CN113471062A - Iii族氧化物薄膜制备方法及其外延片 - Google Patents
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Abstract
本公开提供一种III族氧化物薄膜制备方法及其外延片，方法包括：制备缓冲层(2)；在缓冲层(2)上外延III族氧化物薄膜(3)；其中，缓冲层(2)和III族氧化物薄膜(3)的晶格失配度小于10％，缓冲层(2)与III族氧化物薄膜(3)异质。通过在晶格互相匹配的缓冲层上外延III族氧化物薄膜，可以大大降低制备出的III族氧化物薄膜中的缺陷，获得质量优异的III族氧化物薄膜及器件。本公开的III族氧化物薄膜制备方法工艺兼容性强，原料成本低，适合对III族氧化物薄膜材料及器件的制备及推广应用。
Description
技术领域
本公开涉及半导体技术领域，尤其涉及一种III族氧化物薄膜制备方法及其外延片。
背景技术
Ga2O3是新一代超宽禁带半导体材料，在电力电子器件、微波器件和深紫外光电器件中有巨大的应用前景。目前高质量的Ga2O3外延生长主要依靠同质外延技术，而昂贵的单晶衬底阻碍了其大规模量产和应用。利用成本较低的蓝宝石和单晶硅等衬底进行异质外延，可以解决成本问题，但蓝宝石、单晶硅等异质衬底与Ga2O3之间存在较大的品格失配，导致Ga2O3外延薄膜中存在大量的缺陷，晶体质量难以提升。此外，蓝宝石衬底不导电，以及在单晶硅衬底上外延Ga2O3容易在界面处形成氧化硅绝缘层，影响器件导电性能，限制了外延薄膜在垂直器件上的应用。
发明内容
(一)要解决的技术问题
针对于现有的技术问题，本公开提供一种III族氧化物薄膜制备方法及其外延片，用于至少部分解决以上技术问题。
(二)技术方案
本公开提供一种III族氧化物薄膜制备方法，包括：制备缓冲层2；在缓冲层2上外延III族氧化物薄膜3；其中，缓冲层2和III族氧化物薄膜3的晶格失配度小于10％，缓冲层2与III族氧化物薄膜3异质。
可选地，制备缓冲层2包括：制备具有导电性的缓冲层2。
可选地，制备缓冲层2包括：制备氮化钛层或氮化镓层或碳化硅层或氧化锌层或氮化铝层或氧化镁层或氧化镍层作为缓冲层2。
可选地，制备缓冲层2包括：在衬底1上制备缓冲层2，其中，衬底1包括蓝宝石，单晶硅或金属衬底中的任意一种。
可选地，制备缓冲层2包括：采用单晶提拉法或沉积法制备缓冲层2。
可选地，在缓冲层2上外延III族氧化物薄膜3包括：在缓冲层2上外延α相，β相，ε相，κ相，δ相或γ相中任意一种晶相的III族氧化物薄膜3。
可选地，制备缓冲层2还包括：对衬底1进行清洗、烘烤或退火。
可选地，III族氧化物薄膜制备方法还包括：对缓冲层2进行退火；和/或，对III族氧化物薄膜3进行退火。
可选地，在缓冲层2上外延III族氧化物薄膜3包括：采用三甲基铝和/或三甲基镓和/或三甲基铟和/或三乙基铝和/或三乙基镓和/或三乙基铟和/或金属铝和/或金属Ga和/或金属In和/或硼酸三乙酯(TEB)，与氧气和/或水蒸气和/或一氧化二氮制备III族氧化物薄膜3，III族氧化物薄膜3包括铝镓氧薄膜(AlxGa1-x)2O3，铟镓氧薄膜(InyGa1-y)2O3，硼铝镓氧薄膜(BxAlyGa1-x-y)2O3或铟铝镓氧薄膜(InxAlyGa1-x-y)2O3，0≤x≤1，0≤y≤1。
本公开另一方面提供一种III族氧化物薄膜外延片，包括：缓冲层2和III族氧化物薄膜3；其中，缓冲层2和III族氧化物薄膜3的晶格匹配，缓冲层2与III族氧化物薄膜3异质。
(三)有益效果
本公开提供一种III族氧化物薄膜制备方法，缓冲层与III族氧化物薄膜的晶格常数非常接近，因而缓冲层与III族氧化物薄膜的晶格匹配，通过在缓冲层上外延III族氧化物薄膜，可以大大降低制备出的III族氧化物薄膜中的缺陷，获得质量优异的III族氧化物薄膜。
