本发明专利技术涉及一种带隙宽度可调的铝铟氧化物薄膜材料及其制备方法。该铝铟氧化物薄膜具有通式Al2xIn2-2xO3，式中x=Al/(Al+In)为原子比，x=0.1～0.9；随着x从0.1增加到0.9，该薄膜材料的光学带隙宽度从3.71增大到5.80eV。本发明专利技术采用有机金属化学气相淀积技术，采用三甲基铝[Al(CH3)3]和三甲基铟[In(CH3)3]为有机金属源，载气使用高纯氮气，氧化气体使用高纯氧气，衬底选为氧化镁单晶片，在高真空、600～800℃衬底温度条件下生长铝铟氧化物薄膜。本发明专利技术的铝铟氧化物薄膜材料，由于其禁带宽度可调节范围大，适用于制造量子阱器件及深紫外透明半导体器件。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种带隙宽度可调的铝铟氧化物薄膜材料及其制备方法，属于半导体薄膜材料和光电子材料
技术介绍
随着材料科学的不断发展，人们对宽带隙氧化物半导体材料的研究产生了浓厚的兴趣，尤其是透明光电器件更是成为当前国际上热门的前沿研究领域之一，宽带隙氧化物半导体材料是制造透明光电器件和紫外光电器件的重要材料。在透明薄膜晶体管、太阳能电池、紫外探测器、存储器和气敏传感器等领域有着广阔的应用前景。氧化铝（Al2O3)常见的是α-Al2O3和γ-Al2O3两种同分异构体。氧化铝具有带隙宽（Eg～8.7eV）、化学和热性能稳定等优点。用途主要包括：用作研磨材料及切割工具，用作高温耐火材料、制造人造宝石等；α-Al2O3(蓝宝石)单晶片是氮化镓基发光二极管（LED）和激光器（LD）的衬底材料，也可用于生产现代大规模集成电路的衬底材料。氧化铟（In2O3）具有直接带隙（Eg～3.7eV），是重要的光电子信息材料。In2O3薄膜的光电特性可以通过调整淀积参数进行控制。锡掺杂的氧化铟（ITO）薄膜的电阻率可达～10-4Ωcm，在可见光范围内具有很高的透过率。ITO薄膜是当前使用最广泛的透明导电膜，主要用于平面显示和太阳电池等领域。人们对多元化合物半导体材料如：铝铟氮（AlxIn1-xN）、铝镓氮（AlxGa1-xN）、镁锌氧（MgxZn1-xO）和镓铟氧（Ga2xIn2(1-x)O3）等进行研究的一个重要原因是这些材料的禁带宽度可以通过改变组分进行调节，因而成为制造半导体光电器件的重要材料，在发光二极管、激光器、紫外探测器和叠层高效薄膜太阳能电池等方面具有实际的应用价值。CN1770484A公开了一种在硅衬底上制备铟镓铝氮薄膜的方法，先在硅衬底上形成一层镁掩模层或金属过渡层，然后再形成一层金属过渡层或镁掩模层，最后形成一层铟镓铝氮半导体层；该专利技术可以减少硅衬底上生长的铟镓铝氮材料的位错密度，提高结晶质量。当前制备和使用的铝铟氮和镓铟氧薄膜存在的问题如下：1、铝铟氮（AlxIn1-xN）（Eg:1.75～6.15eV）薄膜材料普遍存在着相分离、铟聚集的现象。一般只有在铟占特定比例的情况下才能生长出较好的铝铟氮薄膜，带隙调制的实际变化范围非常有限。2、氮化铝（AlN）和氮化铟（InN）材料制备条件不兼容。AlN材料的生长一般需要较高温度，而InN材料则需要较低温度来生长，生长条件的兼容性较差使得铝铟氮合金材料的生长变得非常困难。3、镓铟氧（Ga2xIn2(1-x)O3）薄膜材料带隙宽度虽然可以通过改变材料的组分实现调节，但是调节范围也只是在3.7～4.9eV之间，带隙调节范围相对较小。为了适应透明电子器件和紫外光电器件快速发展的需要，新型可调制禁带宽度的宽带隙半导体材料的研发十分重要。
技术实现思路
本专利技术针对现有AlxIn1-xN三元氮化物合金薄膜材料的不足，提供了一种可通过改变薄膜组成成分调制带隙宽度的铝铟氧化物薄膜材料及其制备方法。一种带隙宽度可调的铝铟氧化物薄膜材料,具有如下通式:Al2xIn2-2xO3，式中x为Al/(Al+In)原子比，x=0.1～0.9。根据本专利技术的带隙宽度可调的铝铟氧化物薄膜材料，随x从0.1增加到0.9，所得薄膜材料的光学带隙宽度从3.71增大到5.80eV。根据本专利技术的带隙宽度可调的铝铟氧化物薄膜材料，当0.1≤x≤0.5时薄膜具有立方In2O3的结构，当0.5<x≤0.9时薄膜具有微晶或非晶结构。本专利技术的一种带隙宽度可调的铝铟氧化物薄膜材料的制备方法，采用有机金属化学气相淀积（MOCVD）法，衬底为氧化镁（MgO）单晶片，在真空条件下生长铝铟氧化物薄膜，步骤如下：（1）将MOCVD反应室抽至5×10-4-8×10-4Pa的高真空状态，开启衬底加热电源，使衬底温度为600～800℃；（2）向步骤（1）的真空反应室通入氮气和氧气，氮气作为背景N2，氧气作为氧化气体，使氧气摩尔流量为1.34×10-3～3.57×10-3mol/min（摩尔/分钟），氮气摩尔流量为2.23×10-2mol/min；使氮气和氧气流量稳定；（3）以三甲基铝[Al(CH3)3]和三甲基铟[In(CH3)3]为有机金属源，氮气为载气。