氢氧化钠、氢氧化钾中的一种或两种以上混合。
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