本發(fā)明涉及晶體材料，具體公開了一種p型氧化鎵材料及其制備方法和應用。

背景技術：

1、氧化鎵單晶具有多種物相，其中β相是最穩(wěn)定相，其熔點約為1820℃，這就意味著β-ga2o3單晶材料可以采用熔體法進行生長，與其他的超寬禁帶半導體材料相比，β-ga2o3單晶具有尺寸大、成本低、質量高等優(yōu)勢。β-ga2o3單晶禁帶寬度為4.9ev，理論擊穿場強高達8mv/cm，巴利加優(yōu)值是sic和gan的十倍以上，因此，氧化鎵基功率器件理論上可以具有更高的擊穿電壓、更低的導通電阻，在軌道交通、高壓輸電、新能源汽車、航空航天等領域有廣闊的應用前景。

2、目前，β-ga2o3單晶材料已經(jīng)通過sn、si等元素摻雜實現(xiàn)了n型可控，但是p型摻雜一直沒有突破，這直接限制了氧化鎵基功率器件的發(fā)展，使其耐壓和導通電阻遠遠低于理論值。β-ga2o3單晶材料p型摻雜困難的原因有兩點，一是摻雜元素的激活能較高；二是氧化鎵中存在自束縛效應。由于氧離子的電負性極強，空穴在單個氧離子位置形成小極化子比形成大區(qū)域的自由空穴更穩(wěn)定，前者比后者能量低500mev以上，這就意味著獲得自由空穴所需的能量等于受主電離能加上500mev。以上兩個因素導致氧化鎵單晶材料中很難存在淺受主，無法實現(xiàn)p型導電，這對于該材料而言是致命缺陷，嚴重限制了其在高-超高壓領域的應用。

3、針對上述β-ga2o3單晶p型摻雜的問題，目前多采用多元素共摻的方式來解決，首先通過離子注入的方式在β-ga2o3單晶中摻入大量n元素，高溫退火使其取代氧元素，降低電負性，減弱自束縛效應，然后再通過離子注入的方式摻入二價金屬元素，高溫退火使其激活，從而獲得自由空穴。但是，這種通過多元素共摻的方式來實現(xiàn)β-ga2o3單晶p型導電的方法，最大的問題在于需要通過離子注入的方式摻入大量的n元素和二價金屬元素，離子注入本身就是利用高能離子束射入目標材料中，離子束與材料中的原子或分子發(fā)生碰撞，使入射離子能量逐漸被消耗掉從而停留在材料中，這必然會導致材料中會產(chǎn)生晶格畸變，甚至在表面形成非晶層，嚴重損壞材料質量，影響器件性能。此外，氧化鎵禁帶寬度大，二價金屬元素的激活能很高，導致二價金屬摻雜濃度雖然很高，但是有效空穴濃度很低。

4、基于此，研發(fā)一種p型氧化鎵材料對于β-ga2o3單晶的發(fā)展具有重要意義。

技術實現(xiàn)思路

1、針對通過多元素共摻的方式來實現(xiàn)β-ga2o3單晶的p型摻雜時，容易出現(xiàn)的材料產(chǎn)生晶格畸變，在材料表面形成非晶層，降低材料質量，影響器件性能的問題，本發(fā)明提供了一種p型氧化鎵材料及其制備方法和應用。本發(fā)明通過構建二價金屬摻雜氧化鎵納米柱狀結構，降低了有效空穴的激活能，增加了有效空穴的濃度，成功實現(xiàn)了p型氧化鎵材料的制備。

2、為達到上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供了如下的技術方案：

3、本發(fā)明第一方面提供了一種p型氧化鎵材料的制備方法，包括如下步驟：

4、步驟一、在氧化鎵基底上依次生長氧化鎵單晶外延層和掩膜層，得預處理氧化鎵材料；

5、步驟二、在所述預處理氧化鎵材料表面壓印多孔狀圖形，然后刻蝕去除所述多孔狀圖形中的氧化鎵單晶外延層和掩膜層，得表面多孔的氧化鎵材料；

6、步驟三、在所述表面多孔的氧化鎵材料的表面孔道中生長二價金屬摻雜氧化鎵納米柱，去除掩膜，得二次處理氧化鎵材料；

7、步驟四、對所述二次處理氧化鎵材料進行激活處理，得p型氧化鎵材料。

8、由于氧化鎵單晶具有雙鏈結構，兩個gao6八面體之間以gao4四面體連接，二價金屬摻雜氧化鎵納米柱結構的存在有利于空穴的空間局域化，減弱了氧化鎵中的自束縛效應，空穴可以沿著鏈狀結構傳導，提高其遷移率。同時，二價金屬摻雜氧化鎵納米柱結構可以降低氧化鎵禁帶寬度，從而降低了有效空穴的激活能，增加了有效空穴的濃度，成功實現(xiàn)了p型氧化鎵材料的制備。更重要的是，本發(fā)明不需要通過離子注入的方式實現(xiàn)p型摻雜，而是采用外延生長的方式，可以有效減少p型層晶格畸變，也有效避免了表面非晶層的產(chǎn)生，有利于器件性能的提升。利用本發(fā)明的技術方案有效解決了通過多元素共摻的方式來實現(xiàn)β-ga2o3單晶的p型摻雜時，容易出現(xiàn)的材料產(chǎn)生晶格畸變，在材料表面形成非晶層，降低材料質量，影響器件性能的問題。本發(fā)明制備p型氧化鎵材料的方法簡單，操作簡便，成本低廉，為p型氧化鎵材料的制備提供了新的思路。