采用在具有导电性能的缓冲层上制备III族氧化物薄膜，在提升III族氧化物薄膜质量的同时，可以增加III族氧化物薄膜与衬底间的导电性，可以用于制备垂直器件，大大提升了III族氧化物薄膜外延片的可利用价值。
通过采用成本低廉的缓冲层材料，可以大大降低制备III族氧化物薄膜及其外延片的成本，增加了III族氧化物薄膜相关器件的可推广性。
附图说明
通过以下参照附图对本公开实施例的描述，本公开的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
图1示意性示出了根据本公开实施例的III族氧化物薄膜制备方法流程图；
图2示意性示出了根据本公开实施例的TiN(111)面的氮原子排列结构图；
图3示意性示出了根据本公开实施例的β-Ga2O3(-201)面的氧原子排列结构图；
图4示意性示出了根据本公开实施例的TiN与β-Ga2O3的晶格匹配关系图；
图5示意性示出了根据本公开另一实施例的III族氧化物薄膜制备方法流程图；
图6示意性示出了根据本公开实施例的又一III族氧化物薄膜制备方法流程图；
图7示意性示出了根据本公开实施例的III族氧化物薄膜外延片结构图；
图8示意性示出了根据本公开实施例的另一III族氧化物薄膜外延片结构图。
【附图标记说明】
1-衬底
2-缓冲层
3-III族氧化物薄膜
具体实施方式
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。
需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。说明书中示例的各个实施例中的技术特征在无冲突的前提下可以进行自由组合形成新的方案，另外每个权利要求可以单独作为一个实施例或者各个权利要求中的技术特征可以进行组合作为新的实施例，且在附图中，实施例的形状或是厚度可扩大，并以简化或是方便标示。再者，附图中未绘示或描述的元件或实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。
除非存在技术障碍或矛盾，本公开的上述各种实施方式可以自由组合以形成另外的实施例，这些另外的实施例均在本公开的保护范围中。
虽然结合附图对本公开进行了说明，但是附图中公开的实施例旨在对本公开优选实施方式进行示例性说明，而不能理解为对本公开的一种限制。附图中的尺寸比例仅仅是示意性的，并不能理解为对本公开的限制。
虽然本公开总体构思的一些实施例已被显示和说明，本领域普通技术人员将理解，在不背离本总体公开构思的原则和精神的情况下，可对这些实施例做出改变，本公开的范围以权利要求和它们的等同物限定。
图1示意性示出了根据本公开实施例的III族氧化物薄膜制备方法流程图。
根据本公开的实施例，如图1所示，III族氧化物薄膜制备方法例如包括：
S101，制备缓冲层2。
根据本公开的实施例，例如可以在衬底1上制备缓冲层2，其中，衬底1包括蓝宝石，单晶硅或金属衬底中的任意一种。缓冲层2的晶体取向与衬底1的晶体取向之间，存在特定的匹配关系，例如蓝宝石(0001)面和TiN(111)面，或者TiN(001)面和Si(001)面的晶向相互匹配。
S102，在缓冲层2上外延III族氧化物薄膜3，其中，缓冲层2和III族氧化物薄膜3的晶格匹配，例如晶格失配度小于10％，缓冲层2与III族氧化物薄膜3异质。
图2示意性示出了根据本公开实施例的TiN(111)面的氮原子排列结构图。
图3示意性示出了根据本公开实施例的β-Ga2O3(-201)面的氧原子排列结构图。
图4示意性示出了根据本公开实施例的TiN与β-Ga2O3的晶格匹配关系图。
