CN113517174B - 一种ε-Ga2O3薄膜的制备方法及ε-Ga2O3薄膜 - Google Patents

一种ε-Ga2O3薄膜的制备方法及ε-Ga2O3薄膜 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种ε‑Ga2O3薄膜的制备方法及ε‑Ga2O3薄膜，该方法包括：对β‑Ga2O3衬底进行清洗；对清洗后的β‑Ga2O3衬底进行退火处理；在β‑Ga2O3衬底上生长β/ε‑Ga2O3缓冲层；其中，β/ε‑Ga2O3缓冲层为β‑Ga2O3与ε‑Ga2O3的混合晶相薄膜；在β/ε‑Ga2O3缓冲层上生长ε‑Ga2O3层，以得到ε‑Ga2O3薄膜。本发明在ε‑Ga2O3薄膜的生长过程中，通过合理调整生长温度，在衬底与外延薄膜之间形成一层β/ε‑Ga2O3缓冲层，该缓冲层既连接了β‑Ga2O3衬底，又连接了ε‑Ga2O3薄膜，实现了从β‑Ga2O3衬底到ε‑Ga2O3薄膜的连续过渡，减小了晶格失配以及外延薄膜中的位错密度，提高了表面平整度，进而提升了ε‑Ga2O3薄膜的质量。

Description

一种ε-Ga2O3薄膜的制备方法及ε-Ga2O3薄膜
技术领域
本发明属于微电子技术领域，具体涉及一种ε-Ga2O3薄膜的制备方法及ε-Ga2O3薄膜。
背景技术
随着半导体器件应用在越来越多的技术领域，传统硅基等窄禁带半导体材料遭遇到了诸多挑战，其中击穿电压难以满足要求日益增长的需求，成为影响进一步提升器件性能的关键因素之一。作为第三代半导体材料，Ga2O3的禁带宽度接近5eV，因而它的击穿电压远远大于Si材料。
Ga2O3半导体材料有5种不同的结构，分别是α-，β-，γ-，δ-，ε-。最稳定的Ga2O3结构为β-Ga2O3，其他结构的Ga2O3可以通过改变条件转化为β-Ga2O3。其中，亚稳相的ε-Ga2O3因其具有沿c轴的非反转对称性和铁电特性，而在高电子迁移率晶体管(HEMTs)与铁电器件的研究中逐渐引起了很大的关注。然而，材料质量极大地影响器件的性能，并且薄膜表面的粗糙度也会降低电子迁移率，因此，为了提高器件的特性，就需要进一步提高外延薄膜的生长质量。
目前，由于ε-Ga2O3单晶衬底无法制备，现有的关于Ga2O3外延薄膜主要在β-Ga2O3单晶衬底上进行。然而由于β-Ga2O3与ε-Ga2O3单晶结构存在差异，使得两者之间存在晶格失配，这就导致直接在β-Ga2O3单晶衬底上淀积ε-Ga2O3薄膜无法达到像淀积β-Ga2O3薄膜同样的效果，从而影响ε-Ga2O3外延薄膜的质量。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种ε-Ga2O3薄膜的制备方法及ε-Ga2O3薄膜。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
一种ε-Ga2O3薄膜的制备方法，包括：
对β-Ga2O3衬底进行清洗；
对清洗后的β-Ga2O3衬底进行退火处理；
在所述β-Ga2O3衬底上生长β/ε-Ga2O3缓冲层；其中，所述β/ε-Ga2O3缓冲层为β-Ga2O3与ε-Ga2O3的混合晶相薄膜；
在所述β/ε-Ga2O3缓冲层上生长ε-Ga2O3层，以得到ε-Ga2O3薄膜。
在本发明的一个实施例中，所述对β-Ga2O3衬底进行清洗包括：
对所述β-Ga2O3衬底依次进行有机清洗和去离子水清洗；
将清洗过后的β-Ga2O3衬底置于HF含量为30％的溶液中腐蚀一定时间，然后用去离子水清洗干净并用氮气吹干。
在本发明的一个实施例中，所述对清洗后的β-Ga2O3衬底进行退火处理包括：
将清洗后的β-Ga2O3衬底放入低压MOCVD反应室中，设置氧气流量为2000-2200sccm，氮气流量为900-1100sccm，压力为38-42Torr，温度为900-950℃；
在上述工艺条件下对所述β-Ga2O3衬底热退火15-30min。
在本发明的一个实施例中，在所述β-Ga2O3衬底上生长β/ε-Ga2O3缓冲层包括：
在对β-Ga2O3衬底进行退火处理后，开启Ga源流量，并按照第一预设温度在所述β-Ga2O3衬底上形成一层薄的β/ε相共存Ga2O3的缓冲层；其中，生长时间为3-5min。
