CN114141910A - 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 - Google Patents

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 Download PDF

Info

Publication number
CN114141910A
CN114141910A CN202111426791.0A CN202111426791A CN114141910A CN 114141910 A CN114141910 A CN 114141910A CN 202111426791 A CN202111426791 A CN 202111426791A CN 114141910 A CN114141910 A CN 114141910A
Authority
CN
China
Prior art keywords
film
substrate
sapphire
phase
pure
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.)
Granted
Application number
CN202111426791.0A
Other languages
English (en)
Other versions
CN114141910B (zh
Inventor
孟冬冬
葛坤鹏
陈旭
陈政委
赵德刚
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.)
Henan Ming Gallium Semiconductor Co ltd
Original Assignee
Beijing Mingga Semiconductor Co ltd
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 Beijing Mingga Semiconductor Co ltd filed Critical Beijing Mingga Semiconductor Co ltd
Priority to CN202111426791.0A priority Critical patent/CN114141910B/zh
Publication of CN114141910A publication Critical patent/CN114141910A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN114141910B publication Critical patent/CN114141910B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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
    • H01L21/02367—Substrates
    • H01L21/0237—Materials
    • H01L21/0242—Crystalline insulating materials
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/06—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the coating material
    • C23C14/08—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
    • H01L21/02367—Substrates
    • H01L21/02433—Crystal orientation
    • 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
    • H01L21/02518—Deposited layers
    • H01L21/02521—Materials
    • H01L21/02565—Oxide semiconducting materials not being Group 12/16 materials, e.g. ternary compounds
    • 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
    • H01L21/02518—Deposited layers
    • H01L21/02609—Crystal orientation
    • 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
    • H01L21/02631—Physical deposition at reduced pressure, e.g. MBE, sputtering, evaporation
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/0248—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies
    • H01L31/0256—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by the material
    • H01L31/0264—Inorganic materials
    • H01L31/032—Inorganic materials including, apart from doping materials or other impurities, only compounds not provided for in groups H01L31/0272 - H01L31/0312
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/08—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors
    • H01L31/09—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/18—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Physical Vapour Deposition (AREA)
  • Physical Deposition Of Substances That Are Components Of Semiconductor Devices (AREA)
  • Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)

Abstract

本申请涉及半导体材料的技术领域，具体公开了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，该方法包括以下步骤：通过磁控溅射方法在蓝宝石衬底上沉积得到纯相Ga2O3薄膜，磁控溅射参数为：衬底温度为500‑800℃，所述蓝宝石衬底选用（0006）、（30
Figure 604425DEST_PATH_IMAGE001
0）、（01
Figure 576798DEST_PATH_IMAGE002
2）取向的蓝宝石晶片中的任意一种或几种；本申请中公开的日盲紫外探测器包括所述的蓝宝石衬底及其表面外延生长的纯相Ga2O3薄膜。本申请具有可以在蓝宝石衬底上长成纯相Ga2O3薄膜，满足器件需求的特点。

