一种PVD生长非掺杂ε-Ga2O3薄膜及其制备方法

本发明涉及半导体材料，尤其涉及一种pvd生长非掺杂ε-ga2o3薄膜及其制备方法。

背景技术：

1、大部分氧化镓材料的报道主要是针对于β-ga2o3的生长，而对ε相生长研究并不多，到2023年9月份，从web of science的检索上看，对于β相氧化镓所发表的文章有4802篇，而ε-ga2o3的文章仅仅只有270篇。从对氧化镓的制备手段上，β相氧化镓不论是块状、颗粒、薄膜、纳米线等一维材料上均容易制备，对于纯ε相氧化镓材料却是难以制备。综合国内外的制备方法，目前的主流制备方法大多属于化学气相沉积(cvd)，虽然化学气相沉积不通过掺杂就可以外延得到ε-ga2o3薄膜，但其仍存在一些不可避免的缺陷，如掺杂控制精度不如pvd、膜组织结构灵活性不如pvd并且有机前驱体有毒性等。

2、相较于化学气相沉积，利用物理气相沉积制备纯ε-ga2o3更具有探究价值。并且两种不同沉积工艺的热力学和动力学原理不同，在获得薄膜的方式和薄膜的性质上也会存在差异。在pvd外延生长ε-ga2o3薄膜领域中，分子束外延(mbe)和pld技术是实现生长的两种可行手段。到目前为止，in/sn掺杂已成为通过物理气相沉积制备ε-ga2o3的必要条件。

3、值得一提的是，由于前驱体的存在使cvd方法制备的薄膜本底杂质浓度较高，与化学气相沉积技术相比，物理气相沉积工艺更有希望获得杂质更少的ε相。但截止到目前尚未有文献或专利表明物理气相沉积可以不经过掺杂实现纯ε相的生长。

技术实现思路

1、针对以上技术问题，本发明公开了一种pvd生长非掺杂ε-ga2o3薄膜及其制备方法，实现不经过掺杂纯ε相的ga2o3薄膜的生长。

2、对此，本发明采用的技术方案为：

3、一种pvd生长非掺杂ε-ga2o3薄膜的制备方法，包括如下步骤：

4、步骤s1，准备衬底和靶材，放入物理气相沉积设备的主沉积室；

5、步骤s2，加热衬底至650℃以上，通入氧气作为生长气氛气体，采用锡元素0.7％-3％原子比含量的氧化镓靶材，在衬底上沉积第一层薄膜；

6、步骤s3，在第一层薄膜的表面沉积氧化铝层作为扩散阻挡层；

7、步骤s4，在pvd设备内，采用纯氧化镓靶材，加热衬底至650℃以上，通入氧气作为生长气氛气体，在氧化铝层的表面进行薄膜沉积；降至室温，得到非掺杂ε-ga2o3薄膜。

8、采用此技术方案生长出非掺杂的纯ε-ga2o3薄膜，采用此薄膜制成的光电探测器光暗电流比(pdcr)较锡掺杂的ε相氧化镓薄膜有明显提升。

9、作为本发明的进一步改进，步骤s3利用原子层沉积(ald)构建氧化铝扩散阻挡层，防止锡元素扩散对第二层非掺杂纯ε相氧化镓薄膜生长的影响。

10、作为本发明的进一步改进，步骤s3中，输出的脉冲频率为5hz，总的脉冲激光数为2000-6000次。

11、作为本发明的进一步改进，步骤s2中，所述掺杂锡元素的氧化镓靶材锡原子比含量为0.8～2.5％。进一步地，所述掺杂锡元素的氧化镓靶材锡原子比含量为0.9～1.5％。