根据本公开的实施例，缓冲层2的材料例如可以为氮化钛，氮化镓，碳化硅，氧化锌，氮化铝，氧化镁或氧化镍中的任意一种，III族氧化物例如为氧化镓，氧化镓薄膜的晶相例如可以为α相，β相，ε相，κ相，δ相或γ相中的任意一种。以氮化钛和β相氧化镓为例，如图2所示，TiN晶体结构为面心立方结构，其(111)面上N原子以正六边形排列，氮原子之间的距离约为
而如图3所示，β-Ga2O3(-201)面上O原子的排列也呈近似六边形，氧原子之间的平均距离约为
从图2中可以看出，β-Ga2O3(-201)面的氧原子排列的准六边形(虚线)，与氮原子排列的正六边形(实线)仅存在很小的晶格失配，即由于两者的晶格常数非常接近，两者晶格相互匹配。而如图4所示，也可以看出β-Ga2O3(-201)面的氧原子与TiN(111)面的氮原子排列高度对应。因而，TiN作为缓冲层，释放了氧化镓薄膜与衬底1之间的应力，位错在缓冲层2中慢慢消失，可以大大减少氧化镓薄膜中的缺陷，容易得到更高质量的Ga2O3薄膜。其中，在TiN上生长Ga2O3时，可以是TiN中的氮原子首先与镓原子连接开启生长，也可以是TiN中的钛原子首先与氧原子连接开启生长。另外，TiN晶体中，每个Ti原子中有一个电子离域在整个晶体中，形成类似金属中的自由电子，因而TiN的导电性能良好，可以提升氧化镓薄膜与衬底1之间的导电性。TiN还具有高强度、高硬度、耐高温、耐酸碱腐蚀和耐磨损等特性，可以用于高温的外延生长。
可以理解的是，本公开的缓冲层2并不限于氮化钛，氧化镓并不限于β相氧化镓，衬底和缓冲层、缓冲层和外延层之间可以有多种晶格匹配关系的组合，因此通过不同衬底和缓冲层的组合，可以得到不同取向或者不同晶相的Ga2O3薄膜。缓冲层2也可以为氮化镓，碳化硅或氧化锌，氮化镓(GaN)与Ga2O3的晶格失配小于Si与Ga2O3的晶格失配，例如GaN(0001)与α-Ga2O3(0001)和ε-Ga2O3(0001)的晶格失配较小，可以将GaN作为Si衬底上外延生长Ga2O3的缓冲层。碳化硅(SiC)与Ga2O3的晶格失配小于Si与Ga2O3的晶格失配，例如4H-SiC(0001)与α-Ga2O3(0001)和ε-Ga2O3(0001)的晶格失配较小，可以将SiC作为Si衬底上外延生长Ga2O3的缓冲层。氧化锌(ZnO)与Ga2O3的晶格失配小于Si与Ga2O3的晶格失配，例如ZnO(0001)与α-Ga2O3(0001)和ε-Ga2O3(0001)的晶格失配较小，可以将ZnO作为Si衬底上外延生长Ga2O3的缓冲层。同理，根据晶格匹配关系还可以将氮化铝(AlN)、氧化镁(MgO)、氧化镍(NiO)等材料作为缓冲层。
图5示意性示出了根据本公开实施例的另一III族氧化物薄膜制备方法流程图。
根据本公开的实施例，为了去掉有机物或者消除缺陷来提高各层材料的质量，需要在得到或制备各层材料后，对其进行烘烤或退火，如图5所示，III族氧化物薄膜制备方法例如包括：
S501，对衬底1进行清洗、烘烤或退火。
S502，在衬底1上沉积TiN薄膜。
S503，对TiN薄膜进行高温退火。
S504，在TiN薄膜上外延生长Ga2O3薄膜。
S505，对Ga2O3薄膜进行高温退火。
图6示意性示出了根据本公开实施例的又一III族氧化物薄膜制备方法流程图。
根据本公开的实施例，可以选用蓝宝石和单晶硅等衬底，也可以把TiN直接作为衬底，即不需要额外沉积TiN薄膜，利用例如单晶提拉法制备TiN后，直接在TiN上外延生长Ga2O3薄膜。如图6所示，III族氧化物薄膜制备方法例如包括：
S601，采用单晶提拉法制备缓冲层2。
S602，在缓冲层2上外延III族氧化物薄膜3，其中，缓冲层2和III族氧化物薄膜3的晶格匹配，缓冲层2与III族氧化物薄膜3异质。
为便于相关技术人员更清楚地理解本公开，以下从具体实施例的角度进一步对本公开的技术方案加以说明。