9、優(yōu)選的，步驟一中，所述氧化鎵基底為氧化鎵單晶襯底或表面負載有cu外延層的氧化鎵單晶襯底。

10、優(yōu)選的，步驟一中，所述氧化鎵單晶外延層的生長方法為金屬有機化合物化學氣相沉淀法、氫化物氣相外延法或分子束外延法中的任意一種。

11、優(yōu)選的，步驟一中，所述掩膜層的生長方法為原子層沉積法或低壓化學氣相沉積法。

12、優(yōu)選的，步驟一中，所述氧化鎵單晶外延層的厚度為90nm-110nm。

13、優(yōu)選的，步驟一中，所述掩膜層的厚度為15nm-25nm。

14、優(yōu)選的，步驟二中，所述多孔狀圖形的孔面積為70nm2-2000nm2，孔密度為20個/mm2-100個/mm2。

15、優(yōu)選的，步驟二中，所述刻蝕采用質量分數(shù)80%-90%的磷酸溶液為刻蝕液。

16、優(yōu)選的，步驟三中，所述二價金屬摻雜氧化鎵納米柱的生長方法為金屬有機化合物化學氣相沉淀法、氫化物氣相外延法或分子束外延法中的任意一種。

17、優(yōu)選的，步驟三中，所述二價金屬摻雜氧化鎵納米柱中的金屬為mg、zn、cu或fe中的任意一種。

18、優(yōu)選的，步驟三中，所述二價金屬摻雜氧化鎵納米柱中金屬的摻雜濃度1×1019個/cm3-1×1021個/cm3。

19、優(yōu)選的，步驟三中，所述二價金屬摻雜氧化鎵納米柱的高度為90nm-110nm。

20、優(yōu)選的，步驟三中，去除掩膜采用質量分數(shù)2%-3%的氫氟酸溶液。

21、優(yōu)選的，步驟四中，采用高溫退火、光照或輻照的方式進行激活處理。

22、進一步優(yōu)選的，步驟四中，所述高溫退火的溫度為980℃-1020℃，高溫退火的時間為25min-40min。

23、本發(fā)明第二方面提供了一種p型氧化鎵材料，利用所述的p型氧化鎵材料的制備方法制得。

24、本發(fā)明第三方面提供了所述p型氧化鎵材料在制備超高壓領域導電材料中的應用。

25、綜上所述，本發(fā)明通過在氧化鎵外延層中構建二價金屬摻雜氧化鎵納米柱狀結構，降低了有效空穴的激活能，增加了有效空穴的濃度，成功實現(xiàn)了p型氧化鎵材料的制備。利用本發(fā)明的技術方案有效解決了通過多元素共摻的方式來實現(xiàn)β-ga2o3單晶的p型摻雜時，容易出現(xiàn)的材料產(chǎn)生晶格畸變，在材料表面形成非晶層，降低材料質量，影響器件性能的問題，為p型氧化鎵材料的制備提供了新的思路。

技術特征：

1.一種p型氧化鎵材料的制備方法，其特征在于：包括如下步驟：

2.如權利要求1所述的p型氧化鎵材料的制備方法，其特征在于：步驟一中，所述氧化鎵基底為氧化鎵單晶襯底或表面負載有cu外延層的氧化鎵單晶襯底；和/或

3.如權利要求1所述的p型氧化鎵材料的制備方法，其特征在于：步驟一中，所述氧化鎵單晶外延層的厚度為90nm-110nm；和/或

4.如權利要求1所述的p型氧化鎵材料的制備方法，其特征在于：步驟二中，所述多孔狀圖形的孔面積為70nm2-2000nm2，孔密度為20個/mm2-100個/mm2；和/或

5.如權利要求1所述的p型氧化鎵材料的制備方法，其特征在于：步驟三中，所述二價金屬摻雜氧化鎵納米柱的生長方法為金屬有機化合物化學氣相沉淀法、氫化物氣相外延法或分子束外延法中的任意一種；和/或

6.如權利要求1或5所述的p型氧化鎵材料的制備方法，其特征在于：步驟三中，所述二價金屬摻雜氧化鎵納米柱中金屬的摻雜濃度1×1019個/cm3-1×1021個/cm3。

7.如權利要求1所述的p型氧化鎵材料的制備方法，其特征在于：步驟三中，所述二價金屬摻雜氧化鎵納米柱的高度為90nm-110nm；和/或

8.如權利要求1所述的p型氧化鎵材料的制備方法，其特征在于：步驟四中，采用高溫退火、光照或輻照的方式進行激活處理。

9.一種p型氧化鎵材料，其特征在于：利用權利要求1-8任一項所述的p型氧化鎵材料的制備方法制得。

10.如權利要求9所述的p型氧化鎵材料在制備超高壓領域導電材料中的應用。

技術總結
本發(fā)明涉及晶體材料技術領域，具體公開了一種p型氧化鎵材料及其制備方法和應用。本發(fā)明通過在氧化鎵外延層中構建二價金屬摻雜氧化鎵納米柱結構，降低空穴激活能，增加空穴濃度，成功實現(xiàn)了p型氧化鎵材料的制備。利用本發(fā)明有效解決了通過多元素共摻的方式來實現(xiàn)β?Ga<subgt;2</subgt;O<subgt;3</subgt;單晶p型摻雜時，容易出現(xiàn)的材料產(chǎn)生晶格畸變，在材料表面形成非晶層，降低材料質量，影響器件性能的問題，為氧化鎵材料的制備提供了一種新的思路。

技術研發(fā)人員：張勝男,孫科偉,王英民,霍曉青,周金杰,孫啟升,馮景程
受保護的技術使用者：中國電子科技集團公司第四十六研究所
技術研發(fā)日：
技術公布日：2025/1/2