Description

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
技术领域
本申请涉及半导体材料的技术领域，更具体地说，它涉及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。
背景技术
日盲紫外探测器不受太阳光背景的影响，可以实现全天候工作，具有灵敏度高、虚警率低等特点。基于宽禁带半导体材料的紫外光探测器件的优点主要体现在体积小、重量轻、增益高、响应快、噪声低、耐冲击、抗振动以及不受磁场影响等，特别适用于装备集成。
要实现日盲紫外光的探测，要求器件的核心半导体材料的禁带宽度要大于4.4 eV(对应探测波长280 nm)。但是目前基于SiC、GaN和ZnO的宽禁带半导体紫外探测器都无法实现日盲探测，容易被太阳光所干扰，对弱信号的处理能力比较弱。而氧化镓（Ga2O3）的禁带宽度为4.9-5.3eV，比传统的半导体材料的禁带宽度（Si:1.1 eV，InP:1.3 eV，SiC:3.2 eV，GaN:3.4 eV）更宽，正处于日盲探测区域而备受关注。
众所周知，氧化镓有五种晶体结构：α, β, γ, ε和δ，当然近年来，有研究者发现了一种“变形六边结构”的过渡相，称之为κ相。在这些晶体结构中，β-Ga2O3最受关注，研究也最多，在生物测试、臭氧空洞监测、航天航空等探测器件以及高功率、高耐压器件方面有广泛的应用。另一种受关注的晶型是热力学亚稳相α-Ga2O3。
α-Ga2O3薄膜的生长方法主要有mist-CVD、低压CVD、卤化物气相外延法和分子束外延法。但是基于上述技术生长的Ga2O3薄膜材料中往往包含其他晶型或扭曲的结构，因此均是多晶或非纯相晶体。
尽管在外延薄膜和衬底之间事先插入缓冲层α-Fe2O3后，可在缓冲层的基层上生长纯相的α-Ga2O3薄膜，但是缓冲层的生长厚度很难控制，而且生长条件与α-Ga2O3也不相同，如果是在同一反应腔同时完成缓冲层的生长，还会对靶材造成污染。
相对而言，在蓝宝石衬底上直接外延生长纯相α-Ga2O3薄膜的研究对于本领域具有重要的意义，但是由于α-Ga2O3为热力学亚稳相，在一定条件下会转化成β相的晶体等原因，导致当前蓝宝石衬底上虽然成功长成了α-Ga2O3薄膜，但多为混合相结构，纯度很低，难以满足器件的研发需求。
发明内容
为了在蓝宝石衬底上长成纯相Ga2O3薄膜，满足器件需求，本申请提供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。
第一方面，本申请提供的一种蓝宝石衬底生长纯相Ga2O3薄膜的方法，采用如下的技术方案：
一种蓝宝石衬底生长纯相Ga2O3薄膜的方法，通过磁控溅射方法在蓝宝石衬底上沉积得到纯相Ga2O3薄膜，磁控溅射参数为：衬底温度为500-800℃，所述蓝宝石衬底选用（0006）、（30
Figure DEST_PATH_IMAGE001
0）、（01
Figure 900289DEST_PATH_IMAGE002
2）取向的蓝宝石晶片中的任意一种或几种。
通过采用上述技术方案，选用（0006）、（30
Figure 113095DEST_PATH_IMAGE001
0）、（01
Figure 163091DEST_PATH_IMAGE002
2）取向的蓝宝石晶片作为衬底，通过磁控溅射方法，再配合对于衬底温度的控制，使得选用上述取向的蓝宝石晶片上最终分别生长出纯相的Ga2O3薄膜，得到高纯度Ga2O3薄膜。
可选的，当磁控溅射的衬底温度为650-800℃、蓝宝石的（0006）面作为衬底时，蓝宝石衬底上外延生长（
Figure DEST_PATH_IMAGE003
01）取向的纯相β-Ga2O3薄膜。
可选的，当磁控溅射的衬底温度为500-800℃、蓝宝石的（30
Figure 435940DEST_PATH_IMAGE001
0）面作为衬底时，蓝宝石衬底上外延生长（300）取向的纯相α-Ga2O3薄膜。
可选的，当磁控溅射的衬底温度为700-750℃、蓝宝石的（01
Figure 696020DEST_PATH_IMAGE002
2）面作为衬底时，蓝宝石衬底上外延生长（01
