CN113394079A - 一种采用卤化物气相外延法生长氧化镓外延层的方法 - Google Patents

一种采用卤化物气相外延法生长氧化镓外延层的方法 Download PDF

Info

Publication number
CN113394079A
CN113394079A CN202110676534.6A CN202110676534A CN113394079A CN 113394079 A CN113394079 A CN 113394079A CN 202110676534 A CN202110676534 A CN 202110676534A CN 113394079 A CN113394079 A CN 113394079A
Authority
CN
China
Prior art keywords
epitaxial layer
epitaxial
growth
minutes
substrate
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202110676534.6A
Other languages
English (en)
Inventor
李贺
赖占平
董增印
程文涛
张嵩
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
CETC 46 Research Institute
Original Assignee
CETC 46 Research Institute
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by CETC 46 Research Institute filed Critical CETC 46 Research Institute
Priority to CN202110676534.6A priority Critical patent/CN113394079A/zh
Publication of CN113394079A publication Critical patent/CN113394079A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02436—Intermediate layers between substrates and deposited layers
    • H01L21/02439—Materials
    • H01L21/02469—Group 12/16 materials
    • H01L21/02472—Oxides
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02612—Formation types
    • H01L21/02617—Deposition types
    • H01L21/0262—Reduction or decomposition of gaseous compounds, e.g. CVD

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)

Abstract

本发明提供了一种采用卤化物气相外延法生长氧化镓外延层的方法，本方法利用蓝宝石、GaN和β‑Ga2O3单晶三种晶片作为衬底，采用卤化物气相外延法外延生长Ga2O3外延层，通过控制生长区的温度和生长压力，以及调控VI/III比例，实现α‑Ga2O3和β‑Ga2O3两种晶型外延层的制备。通过本方法获得的外延层生长速度达到5‑10 um/h，同质外延层的XRD半峰宽≤100arcsec。采用本发明所提出的方案，能够实现较快生长速度下厚外延层的制备，有效地促进Ga2O3材料的外延生长研究，为后续Ga2O3基器件制作及其性能改善提供新的思路。