12、作为本发明的进一步改进，步骤s2中，氧气分压为2mtorr～3mtorr，激光初始能量为450mj。

13、作为本发明的进一步改进，步骤s2中，输出的脉冲频率为5hz，总的脉冲激光数为4000次。

14、作为本发明的进一步改进，步骤s3中所述氧化铝层的厚度为2-4nm。所述氧化铝层的厚度为3nm。

15、作为本发明的进一步改进，步骤s4中，降温速率为5-15℃/min。降温速率为10℃/min。

16、作为本发明的进一步改进，所述衬底为(0001)晶面蓝宝石衬底。

17、作为本发明的进一步改进，步骤s1包括：对所述衬底进行双面抛光，并放入丙酮中进行超声清洗，取出后依次采用无水乙醇、去离子水进行清洗，干燥后用纯氮气吹干。

18、本发明还公开了一种pvd生长非掺杂ε-ga2o3薄膜，采用如上任意一项所述的pvd生长非掺杂ε-ga2o3薄膜的制备方法制备得到。

19、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

20、本发明的技术方案利用脉冲激光沉积系统制备的非掺杂ε-ga2o3光电探测器比掺锡ε-ga2o3器件具有高得多的pdcr值。进一步地，本发明技术方案得到的非掺杂ε-ga2o33器件可以具有0.626μa的光电流，0.278pa的暗电流，pdcr为22517。而同样条件下，外延掺杂1％(原子比)锡的ε-ga2o3器件的pdcr仅有733。

21、采用本发明技术方案获得薄膜可制备成日盲紫外探测器，进而能应用于导弹预警跟踪、紫外通讯、港口破雾导航等军用及臭氧空洞监测、消毒杀菌紫外线强度监测、高压电晕检测、森林防火紫外监测等民用领域。

技术特征：

1.一种pvd生长非掺杂ε-ga2o3薄膜的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的pvd生长非掺杂ε-ga2o3薄膜的制备方法，其特征在于：步骤s4中，输出的脉冲频率为5hz，总的脉冲激光数为2000-6000次。

3.根据权利要求1所述的pvd生长非掺杂ε-ga2o3薄膜的制备方法，其特征在于：步骤s2中，所述掺杂锡元素的氧化镓靶材锡原子比含量为0.9～1.5％。

4.根据权利要求1所述的pvd生长非掺杂ε-ga2o3薄膜的制备方法，其特征在于：步骤s2中，氧气分压为2mtorr～3mtorr，激光初始能量为450mj。

5.根据权利要求1所述的pvd生长非掺杂ε-ga2o3薄膜的制备方法，其特征在于：步骤s2中，输出的脉冲频率为5hz，总的脉冲激光数为4000次。

6.根据权利要求1所述的pvd生长非掺杂ε-ga2o3薄膜的制备方法，其特征在于：步骤s3中所述氧化铝层的厚度为2-4nm。

7.根据权利要求1所述的pvd生长非掺杂ε-ga2o3薄膜的制备方法，其特征在于：步骤s4中，降温速率为5-15℃/min。

8.根据权利要求1～7任意一项所述的pvd生长非掺杂ε-ga2o3薄膜的制备方法，其特征在于：所述衬底为(0001)晶面蓝宝石衬底；步骤s1包括：对所述衬底进行双面抛光，并放入丙酮中进行超声清洗，取出后依次采用无水乙醇、去离子水进行清洗，干燥后用纯氮气吹干。

9.一种pvd生长非掺杂ε-ga2o3薄膜，其特征在于：采用如权利要求1～8任意一项所述的pvd生长非掺杂ε-ga2o3薄膜的制备方法制备得到。

技术总结
本发明提供了一种PVD生长非掺杂ε‑Ga<subgt;2</subgt;O<subgt;3</subgt;薄膜及其制备方法，该制备方法包括如下步骤：步骤S1，准备衬底和靶材，放入物理气相沉积设备的主沉积室；步骤S2，加热衬底至650℃以上，通入氧气作为生长气氛气体，采用锡元素0.5‑2.5％原子比含量的氧化镓靶材，在衬底上沉积第一层薄膜；步骤S3，在第一层薄膜的表面沉积氧化铝层作为扩散阻挡层；步骤S4，采用纯氧化镓靶材，在氧化铝层的表面进行薄膜沉积；降至室温，得到非掺杂ε‑Ga<subgt;2</subgt;O<subgt;3</subgt;薄膜。本发明的技术方案利用脉冲激光沉积系统制备的非掺杂ε‑Ga<subgt;2</subgt;O<subgt;3</subgt;光电探测器比掺锡ε‑Ga<subgt;2</subgt;O<subgt;3</subgt;器件具有高得多的PDCR值。

技术研发人员：刘向力,董骁恒
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学（深圳）（哈尔滨工业大学深圳科技创新研究院）
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23