Figure 40414DEST_PATH_IMAGE002
2）取向的纯相α-Ga2O3薄膜。
通过采用上述技术方案，本申请可以在（30
Figure 443451DEST_PATH_IMAGE004
0）取向蓝宝石衬底上能够生长出均匀分布的（300）取向的α-Ga2O3薄膜，在（01
Figure DEST_PATH_IMAGE005
2）取向蓝宝石衬底上能够生长出均匀分布的相同取向的α-Ga2O3薄膜，在（0006）面上外延生长出纯相的（
Figure 887202DEST_PATH_IMAGE006
01）取向的β-Ga2O3薄膜，晶格的匹配度高，晶格间结合紧密，外延层不易脱落。最终实现了以结晶度更高、价格更低的（0006）、（30
Figure 368999DEST_PATH_IMAGE004
0）、（01
Figure 658029DEST_PATH_IMAGE005
2）取向的蓝宝石为衬底，纯相Ga2O3薄膜的外延生长。且获得的Ga2O3薄膜的纯相度高，而且获得纯相α-Ga2O3和β-Ga2O3薄膜的过程更简单。
可选的，当磁控溅射的衬底温度为675℃、蓝宝石的（0006）面作为衬底时，蓝宝石衬底上外延生长出（
Figure 541671DEST_PATH_IMAGE003
01）取向的纯相β-Ga2O3薄膜，且沉积速率为162nm/h，纯相β-Ga2O3薄膜的粗糙度为2.20nm。
可选的，当磁控溅射的衬底温度为775℃、蓝宝石的（30
Figure 890744DEST_PATH_IMAGE001
0）面作为衬底时，蓝宝石衬底上外延生长出（300）取向的纯相α-Ga2O3薄膜，且沉积速率为395nm/h，纯相α-Ga2O3薄膜的粗糙度为1.79nm。
可选的，当磁控溅射的衬底温度为700℃、蓝宝石的（01
Figure 594258DEST_PATH_IMAGE002
2）面作为衬底时，蓝宝石衬底上外延生长出（01
Figure 546034DEST_PATH_IMAGE002
2）取向的纯相α-Ga2O3薄膜，且沉积速率为171nm/h，纯相α-Ga2O3薄膜的粗糙度为2.67nm。
通过采用上述技术方案，选用上述衬底温度和不同晶面的蓝宝石衬底可以得到纯相Ga2O3薄膜，而且其沉积速率和最终得到薄膜的粗糙度两者均处于较佳参数。
可选的，所述蓝宝石衬底为蓝宝石晶片经过前处理步骤操作后得到，所述前处理步骤包括依次进行的超声浸泡清洗和酸液热浸泡清洗。
通过采用上述技术方案，蓝宝石衬底首先进行超声浸泡清洗，去除衬底表面的杂质，然后再进行酸液热浸泡清洗，进一步去除衬底表面的杂质和氧化物，更重要的是对于蓝宝石衬底具有一定的“软化”作用，在蓝宝石衬底表面形成更有利于Ga2O3键合的表层，使得磁控溅射形成的Ga2O3外延层的结晶性更加优良。
可选的，所述前处理的具体操作为：
超声浸泡清洗：将蓝宝石晶片依次在丙酮、无水乙醇、去离子水中分别超声浸泡10-20min后，用干燥的氮气吹干；
酸液热浸泡清洗：将经过超声浸泡清洗后的蓝宝石晶片在H2SO4和H3PO4的酸性混合溶液中保持热浸泡3-8min，取出后用流动的去离子水冲洗残留的试剂，最后用干燥的氮气吹干，获得的蓝宝石晶片作为衬底。
可选的，酸液热浸泡清洗步骤中，所述蓝宝石晶片在酸性混合溶液中的浸泡时间为3-8min，酸性混合溶液的温度保持为85±5℃，所述酸性混合溶液由体积比为3:1的98%H2SO4和30%H3PO4混合得到。
通过采用上述技术方案，采用上述参数的浸泡工艺，尤其是对于浸泡时间和浸泡温度的选择，实现对蓝宝石晶片的清洗以及表面处理，更利于后续溅射沉积，还不会造成晶片的强酸蚀情况，影响最终得到的晶体质量。浸泡温度太高或浸泡时间太长，会腐蚀晶片，晶片表面出现凹坑，影响最终晶片质量，温度太低或浸泡时间太短，衬底表面杂质去除效果差，形成键合层面效果不好，最终溅射沉积效果差。
可选的，所述磁控溅射的具体操作为：工作压强为0.8-1.2Pa，进行磁控溅射沉积，溅射功率为90-110W，靶材与衬底之间的距离为7±2cm；衬底的旋转速率为3±1r/min；背底压强为1×10-4Pa；磁控溅射结束后在氧气氛围下原位退火25-35min，氧气氛围的压强为0.8-1.2Pa。
