Sb掺质β-Ga2O3晶体材料、其制备方法和用途与流程

本发明涉及氧化镓材料，具体涉及sb掺质β-ga2o3晶体材料、其制备方法和用途。

背景技术：

1、β-ga2o3是一种性能优势突出的第三代半导体材料。β-ga2o3的禁带宽度高达4.8ev，是si的4倍、sic(3.3ev)和gan(3.4ev)的1.5倍；理论击穿场强高达8mv/cm，是si的20倍以上、sic和gan的2倍以上。在相同的击穿电压下，β-ga2o3器件的导通电阻比sic和gan器件低一个量级。作为综合判定半导体材料在功率器件方面的baliga优值，β-ga2o3是sic的10倍、gan的4倍，这意味着β-ga2o3的功率器件将具有更高的功率转换效率和更小的导通损耗。在其他指标上，β-ga2o3都能达到较高的水平。基于β-ga2o3器件高效率、低损耗的优点，β-ga2o3的功率器件有望应用在高压输电、高速铁路、电动汽车等领域。

2、早在1966年，lorenz等就发现了β-ga2o3晶体的半导体特性，他们采用火焰法生长了氧化镓晶体，发现还原性气氛中生长的晶体具有n-型半导体特性，电子浓度可以达到1018cm-3数量级，最高值为2.3x1018cm-3。由于晶体的导电性能取决于生长气氛(h2-o2焰和ar气-o2混合气体)，所以lorenz等认为载流子是由阴离子空位提供的。后来，1997年，ueda等报道了通过调控生长气氛(n2+o2)可以控制浮区法生长的氧化镓晶体的导电性能，通过控制o2流量可以实现晶体的电导率在<10-9到38ω-1范围的调制。虽然同时也发现sn4+掺质β-ga2o3甚至在氧化气氛下生长也具有较高的导电性能，但未对sn4+掺质对β-ga2o3晶体导电性能作系统研究。

3、最早提出通过离子掺质调控β-ga2o3晶体导电性的是日本早稻田大学的一ノ濑昇等，他们提出可以通过si4+掺质实现β-ga2o3晶体n-型导电性的控制。目前已知的调控β-ga2o3晶体的n型导电性能的主要方法是进行4价离子(iv族元素)的掺杂，主要包括第四主族和第四副族的si、hf、ge、sn、zr、ti等离子的掺杂。以si为例，其提高载流子浓度的主要机理反应如下：

4、

5、从上式可以看出，iv族元素掺杂提供自由电子的理论极限能力约为1:1，随着掺杂浓度提高，晶体结晶困难增加，电导率提高程度有限。

6、iv族元素中si和sn是常用的两个掺杂元素。美国专利文献us20070166967a1和日本专利文献jp2015083536a公开了采用si掺杂β-ga2o3单晶。虽然上述两文献公开的si掺杂β-ga2o3单晶电阻率在2.0×10-3到8.0×102ω·cm范围内，电阻率可低至2.0×10-3ω·cm，但是上述最低电阻率仅仅是理论上的，实践过程中很难达到。由于si4+与ga3+半径差别很大，所以随着si的掺杂浓度提高，将会有第二相析出，导致晶体质量下降，如us20070166967a1和jp2015083536a最终也只制备出了si掺杂浓度在0.2mol％左右(参见applied physics letters,2008,92,202120)的掺杂β-ga2o3单晶，该掺杂晶体的电阻率在2.0×10-2ω·cm左右(参见图2)。

7、因此，如何以一种简单的方式制备高电导率的掺杂β-ga2o3成了本领域的重要研究课题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种具有高载流子激活效率的掺质β-ga2o3单晶材料。在掺质离子进入晶格浓度相同的前提下，相比掺质其他元素，本发明的sb掺质β-ga2o3晶体材料可以获得更高的载流子浓度，亦即为了获得相同的载流子浓度，进入晶格所需要的掺质元素浓度更低，由掺质元素引入的晶体缺陷更少。本发明的sb掺质β-ga2o3晶体材料作为n型半导体材料具有更优异的综合性能，表现出巨大的应用潜力。

2、具体而言，本发明的一个方面提供一种sb掺质β-ga2o3晶体材料，所述sb掺质β-ga2o3晶体材料含有sb5+，所述sb掺质β-ga2o3晶体材料的分子式为(sbxga1-x)2o3，其中2×10-9≤x≤0.01。