步骤1，对衬底(1)进行高温烘烤，去除衬底(1)上可能存在的有机污染物。处理时间例如为1～60min，温度为500～1000℃，所通气体例如为高纯氮气(N2)和氧气(O2)混合气体，流速例如为100～1000sccm。
步骤2，在烘烤后的洁净衬底(1)上，例如通过磁控溅射等方法沉积TiN薄膜。或者，也可以先沉积TiO2薄膜，然后在NH3气氛下进行氨化反应得到一层TiN薄膜。TiN薄膜的厚度例如为1～1000nm，优选为100nm，具体本公开不做限制。
可以理解的是，TiN的合成可以有多种方法，包括但不限于：在衬底上直接磁控溅射TiN薄膜。以及在衬底上先溅射Ti金属薄膜或TiO2薄膜再进行氮化或氨化。或者，利用分子束外延(MBE)、原子层沉积(ALD)等方法生长得到TiN薄膜。TiN直接作为衬底时，还可以利用单晶提拉法制备TiN。
步骤3，对沉积好的TiN薄膜进行高温退火，以提高其结晶性。退火温度例如为500～1500℃，时间例如为1～300min，退火在N2和/或O2和/或Ar气氛下进行。
步骤4，退火结束后，开始生长Ga2O3薄膜。镓源例如选用包括但不限于三甲基镓(TMGa)，三乙基镓(TEGa)或者Ga金属等，氧源例如选用含氧物质包括但不限于高纯氧气或水蒸气等。生长温度例如为500～1000℃，生长压力例如为10～760Torr。Ga2O3薄膜的厚度例如为0.1～10μm，优选为1μm，具体本公开不做限制。不同的Ga2O3薄膜的生长速率可以通过调整源的流量、生长温度和生长压力等因素调控，Ga2O3薄膜的厚度可以通过调整生长速率和生长时间来控制。
可以理解的是，在TiN上外延生长Ga2O3也可以有多种方法，包括但不限于化学气相沉积(CVD)、金属有机化学气相沉积(MOCVD)、低压化学气相沉积(LPCVD)、分子数外延(MBE)和原子层沉积(ALD)等。
图7示意性示出了根据本公开实施例的III族氧化物薄膜外延片结构图。
本公开另一方面提供一种III族氧化物薄膜外延片，如图7所示，III族氧化物薄膜外延片例如包括：衬底1，缓冲层2和III族氧化物薄膜3。其中，缓冲层2和III族氧化物薄膜3的晶格匹配，缓冲层2与III族氧化物薄膜3异质。
图8示意性示出了根据本公开实施例的另一III族氧化物薄膜外延片结构图。
根据本公开的实施例，如图8所示，III族氧化物薄膜外延片例如包括：缓冲层2(相当于衬底)和III族氧化物薄膜3。
产品实施例部分未尽细节之处与方法实施例部分类似，请参见方法实施例部分，此处不再赘述。
综上所述，本公开实施例提出一种III族氧化物薄膜制备方法。通过在晶格互相匹配的缓冲层上外延III族氧化物薄膜，可以大大降低制备出的III族氧化物薄膜中的缺陷，获得质量优异的III族氧化物薄膜及器件。本公开的III族氧化物薄膜制备方法工艺兼容性强，原料成本低，适合对III族氧化物薄膜材料及器件的制备及推广应用。
应该明白，公开的过程中的步骤的特定顺序或层次是示例性方法的实例。基于设计偏好，应该理解，过程中的步骤的特定顺序或层次可以在不脱离本公开的保护范围的情况下得到重新安排。所附的方法权利要求以示例性的顺序给出了各种步骤的要素，并且不是要限于的特定顺序或层次。
还需要说明的是，实施例中提到的方向术语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。可能导致本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。并且图中各部件的形状、尺寸、位置关系不反映真实大小、比例和实际位置关系。