通过采用上述技术技术方案，磁控溅射结束后进行原位退火，使得蓝宝石衬底上的Ga2O3充分氧化，提升得到的Ga2O3薄膜的晶体质量。
可选的，磁控溅射参数为：氩气工作压强为1 Pa，通入氩气流量为30sccm；靶材与衬底之间的距离为7cm，衬底的旋转速率为3r/min；背底压强为1×10-4Pa，溅射功率为100W，溅射时间为30min；
氧气氛围压强为1Pa，氧气氛围原位退火30min。
通过采用上述技术方案，采用上述磁控溅射参数，可以溅射沉积得到均匀分布的纯相Ga2O3薄膜，工艺简单，易操作，可控性强，而且得到的Ga2O3薄膜表面光滑、致密、厚度均匀，而且沉积速率较高。
第二方面，本申请提供一种日盲紫外探测器，采用如下的技术方案：
一种日盲紫外探测器，包括蓝宝石衬底及其表面外延生长的纯相Ga2O3薄膜。
综上所述，本申请具有以下有益效果：
1、本申请中以结晶度更高、价格更低的（0006）、（30
Figure DEST_PATH_IMAGE007
0）、（01
Figure 454822DEST_PATH_IMAGE008
2）取向的蓝宝石晶片为衬底，通过磁控溅射方法以及磁控溅射参数的控制，尤其是衬底温度的控制，在上述衬底上获得纯相的α-Ga2O3薄膜；
2、本申请中可以在（30
Figure 709216DEST_PATH_IMAGE001
0）取向蓝宝石衬底上能够生长出均匀分布的（300）取向的α-Ga2O3薄膜，在（01
Figure 900026DEST_PATH_IMAGE002
2）取向蓝宝石衬底上能够生长出均匀分布的相同取向的α-Ga2O3薄膜，在（0006）面上外延生长出纯相的（
Figure 530859DEST_PATH_IMAGE003
01）取向的β-Ga2O3薄膜，晶格的匹配度高，晶格间结合紧密，外延层不易脱落；
3、本申请中采用磁控溅射方法外延生长纯相Ga2O3薄膜，工艺简单、易操作、可控性强，最终得到的Ga2O3薄膜表面光滑、致密、厚度均匀，可以实现Ga2O3薄膜大批量、大规模制备，而且得到的Ga2O3薄膜产品性能稳定，重复性好。
附图说明
图1是本申请有无酸洗情况下在（30
Figure 654673DEST_PATH_IMAGE001
0）面制得的Ga2O3薄膜的XRD图；
图2是本申请方法制得的Ga2O3/（11
Figure 345548DEST_PATH_IMAGE003
0）Al2O3薄膜的XRD图；
图3是本申请方法制得的Ga2O3/（0006）Al2O3薄膜的XRD图；
图4是本申请方法制得的Ga2O3/（30
Figure 289234DEST_PATH_IMAGE001
0）Al2O3薄膜的XRD图；
图5是本申请方法制得的Ga2O3/（01
Figure 956713DEST_PATH_IMAGE002
2）Al2O3薄膜的XRD图；
图6是本申请方法在蓝宝石（11
Figure 669454DEST_PATH_IMAGE003
0）面制得的Ga2O3薄膜的AFM图；
图7是本申请方法在蓝宝石（0006）面制得的Ga2O3薄膜的AFM图；
图8是本申请方法在蓝宝石（30
Figure 531231DEST_PATH_IMAGE001
0）面制得的Ga2O3薄膜的AFM图；
图9是本申请方法在蓝宝石（01
Figure 962212DEST_PATH_IMAGE002
2）面制得的Ga2O3薄膜的AFM图；
图10是用本发明方法在蓝宝石（11
Figure 934847DEST_PATH_IMAGE003
0）面制得的Ga2O3薄膜的生长速率和粗糙度曲线图；
图11是用本发明方法在蓝宝石（0006）面制得的Ga2O3薄膜的生长速率和粗糙度曲线图；
图12是用本发明方法在蓝宝石（30
Figure 236516DEST_PATH_IMAGE001
0）面制得的Ga2O3薄膜的生长速率和粗糙度曲线图；
图13是用本发明方法在蓝宝石（01
Figure 269194DEST_PATH_IMAGE002
2）面制得的Ga2O3薄膜的生长速率和粗糙度曲线图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本申请作进一步详细说明，予以特别说明的是：以下实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行，以下实施例中所用原料除特殊说明外均可来源于普通市售。
