[发明专利]利用原子层沉积制备GaON薄膜包覆微结构材料的方法

说明书

本发明公开了一种利用原子层沉积制备GaON薄膜包覆微结构材料的方法。本发明利用等离子体增强原子层沉积（PEALD）制备技术，通过使用前驱体三甲基镓作为镓源，NH₃与O₂等离子体作为氮源和氧源。将反应气体按照一定比例同时通入原子层沉积（ALD）反应腔体，通过控制原子层沉积的反应循环次数，在微结构材料表面均匀包覆一层预定厚度的GaON薄膜。本发明公开的制备GaON薄膜包覆纳米微结构的方法，包覆厚度和包覆层薄膜的含量都可通过ALD工艺参数精确可调，操作简单，包覆后提升纳米微结构的光电性能效果显著。该方法在传感器、光电探测、微电子器件、光电催化和能源等领域具有重要的科学价值和广泛的应用前景。

技术领域

本发明涉及微纳器件、光电探测、光电化学催化及氮氧化合物半导体器件制备技术领域，更具体的说，涉及一种利用原子层沉积制备GaON薄膜包覆微结构材料的方法。

背景技术

氮化镓（GaN）薄膜作为第三代宽禁带半导体材料，具有非常明显的优势。由于禁带宽度大，导热率高，可在高温高压稳定工作。同时GaN材料击穿电压高，导通电阻小，电子饱和速度快，载流子迁移率高，这些优异的特性使GaN在光电子、高温大功率器件和高频微波器件应用方面有着广阔的前景。特别的，GaN是微波功率晶体管的优良材料，同时该材料也是蓝色光发光器件中的一种具有重要应用价值的半导体。目前基于GaN的研究已经比较成熟，研究开始的时间也比较早，利用不同方式（PVD、CVD等）制备的薄膜研究也非常多。与GaN相比，氧化镓(Ga₂O₃)具有更大的带隙（4.7～5.2 eV），能够在更高的温度和功率下工作。此外，Ga₂O₃击穿电场强度高达8 MV/cm，是Si的近27倍、SiC及GaN的2倍以上，使氧化镓能够承受比硅、SiC和GaN更大的电场而不会发生击穿。因此Ga₂O₃已成为超高压功率器件和深紫外光电子器件的优选材料之一。然而，Ga₂O₃由于禁带宽度太大，电阻大，阻扰了该材料的应用范围。目前Ga₂O₃材料的研究才处于起步阶段，如何发挥其优异的材料特性，使之获得大范围成熟地应用，还需要克服许多困难，需要很长的路要走。

GaON作为介于GaN和Ga₂O₃的中间半导体材料，预期将兼具两种半导体材料的优异特性，能够结合GaN电学方面的优势和Ga₂O₃光学方面的优势，成为一种介于第三代和第四代半导体材料的过镀材料。此外，GaON作为一种氧氮化合物，和其他氧氮化物（SiON、AlON、TiON和TaON等）一样， 将具有新的和优于单独的氮化物和氧化物的特性，如更高的击穿电压，更低的漏电流，以及可调的带隙宽度，从而具有更多更广的应用范围。发挥GaON薄膜的带隙特点以及带隙可调特性，将其包覆在微结构材料表面，构筑核壳结构和异质结，可以实现提高微结构材料光电特性的效果。特别的，如光电探测性能，光解水效率，以及其他光电特性相关的应用。然而，目前制备GaON薄膜的方法如CVD和对氧化镓/氮化镓进行氮化/氧化都具有比较大的局限。例如， CVD反应需要非常高的温度，而氮化/氧化过程不仅需要高温，而且无法实现对薄膜氧氮含量的精确控制。此外，这些方法在薄膜生长的均匀性上都存在短板，特别对于具有一定深宽比的微结构材料，这些方法无法实现在微结构表面均匀生长GaON薄膜。同时，也无法精确的调控薄膜中的氧氮含量和包覆薄膜的厚度，从而大大限制了GaON薄膜的应用和微结构光电性能的提高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用原子层沉积制备GaON薄膜包覆微结构材料的方法，以构筑核壳结构和异质结从而提高微结构光电特性。