在本发明的一个实施例中，所述Ga源为TEGa，其流量为45-50sccm。
在本发明的一个实施例中，所述第一预设温度为430-470℃。
在本发明的一个实施例中，所述β/ε-Ga2O3缓冲层的厚度为50-100nm。
在本发明的一个实施例中，在所述β/ε-Ga2O3缓冲层上生长ε-Ga2O3层包括：
关闭所述Ga源流量，保持其他生长参数不变，将生长温度调整为第二预设温度；
打开所述Ga源流量为45-50sccm，继续生长50-60min，以在所述的β/ε-Ga2O3缓冲层上形成ε-Ga2O3层。
在本发明的一个实施例中，所述第二预设温度为380-400℃。
本发明的另一个实施例还提供了一种ε-Ga2O3薄膜，自下而上依次包括：β-Ga2O3衬底、β/ε-Ga2O3缓冲层以及ε-Ga2O3层，其中，所述β/ε-Ga2O3缓冲层为β-Ga2O3与ε-Ga2O3的混合晶相薄膜，所述ε-Ga2O3薄膜由上述实施例所述的方法制备得到。
本发明的有益效果：
本发明在ε-Ga2O3薄膜的生长过程中，通过合理调整生长温度，在衬底与外延薄膜之间形成一层β/ε-Ga2O3缓冲层，该缓冲层既连接了β-Ga2O3衬底，又连接了ε-Ga2O3薄膜，实现了从β-Ga2O3衬底到ε-Ga2O3薄膜的连续过渡，减小了晶格失配以及外延薄膜中的位错密度，提高了表面平整度，进而提升了ε-Ga2O3薄膜的质量。
以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种ε-Ga2O3薄膜的制备方法示意图；
图2a-2c是本发明实施例提供的一种ε-Ga2O3薄膜的生长过程示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例一
请参见图1，图1是本发明实施例提供的一种ε-Ga2O3薄膜的制备方法示意图，包括以下步骤：
S1：对β-Ga2O3衬底进行清洗。
在本实施例中，采用RCA标准清洗法对β-Ga2O3衬底进行清洗。具体包括：
S11：对β-Ga2O3衬底依次进行有机清洗和去离子水清洗。
首先，对β-Ga2O3衬底进行抛光处理，然后将抛光后的β-Ga2O3衬底放入60-80℃的有机清洗液中清洗15-20min，以去除衬底表面的有机沾污；最后，将有机清洗后的衬底使用流动的去离子水清洗40-60s。
S12：清洗过后的β-Ga2O3衬底置于HF含量为30％的溶液中腐蚀一定时间，然后用去离子水清洗干净并用高纯氮气吹干。其中，腐蚀时间为45-60s。
S2：对清洗后的β-Ga2O3衬底进行退火处理。
具体地，将清洗后的β-Ga2O3衬底放入低压MOCVD反应室中，设置氧气流量为2000-2200sccm，氮气流量为900-1100sccm，压力为38-42Torr，温度为900-950℃。
在上述工艺条件下对β-Ga2O3衬底热退火15-30min，以使衬底表面钝化。
在本实施例中，对衬底进行标准清洗和酸腐蚀处理之后，可以有效地去除衬底表面的杂质和有机沾污。然而，HF酸处理会使得衬底表面出现一些暴露出的晶粒和微型的腐蚀坑，这些表面缺陷会明显地增大衬底表面的起伏程度，提高了表面粗糙度，不利于接下来的外延生长。而且在之后的外延生长阶段，为了控制缓冲层和外延薄膜的晶相，必须使得反应室温度保持在一个相对较低的数值，这就很难在反应室升温阶段有效地对衬底表面实现慢退火处理，因此在外延缓冲层之前需要对衬底进行高温热退火处理。高温热退火一方面可以实现衬底表面原子的重新分布，使得表面原子重新迁移到合适的位置，有利于减少衬底表面凸起的晶粒和微型腐蚀坑，提高了衬底表面的平整度；另一方面在氧气氛围中进行高温热退火可以有效地钝化衬底表面，减少表面原子的悬挂键，进一步降低衬底表面的缺陷。
S3：在β-Ga2O3衬底上生长β/ε-Ga2O3缓冲层；其中，β/ε-Ga2O3缓冲层为β-Ga2O3与ε-Ga2O3的混合晶相薄膜。