在蓝宝石衬底上生长Ga2O3薄膜的技术中，虽然有在蓝宝石衬底上直接外延生长Ga2O3薄膜的少量研究，但是可能是由于α-Ga2O3生长条件苛刻，很容易转变为β-Ga2O3，导致目前得到的基本上都是混合相的β-Ga2O3，但是α-Ga2O3薄膜相较于β-Ga2O3具有更大的带隙，α-Ga2O3薄膜具有很大的应用空间，在此基础上，申请人为了得到纯相Ga2O3薄膜，尤其是纯相α-Ga2O3薄膜和β-Ga2O3薄膜，申请人进行探索。
本申请提供了一种利用磁控溅射方法在蓝宝石衬底上生长纯相Ga2O3的方法。通过对压强、气体和温度的调节，发现温度对于Ga2O3生长具有至关重要的影响，本申请中通过实验探索上述参数对于不同晶向衬底表面生长不同晶型的Ga2O3薄膜的影响，最终在蓝宝石衬底上沿（30
Figure 187471DEST_PATH_IMAGE001
0）和（01
Figure 196753DEST_PATH_IMAGE002
2）取向分别外延生长出纯相α-Ga2O3薄膜；沿（0006）取向外延生长出纯相β-Ga2O3薄膜。
本申请中，最终得到Ga2O3薄膜的厚度为160-460nm。
实施例1-9
一种蓝宝石衬底生长纯相Ga2O3薄膜的方法，包括以下步骤：
取大小为10 mm × 10 mm × 0.5 mm，（0006）、（30
Figure 884087DEST_PATH_IMAGE001
0）、（01
Figure 87666DEST_PATH_IMAGE002
2）取向的蓝宝石晶片各一片，将晶片依次在丙酮、无水乙醇、去离子水中分别超声浸泡15分钟，取出后再用流动的去离子水冲洗，用干燥的氮气吹干，
再将晶片放入由体积比为3:1的98% H2SO4和30%H3PO4混合得到的酸性混合溶液中保持85℃热浸泡5分钟，取出后用流动的去离子水冲洗残留的试剂，最后用干燥的氮气吹干，经此过程处理后的蓝宝石晶片作为衬底。
将上述清洗干净的蓝宝石衬底放入沉积室，以纯度为99.99%的Ga2O3陶瓷为靶材，采用磁控溅射在其上生长Ga2O3薄膜，设置磁控溅射技术的生长参数如下：靶材与衬底的距离为7cm，将沉积室抽真空至10-4Pa，使得背底真空压强为1×10-4Pa，将蓝宝石衬底加热至预定温度；
然后通入氩气，通入流量为30sccm，使的沉积室压强保持1Pa，在衬底的不同表面溅射Ga2O3薄膜，衬底在溅射过程中保持3r/min的旋转速率，溅射采用脉冲电流，且控制溅射功率为100 W，溅射时间为40分钟；
然后关闭氩气通入阀门，通入氧气，压强仍保持1Pa，对生长的Ga2O3薄膜原位退火30分钟。
上述磁控溅射过程中，预定温度选用500-800 ℃，具体分别为500℃、550℃、600℃、625℃、650℃、675℃、700℃、750℃和800℃。
实施例10
一种蓝宝石衬底生长纯相Ga2O3薄膜的方法，按照实施例3中的方法进行，不同之处在于，蓝宝石晶片超声浸泡清洗吹干后未经过酸洗直接作为衬底放入沉积室进行磁控溅射。
对比例
按照实施例中的方法进行，不同之处在于，蓝宝石衬底为（11
Figure 227660DEST_PATH_IMAGE003
0）取向的蓝宝石晶片。
按照上述实施例和对比例中的方法分别得到在（11
Figure 807677DEST_PATH_IMAGE003
0）、（0006）、（30
Figure 83938DEST_PATH_IMAGE001
0）和（01
Figure 583052DEST_PATH_IMAGE002
2）取向蓝宝石衬底上生长的Ga2O3薄膜的XRD图和AFM图以及生长速率和粗糙度曲线图。
参照图1，图1为蓝宝石衬底（30
Figure 85709DEST_PATH_IMAGE001
0）晶面上生长的α-Ga2O3的XRD图，其中（1c）和（1d）分别是实施例3中经过酸洗和实施例10中未经过酸洗的蓝宝石衬底（30
Figure 797313DEST_PATH_IMAGE001
0）晶面的XRD图，（1a）是实施例3中经过酸洗处理后蓝宝石衬底（11