Description

一种采用卤化物气相外延法生长氧化镓外延层的方法
技术领域
本发明属于半导体薄膜材料制备领域，涉及一种采用卤化物气相外延法生长氧化镓外延层的方法，即在不同的衬底片上通过卤化物气相外延法实现氧化镓的外延沉积。
背景技术
氧化镓（Ga2O3）材料作为一种新型的宽禁带半导体材料，具有高耐压和低损耗特性，以及很好的化学和热稳定性，在高功率器件、日盲紫外探测、气体传感器等领域具有广阔的应用前景，吸引着越来越多的国内外研究人员关注。但是Ga2O3材料的研究还处于初期阶段，尤其是Ga2O3外延膜质量不高。目前，常用的几种制备Ga2O3外延膜的方法有：分子束外延（MBE）法、等离子增强化学气相沉积（MPCVD）法、金属有机化学气相沉积（MOCVD）法和脉冲激光沉积（PLD）法等。但是这些方法所需设备昂贵、生长环境苛刻，有的方法制备的外延薄膜不易结晶或多为非晶、多晶结构，并且存在较大的缺陷密度，使得薄膜的发光效率、掺杂效率和耐压能力降低，严重限制了其在半导体器件上的应用。
例如，中国专利文献CN103489967B公开了一种利用金属有机化学气相沉积法制备的Ga2O3外延膜，通过调节生长参数和加入辅助反应物实现了较高质量的外延膜生长。然而，该方法使用金属有机物作为金属源，不能完全避免生长过程中由于碳元素引入造成的污染，且薄膜生长速度较慢，无法生长厚的Ga2O3外延膜。中国专利文献CN109411328B公开了一种利用激光分子束外延技术法制备Ga2O3外延膜，并通过掺杂铁元素，实现了在<600℃下制备出结晶质量较好的β-Ga2O3外延薄膜。不过该方法的薄膜结晶性受温度、压力和铁掺杂浓度影响较大，并且在异质的蓝宝石衬底上生长，存在较大的晶格失配，不利于获得高质量的外延层。
卤化物气相外延（HVPE）法具有操作过程简便、生长速度快、生长温度高（约1000℃）、制备样品纯度较高的特点，有利于获得在高温下稳定、表面质量好的β-Ga2O3外延层。然而，目前国内对于Ga2O3外延生长的研究还不够深入，采用卤化物气相外延法生长的Ga2O3外延层更是极少报道。
因此，研究、设计一种简单高效生长Ga2O3外延层的方法是急需解决的问题，并具有重要的应用价值。
发明内容
鉴于现有技术的状况，本发明提供了一种采用卤化物气相外延法生长氧化镓外延层的方法，本方法利用蓝宝石、GaN和β-Ga2O3单晶三种晶片作为衬底，采用卤化物气相外延法外延生长Ga2O3外延层，通过控制生长区的温度、生长压力和VI/III比例，实现α-Ga2O3和β-Ga2O3两种晶型外延层的制备。
本发明采用的技术方案是：一种采用卤化物气相外延法生长氧化镓外延层的方法，选择蓝宝石、GaN或Ga2O3单晶为衬底，使用卤化物气相外延法生长Ga2O3外延层的工艺步骤如下：
a) 以蓝宝石、GaN单晶片或Ga2O3单晶为衬底片，在外延生长开始前，将衬底片先后用丙酮和无水乙醇在90℃的水浴中加热20分钟，然后用超纯水进行超声清洗10分钟；
b) 将a) 中的衬底片置于微分干涉显微镜下观察形貌，确认表面干净平整，无石蜡、附着颗粒、划痕、损伤的缺陷；
c) 将a) 中的衬底片放入基座上，送至卤化物气相外延管式炉的生长温区；
d）封闭水平管式炉，抽取真空20分钟，用氮气反复冲洗腔体3-4次，设置管式炉内生长温区的温度为450-1100℃，氮气为载气，生长压力为100-500mbar；
e)温度达到设定温度后，通入氧气，载气量为10-200sccm，时间为5-20分钟；
f)预处理完成后，通入氯气，载气量为10-50sccm，时间为30分钟，进行Ga2O3外延生长
g) Ga2O3外延层生长完毕后，关闭氯气气路阀，停止加热，在氮气气氛下进行自然降温；
h)待温度降至室温后，从管式炉内取出样品，分别获得以蓝宝石、GaN或Ga2O3单晶为衬底的Ga2O3外延片。
本发明的有益效果是：
本方法分别选取蓝宝石、GaN和Ga2O3三种不同的衬底片，利用卤化物气相外延法获得表面质量高的Ga2O3外延层，能够实现较快生长速度下厚外延层的制备，有效地促进Ga2O3材料的外延生长研究，为后续Ga2O3基器件制作及其性能改善提供新的思路。
通过本方法，外延层的生长速度能够达到5-10 um/h，生长30分钟得到外延层的厚度为2.5-5um，远大于目前常用的MOCVD、MPCVD和MBE法制备的外延层厚度。本方法的生长源为无机Ga源，避免了碳元素造成的污染问题；以β-Ga2O3单晶为衬底生长的同质外延层，不存在晶格失配问题，结晶质量较高，XRD摇摆曲线半峰宽≤100arcsec。特别的，利用HVPE法实现Ga2O3膜的同质外延生长，是国内在Ga2O3半导体外延生长研究中的重大突破。本方法对国内宽禁带半导体材料的外延生长研究及Ga2O3半导体器件应用具有重要意义。
附图说明
图1为本发明 Ga2O3生长的HVPE系统示意图；
图2为本发明GaN衬底上生长Ga2O3外延层的结构示意图；
图3为本发明蓝宝石衬底上生长Ga2O3外延层的结构示意图；
图4为本发明β-Ga2O3衬底上同质生长Ga2O3外延层的结构示意图。
具体实施方式
下面通过具体的实施例对本发明做进一步说明，但不限制本发明的范围。实施例中使用的原材料、试剂及生长设备，如无特殊说明，均使用本领域常规商业途径得到，或通过可实现的技术方法获得。
实施例1：
一种采用卤化物气相外延法生长氧化镓外延膜的方法，步骤包括：
（1）以GaN单晶片为衬底生长α-Ga2O3外延层。在外延生长开始前，将衬底片先后用丙酮和无水乙醇在90℃的水浴中加热20分钟，然后用超纯水进行超声清洗10分钟，以去除表面的有机和无机杂质。
（2）将（1）中的衬底片置于微分干涉显微镜下观察形貌，确认衬底片表面干净平整，无石蜡、附着颗粒、划痕、损伤的缺陷。
（3）将（2）中的衬底片水平放入基座上，送至卤化物气相外延管式炉的生长温区。
（4）封闭水平管式炉，抽取真空20分钟，用氮气反复冲洗腔体3-4次。设置管式炉内生长温区的温度为450-750℃，氮气为载气，生长压力为100-500mbar，外延生长的系统示意图如图1所示。
（5）温度达到设定温度后，通入氧气，载气量为10-200sccm，时间为5-20分钟，目的是对衬底进行预处理，进一步去除表面的氧化层与杂质。
（6）预处理完成后，通入氯气，载气量为10-50sccm，时间为30分钟，进行Ga2O3外延生长。
（7）Ga2O3外延层生长完毕后，关闭氯气气路阀，停止加热，在氮气气氛下进行自然降温。
（8）待温度降至室温后，从管式炉内取出样品，获得以GaN为衬底的α-Ga2O3外延片，如图2所示。
实施例2：
一种采用卤化物气相外延法生长氧化镓外延膜的方法，步骤包括：
（1）以蓝宝石为衬底生长β-Ga2O3外延层。在外延生长开始前，将衬底片先后用丙酮和无水乙醇在90℃的水浴中加热20分钟，然后用超纯水进行超声清洗10分钟，以去除表面的有机和无机杂质。
（2）将（1）中的衬底片置于微分干涉显微镜下观察形貌，确认衬底片表面干净平整，无石蜡、附着颗粒、划痕、损伤的缺陷。
（3）将（2）中的衬底片水平放入基座上，送至卤化物气相外延管式炉的生长温区。
（4）封闭水平管式炉，抽取真空20分钟，用氮气反复冲洗腔体3-4次。设置管式炉内生长温区的温度为900-1100℃，氮气为载气，生长压力为100-500mbar。
（5）温度达到设定温度后，通入氧气，载气量为10-200sccm，时间为5-20分钟，目的是对衬底进行预处理，进一步去除表面的氧化层与杂质。
（6）预处理完成后，通入氯气，载气量为10-50sccm，时间为30分钟，进行Ga2O3外延生长。
（7）Ga2O3外延层生长完毕后，关闭氯气气路阀，停止加热，在氮气气氛下进行自然降温。
（8）待温度降至室温后，从管式炉内取出样品，获得以蓝宝石为衬底的β-Ga2O3外延片，如图3所示。
实施例3：
一种采用卤化物气相外延法生长氧化镓外延膜的方法，步骤包括：
（1）以β-Ga2O3单晶为衬底同质生长β-Ga2O3外延层。在外延生长开始前，将衬底片先后用丙酮和无水乙醇在90℃的水浴中加热20分钟，然后用超纯水进行超声清洗10分钟，以去除表面的有机和无机杂质。
（2）将（1）中的衬底片置于微分干涉显微镜下观察形貌，确认衬底片表面干净平整，无石蜡、附着颗粒、划痕、损伤的缺陷。
（3）将（2）中的衬底片水平放入基座上，送至卤化物气相外延管式炉的生长温区。
（4）封闭水平管式炉，抽取真空20分钟，用氮气反复冲洗腔体3-4次。设置管式炉内生长温区的温度为900-1100℃，氮气为载气，生长压力为100-500mbar。
（5）温度达到设定温度后，通入氧气，载气量为10-200sccm，时间为5-20分钟，目的是对衬底进行预处理，进一步去除表面的氧化层与杂质。
（6）预处理完成后，通入氯气，载气量为10-50sccm，时间为30分钟，进行Ga2O3外延生长。
（7）Ga2O3外延层生长完毕后，关闭氯气气路阀，停止加热，在氮气气氛下进行自然降温。
（8）待温度降至室温后，从管式炉内取出样品，获得以蓝宝石为衬底的β-Ga2O3外延片，如图4所示。

