CN109346400A - 一种高质量Ga2O3薄膜及其异质外延制备方法 - Google Patents

Abstract

一种高质量Ga₂O₃薄膜及其异质外延制备方法，属于半导体薄膜材料制备技术领域。包括如下步骤：利用MOCVD在c面蓝宝石上外延GaN薄膜，制成GaN/蓝宝石基底；将GaN/蓝宝石基底放置于高温氧化炉中，在900～1000℃下通入高纯氧气2～5小时后，升温至1100～1200℃继续通入氧气1～2小时；降温后得到Ga₂O₃/GaN/蓝宝石基底；利用MOCVD在Ga₂O₃/GaN/蓝宝石基底上采用温度渐变外延工艺继续外延Ga₂O₃，获得高质量的Ga₂O₃薄膜材料。本方法将GaN薄膜材料通过两步热氧化工艺制成Ga₂O₃/GaN/蓝宝石基底，并利用温度渐变工艺外延Ga₂O₃薄膜材料，可显著提高Ga₂O₃薄膜的晶体质量。该方法可用于Ga₂O₃基异质衬底器件的制备，且工艺简单，生产成本低。

Description

一种高质量Ga2O3薄膜及其异质外延制备方法

技术领域

本发明属于半导体薄膜材料制备技术领域，特别是涉及一种高质量Ga₂O₃薄膜及其异质外延制备方法。

背景技术

氧化镓(Ga₂O₃)是一种直接带隙宽禁带半导体材料，最稳定相为单斜晶系β-Ga₂O₃结构。β-Ga₂O₃(以下简称为Ga₂O₃)与SiC和GaN材料相比：第一，Ga₂O₃的禁带宽度更大，击穿场强更高，这使得该材料在3～4kV甚至于更高电压下仍可以单极器件的模式工作。另外，尽管Ga₂O₃的迁移率低于GaN和SiC，但是其高击穿场强仍可以增加其Baliga最优值(∝μE_br ³)，使之利于金属氧化物半导体场效应管(MOSFET)制备。第二，氧化镓材料的导通电阻理论值很低，这使得其单极器件在相同条件下的导通损耗比SiC和GaN器件低一个数量级以上，有利于制备损耗更低的器件，进而提高MOSFET器件的效率。上述优点使得Ga₂O₃器件在高压电子器件领域具有广阔的研究开发前景。

由于Ga₂O₃薄膜的异质外延技术目前还不成熟，衬底与薄膜间较大的晶格失配难以消除，这导致异质外延生长的Ga₂O₃薄膜的晶体质量无法提高。这严重限制了Ga₂O₃基的发展与应用。本发明提出一种高质量Ga₂O₃薄膜材料的异质外延制备方法。该制备方法采用蓝宝石单晶衬底，并与GaN系材料多层结构与热氧化技术相结合，可获得高质量Ga₂O₃薄膜材料。

发明内容

本发明的目的就是为解决上述Ga₂O₃异质外延晶体质量差的问题，提供一种高质量Ga₂O₃薄膜及其异质外延制备方法。

本发明采用成熟的蓝宝石单晶作为衬底，并利用当前成熟的GaN薄膜外延生长技术，首先制备高质量的GaN系多层结构薄膜，得到GaN/蓝宝石基底；再通过GaN两步高温热氧化的方法制备Ga₂O₃氧化层，得到Ga₂O₃/GaN/蓝宝石基底；然后采用温度渐变外延工艺进行Ga₂O₃薄膜的生长，其生长方法是首先在低温下生长低质量的Ga₂O₃薄层，然后通过逐级升高生长温度的方法生长Ga₂O₃薄膜，逐渐吸收GaN与Ga₂O₃界面产生的应力与位错；当应力与位错被缓冲层所吸收后，可显著提高Ga₂O₃薄膜的晶体质量，从而获得高质量的Ga₂O₃薄膜。

本发明所述的一种高质量Ga₂O₃薄膜的异质外延制备方法，其步骤如下：

A、选取c面蓝宝石单晶为衬底1，厚度为300～500μm；

B、在c面蓝宝石单晶衬底1上采用金属有机物化学气相沉积(MOCVD)工艺外延制备厚度为900～1300nm的GaN系多层结构薄膜2，GaN系多层结构薄膜2为AlN－Al_1-xGa_xN－GaN的多层渐变缓冲层结构，金属有机源分别为三甲基铝、三甲基镓，氮源为高纯氨气，外延温度为900～1100℃；首先在衬底1上处延生长厚度为200～300nm的AlN层的，然后在AlN层上采用组分渐变的方法处延生长厚度为200～300nm的Al_1-xGa_xN层，0.2≤x≤1，材料中Ga的摩尔百分比(x值)由20％开始，每隔40～50nm增加20％，直至100％；最后在Al_1-xGa_xN上外延生长厚度为500～700nm的高质量GaN层；