在上述的详细描述中，各种特征一起组合在单个的实施方案中，以简化本公开。不应该将这种公开方法解释为反映了这样的意图，即，所要求保护的主题的实施方案需要比清楚地在每个权利要求中所陈述的特征更多的特征。相反，如所附的权利要求书所反映的那样，本公开处于比所公开的单个实施方案的全部特征少的状态。因此，所附的权利要求书特此清楚地被并入详细描述中，其中每项权利要求独自作为本公开单独的优选实施方案。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。因此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本公开的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个、三个等，除非另有明确具体的限定。就说明书或权利要求书中使用的术语“包含”，该词的涵盖方式类似于术语“包括”，就如同“包括，”在权利要求中用作衔接词所解释的那样。使用在权利要求书的说明书中的任何一个术语“或者”是要表示“非排它性的或者”。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种IⅡ族氧化物薄膜制备方法，其特征在于，包括：
制备缓冲层(2)；
在所述缓冲层(2)上外延IⅡ族氧化物薄膜(3)；
其中，所述缓冲层(2)和所述IⅡ族氧化物薄膜(3)的晶格失配度小于10％，所述缓冲层(2)与所述IⅡ族氧化物薄膜(3)异质。
2.根据权利要求1所述的IⅡ族氧化物薄膜制备方法，其特征在于，所述制备缓冲层(2)包括：
制备具有导电性的所述缓冲层(2)。
3.根据权利要求1所述的IⅡ族氧化物薄膜制备方法，其特征在于，所述制备缓冲层(2)包括：
制备氮化钛层或氮化镓层或碳化硅层或氧化锌层或氮化铝层或氧化镁层或氧化镍层作为所述缓冲层(2)。
4.根据权利要求1所述的III族氧化物薄膜制备方法，其特征在于，所述制备缓冲层(2)包括：
在衬底(1)上制备所述缓冲层(2)，其中，所述衬底(1)包括蓝宝石，单晶硅或金属衬底中的任意一种。
5.根据权利要求1所述的IⅡ族氧化物薄膜制备方法，其特征在于，所述制备缓冲层(2)包括：
采用单晶提拉法或沉积法制备所述缓冲层(2)。
6.根据权利要求1所述的IⅡ族氧化物薄膜制备方法，其特征在于，所述在缓冲层(2)上外延IⅡ族氧化物薄膜(3)包括：
在所述缓冲层(2)上外延α相，β相，ε相，κ相，δ相或γ相中任意一种晶相的所述IⅡ族氧化物薄膜(3)。
7.根据权利要求4所述的IⅡ族氧化物薄膜制备方法，其特征在于，所述制备缓冲层(2)还包括：
对所述衬底(1)进行清洗、烘烤或退火。
8.根据权利要求1所述的IⅡ族氧化物薄膜制备方法，其特征在于，所述IⅡ族氧化物薄膜制备方法还包括：
对所述缓冲层(2)进行退火；
和/或，
对所述IⅡ族氧化物薄膜(3)进行退火。
9.根据权利要求1所述的IⅡ族氧化物薄膜制备方法，其特征在于，所述在缓冲层(2)上外延IⅡ族氧化物薄膜(3)包括：
采用三甲基铝和/或三甲基镓和/或三甲基铟和/或三乙基铝和/或三乙基镓和/或三乙基铟和/或金属铝和/或金属Ga和/或金属In和/或硼酸三乙酯(TEB)，与氧气和/或水蒸气和/或一氧化二氮制备所述IⅡ族氧化物薄膜(3)，所述III族氧化物薄膜(3)包括铝镓氧薄膜(AlxGa1-x)2O3，铟镓氧薄膜(InyGa1-y)2O3，硼铝镓氧薄膜(BxAlyGa1-x-y)2O3或铟铝镓氧薄膜(InxAlyGa1-x-y)2O3，0≤x≤1，0≤y≤1。
10.一种IⅡ族氧化物薄膜外延片，其特征在于，包括：
缓冲层(2)和III族氧化物薄膜(3)；
其中，所述缓冲层(2)和所述IⅡ族氧化物薄膜(3)的晶格匹配，所述缓冲层(2)与所述III族氧化物薄膜(3)异质。
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