Claims (1)

1.一种采用卤化物气相外延法生长氧化镓外延层的方法，其特征在于，
选择蓝宝石、GaN或Ga2O3单晶为衬底，使用卤化物气相外延法生长Ga2O3外延层的工艺步骤如下：
a) 以蓝宝石、GaN单晶片或Ga2O3单晶为衬底片，在外延生长开始前，将衬底片先后用丙酮和无水乙醇在90℃的水浴中加热20分钟，然后用超纯水进行超声清洗10分钟；
b) 将a) 中的衬底片置于微分干涉显微镜下观察形貌，确认表面干净平整，无石蜡、附着颗粒、划痕、损伤的缺陷；
c) 将a) 中的衬底片放入基座上，送至卤化物气相外延管式炉的生长温区；
d）封闭水平管式炉，抽取真空20分钟，用氮气反复冲洗腔体3-4次，设置管式炉内生长温区的温度为450-1100℃，氮气为载气，生长压力为100-500mbar；
e)温度达到设定温度后，通入氧气，载气量为10-200sccm，时间为5-20分钟；
f)预处理完成后，通入氯气，载气量为10-50sccm，时间为30分钟，进行Ga2O3外延生长
g) Ga2O3外延层生长完毕后，关闭氯气气路阀，停止加热，在氮气气氛下进行自然降温；
h)待温度降至室温后，从管式炉内取出样品，分别获得以蓝宝石、GaN或Ga2O3单晶为衬底的Ga2O3外延片。
CN202110676534.6A 2021-06-18 2021-06-18 一种采用卤化物气相外延法生长氧化镓外延层的方法 Pending CN113394079A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110676534.6A CN113394079A (zh) 2021-06-18 2021-06-18 一种采用卤化物气相外延法生长氧化镓外延层的方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110676534.6A CN113394079A (zh) 2021-06-18 2021-06-18 一种采用卤化物气相外延法生长氧化镓外延层的方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN113394079A true CN113394079A (zh) 2021-09-14