Figure 856577DEST_PATH_IMAGE003
0）晶面上磁控溅射生长的α-Ga2O3薄膜，（1b）是实施例10中未经过酸洗处理后蓝宝石衬底（11
Figure 526593DEST_PATH_IMAGE003
0）晶面上磁控溅射生长的Ga2O3薄膜。可以看出，（1b）中出峰不明显，而（1a）中明显出峰，生长出α-Ga2O3薄膜。可见，酸洗的处理步骤对于蓝宝石衬底具有一定的“软化”作用，在蓝宝石衬底表面形成更有利于Ga2O3键合的表层，使得磁控溅射形成的Ga2O3外延层的结晶性更加优良。
参照图2中蓝宝石衬底（11
Figure 516546DEST_PATH_IMAGE003
0）晶面上生长的Ga2O3薄膜XRD结果，可以看出，在该衬底面上，550-800℃的温度范围内沿（
Figure 297420DEST_PATH_IMAGE003
01）、（400）和（
Figure DEST_PATH_IMAGE009
03）晶面生长出了β-Ga2O3及α-Ga2O3（11
Figure 954797DEST_PATH_IMAGE003
0）和γ-Ga2O3（533），说明该衬底面上生长的Ga2O3薄膜为β, α 和γ的混合相晶体。
参照图3中蓝宝石衬底（0006）晶面上生长的Ga2O3薄膜XRD结果，可以看出，650℃以上除去蓝宝石衬底的（0006）衍射峰外，有且仅有β-Ga2O3（
Figure 795714DEST_PATH_IMAGE003
01）晶向的（
Figure 272963DEST_PATH_IMAGE003
01）, （
Figure 591949DEST_PATH_IMAGE010
02）和（
Figure 336789DEST_PATH_IMAGE009
03）三个衍射峰，说明该衬底面上所有的薄膜都是沿着（
Figure 348607DEST_PATH_IMAGE003
01）晶面外延生长的β相Ga2O3薄膜。
参照图4中蓝宝石衬底（30
Figure 47573DEST_PATH_IMAGE001
0）晶面上生长的Ga2O3薄膜XRD结果，可以看出，薄膜只有一个沿着（300）取向的衍射峰，表明该衬底面生长的薄膜为纯相的α-Ga2O3薄膜。
参照图5中蓝宝石衬底（01
Figure 170250DEST_PATH_IMAGE002
2）晶面上生长的Ga2O3薄膜XRD结果，可以看出，700-750℃范围内，除衬底峰外，只有（01
Figure 395695DEST_PATH_IMAGE002
2）和（02
Figure 453781DEST_PATH_IMAGE003
4）两个衍射峰出现，表面该衬底面上生长的Ga2O3为纯相的α-Ga2O3薄膜。
再参照图6-图9中在最佳生长温度、蓝宝石衬底不同面上生长的Ga2O3薄膜AFM图，可以看出薄膜表面均呈现出颗粒状，且颗粒与颗粒间存在清晰的界面。
再参照图10-图13统计的蓝宝石衬底上不同面上生长的Ga2O3薄膜的生长速率和粗糙度曲线，可以看出，在不同衬底面，不同的衬底温度条件的测控溅射参数，得到薄膜的生长速率和粗糙度均不同，而且结合生长速率和粗糙度结果，可以确定在蓝宝石衬底（30
Figure 30256DEST_PATH_IMAGE001
0）面上生长出了（300）取向的纯相α-Ga2O3薄膜材料，最佳生长温度为775℃，生长速率为395nm/h、薄膜粗糙度为1.79nm；在蓝宝石衬底（01
Figure 831990DEST_PATH_IMAGE002
2）面上生长出了（01
Figure 911941DEST_PATH_IMAGE002
2）取向的纯相α-Ga2O3薄膜材料，最佳生长温度为700℃，生长速率为171nm/h、薄膜粗糙度为2.67nm；在蓝宝石衬底（0006）取向外延获得了纯相的β-Ga2O3薄膜，最佳生长温度为675℃，生长速率为162nm/h、薄膜粗糙度为2.20nm。
本具体实施例仅仅是对本申请的解释，其并不是对本申请的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本申请的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (10)