Ga2O3半导体材料有5种不同的结构，分别是α-，β-，γ-，δ-，ε-。其中β-Ga2O3为单斜晶系结构，ε-Ga2O3为六方晶系结构。Ga2O3薄膜可以以单晶相的形式存在，也可以以多晶相的形式存在。比如β/ε-Ga2O3缓冲层就是薄膜中同时存在β-Ga2O3成分和ε-Ga2O3成分，因此这种薄膜的晶体结构也是介于单斜晶系与六方晶系之间。由于衬底为单斜晶系的β-Ga2O3单晶相，外延薄膜为六方晶系的ε-Ga2O3单晶相，因此β/ε-Ga2O3缓冲层实现了晶格结构由单斜晶系到六方晶系的衔接过渡，减小了晶格失配。
优选的，本实施例采用MOCVD工艺制备β/ε-Ga2O3缓冲层。
具体地，在对β-Ga2O3衬底进行退火处理后，开启Ga源流量，并按照第一预设温度在β-Ga2O3衬底上形成一层薄的β/ε相共存Ga2O3的缓冲层；其中，生长时间为3-5min。
目前广泛用于Ga源的有机源主要包括TEGa和TMGa这两种，而TMGa需要稳定在温度近零下的水浴中才能保持合适的蒸汽压，而TEGa只需要保持在近室温的水浴中。并且TEGa相比于TMGa具有较慢的反应速率，这就极其有效地降低了有机源与O2到达衬底表面的预反应，有利于原子在衬底表面的迁移，减少了副产物的产生。因此，本实施例优选TEGa作为Ga源生长β/ε-Ga2O3缓冲层。
具体地，可设置Ga源TEGa的流量为45-50sccm。
需要说明的是，在Ga2O3薄膜的同分异构体中，最稳定的结构为β-Ga2O3，亚稳定的结构为ε-Ga2O3，在不同的生长条件下可以得到不同结构的Ga2O3薄膜，并且ε-Ga2O3以及其余的同分异构体都可以在合适的条件下转化成为β-Ga2O3。然而，亚稳定结构的ε-Ga2O3薄膜相比于β-Ga2O3的生长条件要苛刻的多，其生长温度明显较小且生长温度区间也很窄。生长压力也会改变薄膜的成核形式，即使生长温度较低在较高的生长压力下也更容易获得β-Ga2O3。因此，合理地调控生长温度和生长压力才能有效地控制Ga2O3薄膜的晶相。必须选择合适的生长温度和生长压力，才能使得外延薄膜同时包含β-Ga2O3和ε-Ga2O3成分。
因此，本实施例设置第一预设温度为430-470℃，便可在β-Ga2O3衬底上形成高质量、低位错密度的β/ε相共存的Ga2O3薄膜。
进一步地，可通过设置工艺参数以使β/ε-Ga2O3缓冲层的厚度为50-100nm，从而更方便后续形成高质量的外延ε-Ga2O3层。
S4：在β/ε-Ga2O3缓冲层上生长ε-Ga2O3层，以得到ε-Ga2O3薄膜。
首选，在步骤S3形成β/ε-Ga2O3缓冲层后，关闭Ga源流量，并保持其他生长参数不变，将生长温度调整为第二预设温度。
然后，打开Ga源流量为45-50sccm，继续生长50-60min，以在的β/ε-Ga2O3缓冲层上形成ε-Ga2O3层。
在本实施例中，设置第二预设温度为380-400℃以保证能够在的β/ε-Ga2O3缓冲层上形成高质量的ε-Ga2O3层。
本发明在ε-Ga2O3薄膜的生长过程中，通过调整生长温度在衬底与外延薄膜之间形成一层β/ε-Ga2O3缓冲层，该缓冲层既连接了β-Ga2O3衬底，又连接了ε-Ga2O3薄膜，实现了从β-Ga2O3衬底到ε-Ga2O3薄膜的连续过渡，减小了晶格失配以及外延薄膜中的位错密度，提高了表面平整度，进而提升了ε-Ga2O3薄膜的质量。
实施例二
下面以在400℃的生长温度下制备β/ε-Ga2O3缓冲层厚度为80nm的ε-Ga2O3薄膜为例，对本发明的制备方法进行详细说明。
请参见图2a-2c，图2a-2c是本发明实施例提供的一种ε-Ga2O3薄膜的生长过程示意图，具体包括：
步骤1：选取单晶β-Ga2O3作为衬底材料，如图2a所示，然后对其进行抛光和标准化清洗；具体包括：
1a)将抛光的β-Ga2O3衬底放入80℃的有机清洗液中清洗20min；
1b)将有机清洗后的衬底使用流动的去离子水清洗40s；
1c)将清洗干净后的衬底放入HF含量为30％的溶液中腐蚀60s；
1d)将腐蚀后的β-Ga2O3衬底用流动的去离子水清洗60s，并用高纯氮气吹干。
步骤2：对β-Ga2O3衬底进行热退火处理。
具体地，将清洗后的衬底放入低压MOCVD反应室中，设置反应室温度为900℃，O2流量为2100sccm，N2流量为1000sccm，热退火处理15min。