Family

ID=77621849

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202110676534.6A Pending CN113394079A (zh) 2021-06-18 2021-06-18 一种采用卤化物气相外延法生长氧化镓外延层的方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN113394079A (zh)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106471163A (zh) * 2014-05-09 2017-03-01 株式会社田村制作所 半导体衬底、外延片及其制造方法
CN107574479A (zh) * 2017-08-14 2018-01-12 南京大学 一种多功能氢化物气相外延生长系统及应用
CN112420491A (zh) * 2020-11-20 2021-02-26 南京大学 氧化镓外延薄膜及生长氧化镓外延薄膜的方法

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106471163A (zh) * 2014-05-09 2017-03-01 株式会社田村制作所 半导体衬底、外延片及其制造方法
CN107574479A (zh) * 2017-08-14 2018-01-12 南京大学 一种多功能氢化物气相外延生长系统及应用
CN112420491A (zh) * 2020-11-20 2021-02-26 南京大学 氧化镓外延薄膜及生长氧化镓外延薄膜的方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
辛国庆: "氧化镓薄膜的卤化物气相外延法生长与表征", 《中国优秀博硕士学位论文全文数据库（硕士）信息科技辑》 *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN113235047B (zh) 一种AlN薄膜的制备方法
CN109065438B (zh) AlN薄膜的制备方法
JP4818754B2 (ja) 炭化珪素単結晶インゴットの製造方法
CN101515543B (zh) 在硅衬底上生长的氮化镓薄膜结构及其生长方法
CN111725072B (zh) 一种电子浓度稳定的高质量氧化镓薄膜及其制备方法
CN110911270B (zh) 一种高质量氧化镓薄膜及其同质外延生长方法
CN109585269A (zh) 一种利用二维晶体过渡层制备半导体单晶衬底的方法
CN112647130B (zh) 一种低压化学气相沉积生长氧化镓薄膜的方法
Zhang et al. Fast growth of high quality AlN films on sapphire using a dislocation filtering layer for ultraviolet light-emitting diodes
CN108428618A (zh) 基于石墨烯插入层结构的氮化镓生长方法
CN1694225A (zh) GaN/β－Ga2O3复合衬底的材料及其制备方法
Yao et al. State-of-the-Art and Prospective Progress of Growing AlN Substrates by Physical Vapor Transport
US6339014B1 (en) Method for growing nitride compound semiconductor
CN113394079A (zh) 一种采用卤化物气相外延法生长氧化镓外延层的方法
CN108330536B (zh) PA-MBE同质外延高质量GaN单晶薄膜的制备方法
CN114717657B (zh) 基于等离子体辅助激光分子束外延生长氧化镍单晶薄膜的方法
CN1327042C (zh) 利用氧化锌缓冲层生长单晶氧化锌薄膜的方法
CN101469448B (zh) 在蓝宝石上生长大尺寸高质量氧化锌单晶厚膜的方法
CN100349271C (zh) 在硅衬底上低温生长高结晶质量氧化锌薄膜的方法
CN112750689A (zh) 镓极性面氮化镓材料及同质外延生长方法
CN100415932C (zh) 利用缓冲层在硅衬底上生长氧化锌薄膜的方法
CN114108087B (zh) 一种正交相五氧化二钽单晶薄膜的制备方法
CN115558980B (zh) 一种加热与旋涂同步进行结合退火工艺制备氧化镓薄膜的方法
CN114141910B (zh) 一种蓝宝石衬底生长纯相Ga2O3薄膜的方法及日盲紫外探测器
CN115198358B (zh) 一种大尺寸hpht金刚石单晶片同质外延生长方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20210914

WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication