[发明专利]一种掺杂铁酸铋半导体薄膜材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于半导体薄膜材料领域，涉及一种掺杂铁酸铋半导体薄膜材料及其制备方法。

背景技术

铁电材料是指在低于居里温度时具有自发极化的材料，其自发极化方向可以在大于铁电矫顽场的外加电场下重新定向。铁电材料常温下为绝缘体。

电阻率介于良导体和绝缘体之间并有负的电阻温度系数的物质称为半导体，半导体的应用十分广泛，主要是制成有特殊功能的元器件，如场效应晶体管、二极管、整流器、振荡器以及各种光电探测器件、微波器件、太阳能电池等。

半导体术语中的掺杂是指控制特殊杂质原子的数量，从而有目的地增加电子或空穴的浓度。通过掺杂可永久改变材料的导电性，这是半导体能够制成各种器件从而获得广泛应用的一个重大原因。

经过合适的掺杂，铁电绝缘体可以成为n型或p型半导体。

有少数中国专利介绍了铁电材料和半导体衬底的集成和兼容，或者部分牵涉到其它材料中的半导体性能。例如，中国专利CN101315881A将铁电材料铌酸锂与III族氮化物半导体材料做成异质结，制备了基于“铌酸锂/III族氮化物”的铁电半导体复合薄膜，通过半导体器件工艺制备具体的器件，其只是将铁电材料与另一种半导体材料复合成异质结。介绍铁电半导体材料的制备及其各种应用的专利也不多。中国专利CN1276439A介绍了一种制备掺铌钛酸钡薄膜的方法，制备了不同掺铌含量的钛酸钡薄膜，得到具有金属性质的铁电薄膜材料。中国专利CN102157682A，在Pb(Zr_xTi_1-x)O₃、Ba(Sr_xTi_1-x)O₃、Bi_1－xA_xFe_1-yB_yO₃中掺入Cr，Mn，Co，Ni和Cu一种或多种三价过渡金属离子，利用铁电极化调控其半导体性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种可掺杂调控电阻率的铁酸铋半导体薄膜材料及其制备方法。利用掺杂量的改变，精确调控铁酸铋薄膜的电阻率，使之可控地由绝缘体向n型半导体转变。

实现本发明目的的技术方案是：一种掺杂铁酸铋半导体薄膜材料，其薄膜材料为n型半导体，分子式为 BiFe_1-xA_xO₃，其中x为0.0005-0.5，A为Nb或Mn元素中的一种或两种。

所述的半导体薄膜材料厚度为15-500nm，电阻率为8.6×10^-5-3×10^-3Ω·cm，n型载流子浓度为1.4×10¹⁹ -1.6×10²²cm^-3。

一种掺杂铁酸铋半导体薄膜材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)   BiFe_1-xA_xO₃靶材的制备：以Bi₂O₃、Fe₂O₃和A对应的氧化物为原料，按化合物的各元素化学计量比称量氧化物，其中，化合物中x为0.0005-0.5，A为Nb或Mn元素中的一种或两种，将称好的氧化物放入球磨罐中，加入酒精后球磨，将球磨好的料烘干，压片成型后放入加热炉中烧结；

(2)   BiFe_1-xA_xO₃薄膜的制备：采用物理气相沉积法，将衬底和步骤1中的靶材安装入生长腔内，抽真空，调节衬底温度和生长腔内氧压后，先预溅射，再沉积薄膜；

(3)   10^-5-10⁵ Pa氧气压下退火。

步骤（1）中所述的球料比为3:1，所述的球磨时间为6-10小时，所述的烧结温度为800-900℃，烧结时间为0.5-2小时。

步骤（2）中所述的物理气相沉积法为脉冲激光沉积法、激光分子束外延法或磁控溅射法。

步骤（2）中所述的衬底为SrTiO₃、DyScO₃、LaAlO₃或者NdGaO₃，衬底温度为300-700℃，生长腔内氧压为0.1-100Pa，预溅射时间为3-15分钟。

所述的脉冲激光沉积法和激光分子束外延法中，激光器能量为30-300mJ，频率在1-10Hz。