步骤3：以TEGa为Ga源，在β-Ga2O3衬底上外延生长β/ε-Ga2O3缓冲层，如图2b所示。
具体地，设置反应室温度为450℃，生长压力为40Torr，TEGa流量为50sccm，O2流量为2100sccm，在衬底上外延生长5min，以形成80nm厚的β/ε-Ga2O3薄膜。
步骤4：继续以TEGa为Ga源，在β/ε-Ga2O3薄膜表面外延生长ε-Ga2O3层，如图2c所示。
具体地，首先保持其他的生长参数不改变，关闭Ga源流量，将生长温度降低为400℃。
然后，保持其他的生长参数不改变，打开Ga源流量，继续外延生长60min的ε-Ga2O3层。
至此，完成ε-Ga2O3薄膜的制备。
实施例三
在上述实施例一的基础上，本实施例提供了一种ε-Ga2O3薄膜，其自下而上依次包括：β-Ga2O3衬底、β/ε-Ga2O3缓冲层以及ε-Ga2O3层，如图2c所示，其中，β/ε-Ga2O3缓冲层为β-Ga2O3与ε-Ga2O3的混合晶相薄膜，ε-Ga2O3薄膜由上述实施例一提供的方法制备得到。
本实施例提供的ε-Ga2O3薄膜通过β/ε-Ga2O3缓冲层实现了从β-Ga2O3衬底到ε-Ga2O3薄膜的连续过渡，减小了晶格失配以及外延薄膜中的位错密度，提高了表面平整度，进而提升了ε-Ga2O3薄膜的质量，可以广泛应用于制备半导体器件。
需要说明的是，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，而是在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种ε-Ga2O3薄膜的制备方法，其特征在于，包括：
对β-Ga2O3衬底进行清洗；
所述对β-Ga2O3衬底进行清洗包括：
对所述β-Ga2O3衬底依次进行有机清洗和去离子水清洗；
将清洗过后的β-Ga2O3衬底置于HF含量为30％的溶液中腐蚀一定时间，然后用去离子水清洗干净并用氮气吹干；
对清洗后的β-Ga2O3衬底进行退火处理；
所述对清洗后的β-Ga2O3衬底进行退火处理包括：
将清洗后的β-Ga2O3衬底放入低压MOCVD反应室中，设置氧气流量为2000-2200sccm，氮气流量为900-1100sccm，压力为38-42Torr，温度为900-950℃；
在温度为900-950℃下对所述β-Ga2O3衬底热退火15-30min；
在所述β-Ga2O3衬底上生长β/ε-Ga2O3缓冲层；其中，所述β/ε-Ga2O3缓冲层为β-Ga2O3与ε-Ga2O3的混合晶相薄膜；
在所述β/ε-Ga2O3缓冲层上生长ε-Ga2O3层，以得到ε-Ga2O3薄膜；
所述β-Ga2O3衬底上生长β/ε-Ga2O3缓冲层包括：
在对β-Ga2O3衬底进行退火处理后，开启Ga源流量，并按照第一预设温度在所述β-Ga2O3衬底上形成一层薄的β/ε相共存Ga2O3的缓冲层；其中，生长时间为3-5min；
所述第一预设温度为430-470℃。
2.根据权利要求1所述的ε-Ga2O3薄膜的制备方法，其特征在于，所述Ga源为TEGa，其流量为45-50sccm。
3.根据权利要求1所述的ε-Ga2O3薄膜的制备方法，其特征在于，所述β/ε-Ga2O3缓冲层的厚度为50-100nm。
4.根据权利要求1所述的ε-Ga2O3薄膜的制备方法，其特征在于，在所述β/ε-Ga2O3缓冲层上生长ε-Ga2O3层包括：
关闭所述Ga源流量，保持其他生长参数不变，将生长温度调整为第二预设温度；
打开所述Ga源流量为45-50sccm，继续生长50-60min，以在所述的β/ε-Ga2O3缓冲层上形成ε-Ga2O3层。
5.根据权利要求4所述的ε-Ga2O3薄膜的制备方法，其特征在于，所述第二预设温度为380-400℃。
6.一种ε-Ga2O3薄膜，其特征在于，自下而上依次包括：β-Ga2O3衬底、β/ε-Ga2O3缓冲层以及ε-Ga2O3层，其中，所述β/ε-Ga2O3缓冲层为β-Ga2O3与ε-Ga2O3的混合晶相薄膜，所述ε-Ga2O3薄膜由权利要求1-5任一项所述的方法制备得到。
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