打开有机金属源阀门，保持5-10分钟，使有机金属源流量稳定；控制有机金属铝源和有机金属铟源的流量分别为：有机金属源Al(CH3)3摩尔流量为0.39～3.48μmol/min（10-6摩尔/分钟），有机金属源In(CH3)3摩尔流量为0.39～3.48μmol/min；（4）将步骤（3）的有机金属源载气通入真空反应室，在衬底上进行薄膜生长，反应室压强为10～40Torr，生长温度600～800℃，生长时间为0.5～2.5小时；（5）反应结束，关闭有机金属源瓶和氧气阀门，持续用氮气冲洗10～20分钟。根据本专利技术优选的，所述的氮气和氧气均为高纯气体，高纯氮气、高纯氧气的纯度为99.999%以上。根据本专利技术优选的，上述步骤（4）薄膜生长过程中，生长速率为0.5～3.3nm/min；制得的铝铟氧化物薄膜的厚度为80～200nm。步骤（3）所述的两种有机金属源的摩尔流量是通过调节质量流量计（Mass‐Flo Controller）的流量、有机金属源瓶的压力和温度实现的。按本领域现有技术即可。本专利技术中无特别限定的均可参照本领域的现有技术。根据本专利技术，进一步优选的工艺条件如下：有机金属源Al(CH3)3的摩尔流量选自：0.39μmol/min，0.77μmol/min，1.16μmol/min，1.55μmol/min，1.93μmol/min，2.32μmol/min，2.71μmol/min，3.09μmol/min，或3.48μmol/min；与此对应的，有机金属源In(CH3)3的摩尔流量选自：3.48μmol/min，3.09μmol/min，2.71μmol/min，2.32μmol/min，1.93μmol/min，1.55μmol/min，1.16μmol/min，0.77μmol/min，或0.39μmol/min；生长时间 1.0h（小时）。根据本专利技术，上述步骤（3）中通过调节有机金属铝源和铟源的载气流量，控制有机金属源的摩尔流量，获得不同铝铟摩尔比Al2xIn2-2xO3材料。优选的，如下表1所示：表1、不同有机金属源摩尔流量及所得薄膜Al2xIn2-2xO3中x=Al/(Al+In)原子比Al源流量(μmol/min)本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种带隙宽度可调的铝铟氧化物薄膜材料,具有如下通式:Al2xIn2-2xO3，式中x为Al/(Al+In)原子比，x=0.1～0.9。
2.如权利要求1所述的带隙宽度可调的铝铟氧化物薄膜材料，其特征在于，随x从0.1增加到0.9，所得薄膜材料的光学带隙宽度从3.71增大到5.80eV。
3.如权利要求1所述的带隙宽度可调的铝铟氧化物薄膜材料，其特征在于，当0.1≤x≤0.5时薄膜具有立方In2O3的结构，当0.5<x≤0.9时薄膜具有微晶或非晶结构。
4.一种带隙宽度可调的铝铟氧化物薄膜材料的制备方法，采用有机金属化学气相淀积（MOCVD）法，衬底为MgO单晶片，在衬底上生长铝铟氧化物薄膜，步骤如下：
（1）将MOCVD反应室抽真空至5×10-4-8×10-4Pa，开启衬底加热电源，使衬底温度为600～800℃；
（2）向真空反应室通入氮气和氧气，氮气作为背景N2，氧气作为氧化气体，使氧气摩尔流量为1.34×10-3～3.57×10-3mol/min，氮气摩尔流量为2.23×10-2mol/min；使氮气和氧气流量稳定；
（3）以三甲基铝[Al(CH3)3]和三甲基铟[In(CH3)3]为有机金属源，氮气为载气。设定质量流量计流量、有机金属源瓶的压力和源瓶的温度，打开有机金属源阀门，保持5-10分钟，使流量稳定；使有机金属铝源和有机金属铟源的流量分别为：
有机金属源Al(CH3)3摩尔流量0.39～3.48μmol/min，有机金属源In(CH3)3摩尔流量0.39～3.48μmol/min；
（4）将步骤（3）所述的有机金属源载气通入真空反应室，在衬底上进行薄膜生长过程，反应室压强为10～40Torr，生长温度600～800℃，生长时间为0.5～2.5小时...
【专利技术属性】
技术研发人员：马瑾，李钊，栾彩娜，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：
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