导模法掺杂β-Ga2O3单晶生长及性能研究
作者单位：山东大学
学位级别：硕士
导师姓名：贾志泰;穆文祥
授予年度：2023年
学科分类：07[理学] 070205[理学-凝聚态物理] 0703[理学-化学] 070301[理学-无机化学] 0702[理学-物理学]
摘 要：半导体材料作为大规模集成电路、太阳能电池、激光器、光电子器件等高科技领域的基础材料,是现代工业智能化、科学化的必备基石。半导体材料具有特殊的电学性质和广泛的应用领域,其在现代科技及工业中具有重要的地位及应用价值,半导体材料的发展对国家和社会至关重要。目前拥有更宽禁带的第三代半导体材料逐渐成为晶体研究的热点,β-GaO、GaN、SiC等材料进入快速发展时期。β-GaO作为一种超宽带隙半导体材料,其带隙可达4.9 eV,临界击穿场强可达8 MV/cm。得益于高击穿场强和优秀的电子传导特性,其BFOM值可达GaN的4倍,SiC的6倍[1,2]。β-GaO优异的特性使得其在高电压、高功率、低损耗器件[3,4]及深紫外光电子器件[5,6]等领域具有较大的应用前景。β-GaO体块单晶的生长及电学掺杂相比AIN和金刚石等其他超宽带隙半导体具有更大的优势。氧化镓目前正处于快速发展时期,单晶尺寸不断扩大,晶体质量快速提高,加工技术、外延工艺及效果、器件结构及性能快速发展中,β-GaO具有较好的发展前景及科研价值。β-GaO在国内研究时间较短,且美国等发达国家已经对国内实行全面禁运,建立了技术壁垒,目前国内β-GaO的生长条件及生长工艺等方面仍处于探索优化阶段,仍需开展全面且深入的各方面研究。β-GaO的高质量单晶及衬底作为产业链的最前端,直接影响器件和外延的效果,同样也是开展氧化镓更深入研究的基础。本论文以高质量β-GaO的产出为目标,进行了生长条件及工艺优化、掺杂均匀性调控、性能表征、过渡族金属离子掺杂探索等一系列研究。以下为论文的主要研究内容及结果:一、Sn掺杂β-GaO单晶生长及电学均匀性调控改进生长工艺,使用导模法进行了 Sn掺杂β-GaO单晶的生长。使用偏光镜发现了掺杂剂截面不均匀分布的现象,通过电容-电压(C-V)测试量化了掺杂不均匀程度。通过对杂质分凝理论及固液界面的研究,提出较为合理的杂质分布理论模型。在模型指导下,获得了更优固液界面,生长了高均匀的Sn掺杂β-GaO单晶,偏光镜及C-V测试的结果均证明了调控的有效性。二、重Sn掺杂β-GaO晶体生长及生长条件优化通过掺入Sn,提高了β-GaO的电子浓度,满足了垂直结构器件中对导电单晶衬底的需求,拓宽了氧化镓的应用方向。高导电性有利于降低导通电阻,提高欧姆接触的效果,从而提高器件的性能,因此本团队提高了Sn掺杂浓度。对于β-GaO,在重掺杂Sn后出现了近红外波段光吸收加剧的问题,导致界面反转的出现,阻碍了正常的晶体生长,因此对现有生长条件及工艺进行了优化,获得了具有高电子浓度的重Sn掺杂β-GaO单晶,HRXRD结果证明其具有较高的晶体质量,并通过拉曼、XPS等手段了解了重Sn掺杂给β-GaO单晶带来的影响。三、过渡族金属离子Ni掺杂β-GaO晶体生长及宽带近红外发光特性通过掺杂过渡族金属离子Ni,使β-GaO晶体具有了宽带近红外发光特性,扩宽了其在宽带近红外发光领域的应用方向。位于氧化物及卤化物的八面体晶格时,Ni离子表现出多激发态参与跃迁过程,且伴随上转换发光过程。目前已有大量材料进行Ni离子掺杂后出现了明显的发光带,如Ni:SLN、Ni:MgGa2O4、Nj:ZnSiO等[7-9]。目前关于β-GaO的Ni离子掺杂研究工作较少,因此本研究团队结合Ni离子和β-GaO的特性,选择了合适的掺杂浓度,设计了合理的温场结构及模具坩埚比例,获得了高均匀的Ni掺杂β-GaO单晶。并通过粉末XRD和劳厄验证了其晶体结构及晶体质量,通过UV-Vis透过光谱、红外透过光谱及阴极荧光光谱研究了其光学特性,并发现其具有宽带近红外发光特性。
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