1.一种蓝宝石衬底生长纯相Ga2O3薄膜的方法，其特征在于，通过磁控溅射方法在蓝宝石衬底上沉积得到纯相Ga2O3薄膜，磁控溅射参数为：衬底温度为500-800℃，所述蓝宝石衬底选用（0006）、（30
Figure 160198DEST_PATH_IMAGE001
0）、（01
Figure 779398DEST_PATH_IMAGE002
2）取向的蓝宝石晶片中的任意一种或几种。
2.根据权利要求1所述的一种蓝宝石衬底生长纯相Ga2O3薄膜的方法，其特征在于：当磁控溅射的衬底温度为650-800℃、蓝宝石的（0006）面作为衬底时，蓝宝石衬底上外延生长出（
Figure 452956DEST_PATH_IMAGE003
01）取向的纯相β-Ga2O3薄膜。
3.根据权利要求1所述的一种蓝宝石衬底生长纯相Ga2O3薄膜的方法，其特征在于：当磁控溅射的衬底温度为500-800℃、蓝宝石的（30
Figure 183014DEST_PATH_IMAGE001
0）面作为衬底时，蓝宝石衬底上外延生长出（300）取向的纯相α-Ga2O3薄膜。
4.根据权利要求1所述的一种蓝宝石衬底生长纯相Ga2O3薄膜的方法，其特征在于：当磁控溅射的衬底温度为700-750℃、蓝宝石的（01
Figure 491374DEST_PATH_IMAGE002
2）面作为衬底时，蓝宝石衬底上外延生长出（01
Figure 281475DEST_PATH_IMAGE002
2）取向的纯相α-Ga2O3薄膜。
5.根据权利要求1所述的一种蓝宝石衬底生长纯相Ga2O3薄膜的方法，其特征在于：当磁控溅射的衬底温度为675℃、蓝宝石的（0006）面作为衬底时，蓝宝石衬底上外延生长出（
Figure 301384DEST_PATH_IMAGE003
01）取向的纯相β-Ga2O3薄膜，且沉积速率为162nm/h，纯相β-Ga2O3薄膜的粗糙度为2.20nm；
或，当磁控溅射的衬底温度为775℃、蓝宝石的（30
Figure 444920DEST_PATH_IMAGE001
0）面作为衬底时，蓝宝石衬底上外延生长出（300）取向的纯相α-Ga2O3薄膜，且沉积速率为395nm/h，纯相α-Ga2O3薄膜的粗糙度为1.79nm；
或，当磁控溅射的衬底温度为700℃、蓝宝石的（01
Figure 499464DEST_PATH_IMAGE002
2）面作为衬底时，蓝宝石衬底上外延生长出（01
Figure 601412DEST_PATH_IMAGE002
2）取向的纯相α-Ga2O3薄膜，且沉积速率为171nm/h，纯相α-Ga2O3薄膜的粗糙度为2.67nm。
6.根据权利要求1所述的一种蓝宝石衬底生长纯相Ga2O3薄膜的方法，其特征在于：所述蓝宝石衬底为蓝宝石晶片经过前处理步骤操作后得到，所述前处理步骤包括依次进行的超声浸泡清洗和酸液热浸泡清洗。
7.根据权利要求6所述的一种蓝宝石衬底生长纯相Ga2O3薄膜的方法，其特征在于：所述前处理的具体操作为：
超声浸泡清洗：将蓝宝石晶片依次在丙酮、无水乙醇、去离子水中分别超声浸泡10-20min后，用干燥的氮气吹干；
酸液热浸泡清洗：将经过超声浸泡清洗后的蓝宝石晶片在H2SO4和H3PO4的酸性混合溶液中保持热浸泡3-8min，取出后用流动的去离子水冲洗残留的试剂，最后用干燥的氮气吹干，获得的蓝宝石晶片作为衬底；
酸液热浸泡清洗步骤中，所述蓝宝石晶片在酸性混合溶液中的浸泡时间为3-8min，酸性混合溶液的温度保持为85±5℃；所述酸性混合溶液由体积比为3:1的98% H2SO4和30%H3PO4混合得到。
8.根据权利要求1所述的一种蓝宝石衬底生长纯相Ga2O3薄膜的方法，其特征在于：所述磁控溅射的具体操作为：以Ga2O3陶瓷为靶材，工作气氛为氩气，工作压强为0.8-1.2Pa，进行磁控溅射沉积，溅射功率为90-110W，靶材与衬底之间的距离为7±2cm；衬底的旋转速率为3±1r/min；背底压强为1×10-4Pa；磁控溅射结束后在氧气氛围下原位退火25-35min，氧气氛围的压强为0.8-1.2Pa。
9.根据权利要求8所述的一种蓝宝石衬底生长纯相Ga2O3薄膜的方法，其特征在于：磁控溅射参数为：氩气工作压强为1 Pa，通入氩气流量为30sccm；靶材与衬底之间的距离为7cm，衬底的旋转速率为3r/min；背底压强为1×10-4Pa，溅射功率为100W，溅射时间为30min；
氧气氛围压强为1Pa，氧气氛围原位退火30min。
10.一种日盲紫外探测器，其特征在于：包括如权利要求1所述的蓝宝石衬底及其表面外延生长的纯相Ga2O3薄膜。
CN202111426791.0A 2021-11-27 2021-11-27 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 Active CN114141910B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202111426791.0A CN114141910B (zh) 2021-11-27 2021-11-27 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