C、将步骤B制备的部分GaN层经低温热氧化得到低温Ga₂O₃氧化层3，低温热氧化温度为900～1000℃，氧气流量为80～150sccm，低温热氧化时间为2～5小时，得到的低温Ga₂O₃氧化层3的厚度为400～500nm；

D、将步骤C制备的部分低温Ga₂O₃氧化层3高温热氧化得到高温Ga₂O₃氧化层4，高温热氧化温度为1100～1200℃，氧气流量为80～150sccm，高温热氧化时间为1～2小时，得到的高温Ga₂O₃氧化层4的厚度为100～150nm；

E、采用金属有机物化学气相沉积(MOCVD)工艺，利用温度渐变的方法在高温Ga₂O₃氧化层4上外延生长厚度为800～1000nm的高质量Ga₂O₃薄膜5；起始的外延温度为500～600℃，每外延100nm薄膜后，将外延温度升高15～30℃，直至800～900℃，外延时间为1～1.5小时。

本发明的效果和益处：

本发明解决了Ga₂O₃材料的异质外延问题，克服了目前Ga₂O₃同质外延所使用的Ga₂O₃单晶衬底的散热性差，售价高等缺点；该发明还能够利用蓝宝石材料的工艺成熟、售价低、等优点，使Ga₂O₃基器件接近实用化。

附图说明

图1：本发明制备的高质量Ga₂O₃薄膜的结构示意图；

图1中部件1为c面蓝宝石衬底，2为GaN系多层结构薄膜，3为低温Ga₂O₃氧化层，4为高温Ga₂O₃氧化层，5为高质量Ga₂O₃层。

具体实施方式

实施例1：

一种高质量Ga₂O₃异质外延薄膜，其结构如图1所示，依次由c面蓝宝石衬底1，c面蓝宝石衬底1上外延生长的GaN系多层结构薄膜2，GaN系多层结构薄膜2上低温氧化的低温Ga₂O₃氧化层3，低温Ga₂O₃氧化层3上的高温氧化的高温Ga₂O₃氧化层4、高温Ga₂O₃氧化层4上外延生长的高质量Ga₂O₃层5组成；其特征在于：GaN系多层结构薄膜2由AlN－Al_1-xGa_xN－GaN多层薄膜构成，总厚度为1000nm，其中AlGaN为组分渐变缓冲层，最上层为高质量GaN薄膜；低温Ga₂O₃氧化层3是由GaN系多层结构薄膜2的上表面(GaN薄膜)经低温热氧化制成；高温Ga₂O₃氧化层4是由低温Ga₂O₃氧化层3继续氧化制成；高质量Ga₂O₃层5是利用高温MOCVD，通过温度渐变外延工艺制成。

前面所述的一种高质量Ga₂O₃薄膜材料的异质外延制备方法，其步骤如下：

A、c面蓝宝石单晶衬底1的厚度为500μm。首先将衬底在超声状态下依次使用甲苯、丙酮、乙醇和去离子水分别清洗5分钟，然后利用高纯氮气将衬底吹干。GaN系多层结构薄膜2的生长使用目前成熟的常规MOCVD工艺，生长源为三甲基镓、三甲基铝和高纯氨气，生长温度为1000℃，生长压强为350torr，在衬底1上首先进行AlN层的生长，其厚度为300nm；然后通过调节各有机源载气流量在AlN薄膜上进行组分渐变Al_1-xGa_xN(0.2≤x≤1)薄膜的生长：材料中Ga的摩尔百分比由20％开始，每50nm增加20％，直至100％，AlGaN薄膜厚度为200nm；之后在AlGaN薄膜上方进行高质量GaN薄膜的生长，其厚度为500nm。

B、将GaN系多层结构薄膜2放入高温氧化炉，通过热氧化的方法生成低温Ga₂O₃氧化层3，其氧气流量为100sccm，氧化温度为950℃，氧化时间为3小时，低温氧化层厚度为500nm；

C、将氧化炉温度升至1150℃，在低温Ga₂O₃氧化层3上通过热氧化的方法生成高温Ga₂O₃氧化层4，其氧气流量为100sccm，氧化时间为1小时，高温氧化层厚度为100nm；

