[發明專利]一種半絕緣氧化鎵晶體及其制備方法

在審

• 申請號: 201910083296.0
• 申請日: 2019-01-28
• 公開（公告）號: CN109537055A
• 公開（公告）日: 2019-03-29
• 發明（設計）人: 陶緒堂;穆文祥;賈志泰
• 申請（專利權）人: 山東大學
• 主分類號: C30B29/22
• 分類號: C30B29/22;C30B15/34
• 代理公司: 濟南金迪知識產權代理有限公司 37219
• 代理人: 楊磊

本發明提供一種半絕緣氧化鎵晶體及其制備方法。該晶體分子式為β?(Ga_1?xA_x)₂O₃，A代表Ca、Zn、Ti、或Ni元素，0.0001≤x≤0.2。晶體生長方法可以為光浮區法、提拉法、導模法等常用晶體生長方法。與現有技術相比，本發明獲得氧化鎵晶體具有高的電阻率，可用作半絕緣襯底，用于場效應晶體管、高遷移率晶體管等器件。

技術領域

本發明涉及一種半絕緣氧化鎵晶體及其制備方法，特別涉及Ca、Zn、Ti、Co、Ni元素摻雜氧化鎵體塊晶體及其制備方法，屬于半導體材料與制備領域。

背景技術

氧化鎵(β-Ga₂O₃)以其優異的物理性能及低成本優勢，受到科學界及產業界的廣泛關注。目前β-Ga₂O₃場效應晶體管、肖特基二極管器件性能得到大幅提升，在擊穿場強方面已經超過SiC、GaN的理論極限。β-Ga₂O₃在高耐壓、低損耗領域展現出巨大競爭優勢，成為一種發展迅速的超寬禁帶半導體材料。

在場效應晶體管制備中，需要高阻乃至半絕緣晶片作為襯底材料，以降低器件暗電流，提高器件開關比。因此，在高性能場效應晶體管、高遷移率晶體管以及異質外延器件中具有重要的應用價值。氧化鎵原料含有Si、Zr、Sn等伴生雜質，生長獲得的氧化鎵晶體通常具有較高的載流子濃度，難以直接用作半絕緣襯底。高純原料可以用于生長高阻氧化鎵晶體，但是原料成本較高，操作過程對潔凈程度要求高，因此晶體成本較高。上述因素導致半絕緣氧化鎵晶體生長難度大、成本高。

元素摻雜是調控半導體電阻率的常用方法。例如GaAs中摻入Cr、SiC中摻入V均可實現高阻晶體的制備。但是，不同半導體材料摻雜元素種類及摻雜工藝有很大不同，摻雜后對晶體的載流子濃度影響也不同。不同摻雜元素在同種晶體中也會存在間隙、替位等不同摻雜形式。因此，需要根據元素例子半徑、摻雜離子價態及雜質能級深度對摻雜劑及摻雜工藝進行探索。目前已經有Mg、Fe摻雜高阻晶體的報道，但是Mg²⁺相對Ga³⁺半徑較小，容易造成較大晶格畸變，降低晶體質量。Fe³⁺摻入后，晶體會呈現黑色，晶體在可見波段吸收大，晶體質量較低。不同摻雜元素對晶體電學性質影響不同，此外不同濃度也會對晶體載流子濃度及單晶質量造成不同影響，單純類比其他晶體或摻雜元素不能實現氧化鎵晶體電學性質及晶體質量的有效調控。

因此，尋找合適的摻雜元素和摻雜濃度，設計、生長低成本高阻氧化鎵單晶具有重要的應用價值。

發明內容

針對現有技術存在的問題，尤其是現有技術中摻雜元素不合適導致的降低晶體載流子濃度的效果不佳及摻雜導致晶體質量惡化的問題，本發明篩選了效果良好的摻雜元素和摻雜濃度，提供一種半絕緣氧化鎵晶體及其制備方法，該晶體可以作為高質量高阻襯底用于半導體器件制作。

本發明的技術方案如下：

一種半絕緣氧化鎵晶體，該晶體分子式為β-(Ga_1-xA_x)₂O₃，A代表Ca、Zn、Ti、或Ni元素，0.0001≤x≤0.2。

根據本發明，優選的，A代表Ti元素，0.005≤x≤0.15。鈦元素屬于第四副族，在晶體中可以呈現3價和4價。按照一般常識，鈦在晶體中會產生自由載流子。但是通過實驗我們發現，鈦在氧化鎵中取代鎵會在禁帶中產生較深的能級，會捕獲晶體中的背景載流子，進而提高晶體電阻率。鈦元素摻入晶體后，主要呈現3價，與Ga元素價態相同。元素的摻雜可以達到較高的濃度，可以將載流子濃度降低到更低，增加晶體的電阻率到較高的水平。