3、在一个或多个实施方案中，所述sb掺质β-ga2o3晶体材料中sb5+的格位浓度≥3.5×1018cm-3。

4、在一个或多个实施方案中，所述sb掺质β-ga2o3晶体材料的载流子浓度≥5×1017cm-3。

5、在一个或多个实施方案中，所述sb掺质β-ga2o3晶体材料中sb5+的格位浓度为3.5×1018cm-3到1×1019cm-3。

6、在一个或多个实施方案中，所述sb掺质β-ga2o3晶体材料的载流子浓度为5×1017cm-3到1×1019cm-3。

7、在一个或多个实施方案中，所述sb掺质β-ga2o3晶体材料中sb5+的格位浓度为3.8×1018cm-3到9×1018cm-3，且所述sb掺质β-ga2o3晶体材料的载流子浓度为5.4×1017cm-3到8.1×1018cm-3。

8、在一个或多个实施方案中，所述sb掺质β-ga2o3晶体材料的电阻率为0.01-0.1ω·cm，优选0.015-0.07ω·cm。

9、在一个或多个实施方案中，所述sb掺质β-ga2o3晶体材料的迁移率为100-150cm2·v-1·s-1，优选105-135cm2·v-1·s-1。

10、在一个或多个实施方案中，所述sb掺质β-ga2o3晶体材料为单晶材料。

11、在一个或多个实施方案中，所述sb掺质β-ga2o3晶体材料的分子式(sbxga1-x)2o3中，2×10-9≤x≤0.005，例如2×10-9≤x≤0.0005。

12、在一个或多个实施方案中，所述sb掺质β-ga2o3晶体材料呈β相，属于单斜晶系、c2/m空间群。

13、本发明的另一个方面提供制备本文任一实施方案所述的sb掺质β-ga2o3晶体材料的方法，所述方法包括以下步骤：

14、(1)提供sb2o5和ga2o3的混合粉料；

15、(2)将混合粉料压制、烧结成料棒；

16、(3)提供籽晶，采用熔体法使料棒在籽晶的存在下生长出所述sb掺质β-ga2o3晶体材料。

17、在一个或多个实施方案中，步骤(1)中，sb2o5的物质的量占sb2o5和ga2o3的总物质的量的0.05％-5％、优选0.1％-2％。

18、在一个或多个实施方案中，步骤(3)中采用光学浮区生长所述sb掺质β-ga2o3晶体材料。

19、在一个或多个实施方案中，步骤(3)中，采用光学浮区法生长所述sb掺质β-ga2o3晶体包括缩颈：待料棒和籽晶熔区对接稳定并且能够观察到新结晶的晶体出现一组对面平整的晶面(100)以后，使籽晶以5-7mm/h的速度下降，并保持料棒不降，待熔区的直径缩小到3-4mm时，再使料棒开始下降、给熔区供料。

20、在一个或多个实施方案中，步骤(2)中，所述烧结为在1400-1600℃下烧结15-25h。

21、在一个或多个实施方案中，步骤(2)中，所述料棒的直径为7-8mm，长度为60-100mm。

22、在一个或多个实施方案中，步骤(3)中，采用光学浮区法生长所述sb掺质β-ga2o3晶体材料包括对中、升温、缩颈、放肩、生长和拉脱降温步骤。

23、本发明还提供一种sb掺质β-ga2o3晶体膜材料，所述sb掺质β-ga2o3晶体膜材料为包含本文任一实施方案所述的sb掺质β-ga2o3晶体材料的膜材料。

24、在一个或多个实施方案中，所述sb掺质β-ga2o3晶体膜材料通过外延生长法、例如mocvd(金属有机化学气相沉积)、mbe(分子束外延)或hvpe(氢化物气相外延)制得；优选地，所述外延生长法中所用的衬底为β-ga2o3氧化镓衬底。同质外延比异质外延质量更好。

25、本发明还提供本文任一实施方案所述的sb掺质β-ga2o3晶体材料和/或sb掺质β-ga2o3晶体膜材料在制备功率器件或日盲紫外器件中的用途。

26、本发明还提供制备功率器件或日盲紫外器件的方法，所述方法包括在所述功率器件或日盲紫外器件中使用本文任一实施方案所述的sb掺质β-ga2o3晶体材料和/或sb掺质β-ga2o3晶体膜材料。

27、本发明还提供一种功率器件或日盲紫外器件，所述功率器件或日盲紫外器件包含本文任一实施方案所述的sb掺质β-ga2o3晶体材料和/或sb掺质β-ga2o3晶体膜材料。