D、采用高温MOCVD工艺，在高温Ga₂O₃氧化层4上外延高质量Ga₂O₃层5，反应源为三甲基镓与高纯氧气，该层采取渐变式生长温度进行生长。起始生长温度为600℃，每生长100nm薄膜后，将生长温度升高20℃，直至800℃。用此方法逐步吸收高温Ga₂O₃氧化层4内存在的应力与位错，时间为1小时，高质量Ga₂O₃层厚度为1000nm。

为研究该制备方法对Ga₂O₃薄膜晶体质量的提高效果，我们利用Ultima IV型X射线衍射仪对本实施例中的Ga₂O₃薄膜进行了晶体质量测试，并与直接在蓝宝石衬底上、直接在Ga₂O₃单晶衬底上通过MOCVD工艺外延的Ga₂O₃薄膜进行了晶体质量对比，其结果如下：

表1：三种Ga₂O₃薄膜的晶体质量、迁移率、电阻率数据对比数据(1.利用本发明所述方法在蓝宝石衬底上外延；2.直接在蓝宝石衬底上外延；3.直接在Ga₂O₃单晶衬底上外延)

从表1的数据可以发现，利用本发明所述方法获得的Ga₂O₃薄膜与直接在蓝宝石衬底上外延的Ga₂O₃薄膜相比，在晶体质量上已经有了显著提高；样品的迁移率大幅增加，且电阻率较高，呈近本征状态。与同质外延获得的Ga₂O₃薄膜相比，虽然该薄膜在晶体质量、迁移率等方面仍有不足，但在各类指标上已处于同一数量级上。以上结果证明本工艺在提高异质外延的Ga₂O₃薄膜晶体质量方面效果明显。该方法的工艺简单，生产成本低，在Ga₂O₃基器件的制备领域具有极高的应用潜力，能够极大推动Ga₂O₃基异质衬底器件的发展。

Claims (7)

1.一种高质量Ga₂O₃薄膜的异质外延制备方法，其步骤如下：

A、选取c面蓝宝石单晶为衬底(1)；

B、在c面蓝宝石单晶衬底(1)上采用金属有机物化学气相沉积工艺外延生长GaN系多层结构薄膜(2)，GaN系多层结构薄膜(2)为AlN－Al_1-xGa_xN－GaN的多层渐变缓冲层结构，0.2≤x≤1；

C、将GaN系多层结构薄膜(2)中的部分GaN层经低温热氧化得到低温Ga₂O₃氧化层(3)；

D、将低温Ga₂O₃氧化层(3)中的部分低温Ga₂O₃氧化层(3)高温热氧化得到高温Ga₂O₃氧化层(4)；

E、采用金属有机物化学气相沉积工艺，利用温度渐变的方法在高温Ga₂O₃氧化层(4)上外延得到高质量Ga₂O₃薄膜(5)。

2.如权利要求1所述的一种高质量Ga₂O₃薄膜的异质外延制备方法，其特征在于：步骤B中，首先在衬底(1)上处延生长AlN层，然后在AlN层上采用组分渐变的方法处延生长的Al_{1- x}Ga_xN层，材料中Ga的摩尔百分比由20％开始，每隔40～50nm增加20％，直至100％；最后在Al_1-xGa_xN上外延生长高质量的GaN薄膜。

3.如权利要求1所述的一种高质量Ga₂O₃薄膜的异质外延制备方法，其特征在于：步骤C中，低温热氧化温度为900～1000℃，氧气流量为80～150sccm，低温热氧化时间为2～5小时。

4.如权利要求1所述的一种高质量Ga₂O₃薄膜的异质外延制备方法，其特征在于：步骤D中，高温热氧化温度为1100～1200℃，氧气流量为80～150sccm，高温热氧化时间为1～2小时。

5.如权利要求1所述的一种高质量Ga₂O₃薄膜的异质外延制备方法，其特征在于：步骤E中，起始的外延温度为500～600℃，每外延100nm薄膜后，将外延温度升高15～30℃，直至800～900℃，从而在高温Ga₂O₃氧化层(4)上外延得到高质量Ga₂O₃薄膜(5)。

6.一种高质量Ga₂O₃薄膜，其特征在于：是由权利要求1～5任何一项所述的方法制备得到。

7.如权利要求6所述的一种高质量Ga₂O₃薄膜，其特征在于：衬底(1)的厚度为300～500μm；GaN系多层结构薄膜(2)的厚度为900～1300nm，其中AlN层的厚度为200～300nm，Al_{1- x}Ga_xN层的厚度为200～300nm，GaN层的厚度为500～700nm；低温Ga₂O₃氧化层(3)的厚度为400～500nm；高温Ga₂O₃氧化层(4)的厚度为100～150nm；高质量Ga₂O₃薄膜(5)的厚度为800～1000nm。