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202111426791.0A CN114141910B (zh) 2021-11-27 2021-11-27 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

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN114141910A true CN114141910A (zh) 2022-03-04
CN114141910B CN114141910B (zh) 2023-09-15

Family

ID=80388375

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202111426791.0A Active CN114141910B (zh) 2021-11-27 2021-11-27 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

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN114141910B (zh)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105118851A (zh) * 2015-07-08 2015-12-02 西安电子科技大学 基于蓝宝石衬底的多层氧化镓薄膜及其生长方法
CN110061089A (zh) * 2019-03-18 2019-07-26 北京镓族科技有限公司 蓝宝石斜切衬底优化氧化镓薄膜生长及日盲紫外探测器性能的方法
CN110504343A (zh) * 2018-05-18 2019-11-26 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 基于蓝宝石衬底的氧化镓薄膜及其生长方法和应用
CN111293181A (zh) * 2020-02-18 2020-06-16 湖北大学 一种MSM型α-Ga2O3基日盲紫外光探测器
CN112126897A (zh) * 2020-10-09 2020-12-25 南京信息工程大学 一种alpha相氧化镓薄膜的制备方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105118851A (zh) * 2015-07-08 2015-12-02 西安电子科技大学 基于蓝宝石衬底的多层氧化镓薄膜及其生长方法
CN110504343A (zh) * 2018-05-18 2019-11-26 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 基于蓝宝石衬底的氧化镓薄膜及其生长方法和应用
CN110061089A (zh) * 2019-03-18 2019-07-26 北京镓族科技有限公司 蓝宝石斜切衬底优化氧化镓薄膜生长及日盲紫外探测器性能的方法
CN111293181A (zh) * 2020-02-18 2020-06-16 湖北大学 一种MSM型α-Ga2O3基日盲紫外光探测器
CN112126897A (zh) * 2020-10-09 2020-12-25 南京信息工程大学 一种alpha相氧化镓薄膜的制备方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN114141910B (zh) 2023-09-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN106128937B (zh) 一种在Si衬底上外延生长的高质量AlN薄膜及其制备方法
JP2007230823A (ja) 炭化珪素単結晶インゴットの製造方法及び炭化珪素単結晶インゴット
CN112647130B (zh) 一种低压化学气相沉积生长氧化镓薄膜的方法
CN111809154B (zh) 一种制备高质量硅基氮化铝模板的方法
CN110172732A (zh) 利用过渡金属氮化物牺牲层制备氮化物单晶衬底的方法
CN117604471A (zh) 一种硅基氮化铝复合衬底及其制备方法
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
CN105118853A (zh) 基于MgO衬底的氧化镓薄膜及其生长方法
Shahahmadi et al. Properties of a-SiGe thin films on glass by co-sputtering for photovoltaic absorber application
CN113658852A (zh) 硅基尺寸可控β-Ga2O3纳米线的制备方法
JPS5840820A (ja) シリコン単結晶膜形成法
CN112725746A (zh) 一种提高氧化亚铜薄膜晶粒度的方法及其应用
CN115198358B (zh) 一种大尺寸hpht金刚石单晶片同质外延生长方法
CN114108087B (zh) 一种正交相五氧化二钽单晶薄膜的制备方法
CN110670017B (zh) 一种六方氮化硼薄膜制备时的带隙调控方法
CN110634749B (zh) 一种BaSi2薄膜的外延生长方法
CN114525472B (zh) 一种纳米结构氧化镍薄膜的制备方法
Chubenko et al. Seed layer assisted hydrothermal deposition of low-resistivity ZnO thin films
JPH04188717A (ja) ダイヤモンド基板およびその製造方法
JPH0660401B2 (ja) シリコン薄膜製造方法
CN114709130A (zh) 基于MOCVD法在硅酸镓镧类晶体衬底上生长GaN单晶薄膜的方法
JP2000306915A (ja) シリコンウエハの製造方法
CN118922920A (zh) 带有β型氧化镓膜的基板和其制造方法
CN118712057A (zh) 氮化铝薄膜的制备方法
CN118422162A (zh) 一种制备高定向二硫化钼薄膜的方法

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
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant
TR01 Transfer of patent right
TR01 Transfer of patent right

Effective date of registration: 20240411

Address after: 455100 Factory Building 8, Anyang Navigation Industry Park, East Section of Huanghe East Road, Wadian Township, Anyang County, Anyang City, Henan Province

Patentee after: Henan Ming Gallium Semiconductor Co.,Ltd.

Country or region after: China

Address before: 101300 Room 102, 1st floor, building 1, No.1 shunqiang Road, Shunyi District, Beijing

Patentee before: Beijing mingga Semiconductor Co.,Ltd.

Country or region before: China