[发明专利]一种可调制带隙宽度的镓铟氧化物薄膜及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种可通过改变组分调制带隙宽度的镓铟氧化物薄膜材料及其制备方法，属于半导体材料技术领域。

背景技术

氧化镓(β-Ga₂O₃)是具有直接带隙的宽带隙(Eg～4.9eV)半导体材料，以前对于Ga₂O₃的研究多集中在气敏性质、透明导电和纳米材料等方面。与GaN(Eg～3.4eV)和ZnO(Eg～3.37eV)相比较，氧化镓材料具有带隙更宽的优点，且物化性能稳定，是一种很有前途的紫外光材料。

氧化铟(In₂O₃)是重要的光电子信息材料，该半导体材料具有直接带隙(Eg～3.7eV)。In₂O₃薄膜的光电特性可以通过调整淀积参数进行控制。以前对氧化铟的研究主要集中在透明导电等方面。目前氧化铟薄膜材料主要用于薄膜太阳能电池和平面显示等器件的透明电极。

随着透明光电子学和光电子器件的不断发展，要求材料的透明区域向紫外扩展，波长为250～350nm的紫外发光二极管(LED)、激光器(LD)的应用备受期待。为了满足透明电子器件和紫外光电子器件发展的需要，很有必要研究一种新型的可调制带隙宽度的透明半导体薄膜材料。镓和铟同属Ш族元素，Ga₂O₃和In₂O₃均为直接带隙半导体材料，而镓铟氧化物(Ga_2(1-X)In_2XO₃)材料可以认为是Ga₂O₃和In₂O₃两种材料的合金。根据相关的理论分析，Ga_2(1-X)In_2XO₃材料的带隙宽度应在Ga₂O₃和In₂O₃的带隙宽度之间随铟镓所占的比例的不同在3.7～4.9eV范围内变化，因此可以根据实际需要通过改变Ga_2(1-X)In_2XO₃薄膜组分调制薄膜材料的带隙宽度。因此Ga_2(1-X)In_2XO₃是一种很有前途的可调制带隙宽度的透明氧化物半导体材料。

当前制备氧化镓和氧化铟薄膜存在的问题如下：

(1)Ga₂O₃作为深紫外透明半导体薄膜材料存在的问题是：材料的带隙宽度过大，导带底位置相对较高，施主能级变成深能级，使得在宽带隙材料中引入浅施主能级进而有效地释放电子进入导带要比带隙相对小一些的氧化物材料困难的多。因此，目前得到的Ga₂O₃薄膜材料的电阻很高。

(2)用磁控溅射、电子束蒸发和脉冲激光沉积等方法制备的氧化镓薄膜材料一般为非晶或多晶结构，其带隙宽度是在4.9eV左右，随制备条件的不同稍有变化。因此，Ga₂O₃的带隙宽度基本上是一个定值，不能进行调制。

(3)目前使用磁控溅射等方法制备的氧化铟材料一般为多晶结构，其带隙宽度约为3.7eV，随制备条件的变化略有不同，不能进行调制。

发明内容

针对现有材料技术的不足，本发明提供一种可通过改变薄膜组成成分调制带隙宽度的镓铟氧化物薄膜材料及其制备方法。

一种可调制带隙宽度的镓铟氧化物薄膜材料，具有如下通式：Ga_2(1-X)In_2XO₃，式中x为In/(Ga+In)原子比，x＝0.1-0.9；随着铟含量x从0.9减少到0.1，该薄膜材料的带隙宽度从3.72增大到4.58eV，具体数值见表1和表2。当0.1≤x≤0.2时该薄膜具有β-Ga₂O₃的结构，当0.2＜x＜0.7薄膜具有混相结构，当0.7≤x≤0.9，薄膜具有立方In₂O₃的结构。

表1.550℃衬底温度下生长镓铟氧化物薄膜的带隙宽度随铟含量的变化