CN115172145A - 一种基于Si衬底的高质量大尺寸氧化镓薄膜及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于Si衬底的高质量大尺寸氧化镓薄膜及其制备方法，自下而上依次包括：Si衬底、籽晶层和外延层，所述籽晶层和所述外延层均为Ga2O3。制备方法包括清洗Si衬底、在Si衬底上生长籽晶层、在籽晶层上生长外延层。采用常规的生长工艺进行制备，工艺成熟、可重复性好。并且本发明的技术方案采用低成本的Si衬底，采用籽晶层克服了Si衬底与Ga2O3薄膜之间的晶格失配问题，生长高质量Ga2O3薄膜，成本低廉，制备工艺简单，易于实现工业化。

Description

一种基于Si衬底的高质量大尺寸氧化镓薄膜及其制备方法
技术领域
本发明涉及纳米材料技术领域，更具体的说是涉及一种基于Si衬底的高质量大尺寸氧化镓薄膜及其制备方法。
背景技术
随着时代的发展，应用领域的多样性和多变性对半导体材料的性质和功能提出了更高的要求。传统半导体在难以满足需求，包括第一代半导体材料(Si，Ge)和第二代半导体材料(GaAs、GaP等)。近年来，根据需要而逐渐发展起来的第三代半导体材料，将对微电子和光电子工业产生长远而又重大的影响。这些半导体材料的禁带宽度一般都大于2.3eV，因此称之为宽禁带半导体材料，如Ga2O3、SiC、GaN等。由于这类材料具有重要的电学和光学性质，例如高击穿电场、高热导率、高迁移率等，因此已经引起了国内外广泛的研究兴趣。
在第三代半导体材料中，氧化镓是一种直接带隙宽禁带半导体，因其具备优异的化学和热稳定性、在可见光和紫外区的良好透明性(高达80％)和理论上高的击穿场强等优异性能而备受关注。目前制备Ga2O3薄膜的主流方式为射频磁控溅射、分子束外延、脉冲激光沉积、原子层沉积、化学气相沉积。其中，射频磁控溅射法作为常用方法，具有附着性高、质量可控、成本低等优点，但是现有技术中采用Ga2O3薄膜与衬底晶格匹配度低，而匹配度良好的衬底成本高，难以满足实际的生产应用需求。
因此，如何提供一种低成本且性能良好的氧化镓薄膜是本领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种基于Si衬底的高质量大尺寸氧化镓薄膜及其制备方法，为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
首先，本发明提供了基于Si衬底的高质量大尺寸氧化镓薄膜，自下而上依次包括：
Si衬底、籽晶层和外延层，所述籽晶层和所述外延层均为Ga2O3。
优选的，所述籽晶层厚度为7-11nm。
优选的，所述外延层厚度为230-270nm。
此外，本发明还提供了一种如上技术方案所述的基于Si衬底的高质量大尺寸氧化镓薄膜的制备方法，包括以下步骤：
(1)清洗Si衬底；
(2)在Si衬底上生长籽晶层，之后对籽晶层退火；
(3)在退火后的籽晶层上生长外延层，生长完毕后退火，即得基于Si衬底的高质量氧化镓薄膜。
优选的，步骤(1)中所述的清洗为：依次用丙酮、无水乙醇和去离子水分别超声清洗15min。
优选的，步骤(2)籽晶层的生长和步骤(3)中外延层的生长采用射频磁控溅射法。
进一步的，步骤(2)籽晶层的生长采用的射频磁控溅射法具体生长条件为：
真空度＜10-7Pa，衬底温度20-25℃、压强0.3-1Pa、溅射功率为50W，通入气体为总流量60sccm的Ar和O2，其中Ar流量为59.4sccm，O2流量为0.6sccm，溅射时间5min。
进一步的，步骤(3)外延层的生长采用的射频磁控溅射法具体生长条件为：
真空度＜10-7Pa，衬底温度20-25℃、压强0.3-1Pa、溅射功率为100W，通入气体为Ar，流量为60sccm，溅射时间60min。
优选的，步骤(2)中所述退火为：利用管式炉对籽晶层空气氛围退火，退火温度700℃，退火时间2h。
优选的，步骤(3)中所述退火为：利用管式炉对籽晶层空气氛围退火，退火温度850℃，退火时间2h。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种基于Si衬底的高质量大尺寸氧化镓薄膜及其制备方法，具有如下有益效果：
采用常规的生长工艺进行制备，工艺成熟、可重复性好，可以在大面积基片上获得厚度均匀的薄膜；并且本发明的技术方案采用低成本的Si衬底，采用籽晶层克服了Si衬底与Ga2O3薄膜之间的晶格失配问题，生长高质量Ga2O3薄膜，成本低廉，制备工艺简单，易于实现工业化。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明的Ga2O3薄膜结构示意图；
图2为实施例1制得的Ga2O3薄膜XRD扫描图；
图3为实施例1制得的Ga2O3薄膜SEM扫描图；
图4为实施例1制得的Ga2O3薄膜光电响应测试图。
具体实施方式
下面将结合本发明的实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如附图1所述，基于Si衬底的高质量大尺寸氧化镓薄膜，自下而上依次包括：Si衬底1、籽晶层2和外延层3，其中籽晶层2和外延层3均为Ga2O3，且籽晶层2厚度7-11nm，外延层3厚度230-270nm。
采用如下制备工艺：
(1)清洗Si衬底：将硅片置于超声仪中，依次用丙酮、无水乙醇、去离子水分别超声处理15min；
(2)制备籽晶层：采用磁控溅射技术在Si衬底上生长Ga2O3籽晶层，磁控溅射真空度＜10-7Pa、衬底温度为室温20-25℃、工作压强为0.3-1Pa、溅射功率为50W，通入气体，气体流量为60sccm，其中Ar流量为59.4sccm，O2流量为0.6sccm，溅射时间为5min；
(3)管式炉退火：利用管式炉对Ga2O3籽晶层进行退火，退火氛围为空气，温度700℃，退火时间为2h；
(4)制备外延层：采用磁控溅射技术在退火后的Ga2O3籽晶层上外延生长Ga2O3薄膜，磁控溅射真空度＜10-7Pa、衬底温度为室温20-25℃、工作压强为0.3-1Pa、溅射功率为100W，通入惰性保护气体Ar，气体流量为60sccm，溅射时间为60min；
(5)管式炉退火：利用管式炉对Ga2O3薄膜进行退火，退火氛围为空气，温度850℃，退火时间为2h。
实施例1
采用如上技术方案，具体制备籽晶层2厚度9nm，外延层3厚度250nm。
对上述制得的基于Si衬底的高质量大尺寸氧化镓薄膜进行表征，如附图2所示，其为薄膜的XRD扫描图。由图可知没有籽晶层，直接生长的Ga2O3薄膜表现为非晶，是因为Si与Ga2O3晶格失配，直接生长并不能得到高质量Ga2O3薄膜；而利用籽晶层生长的Ga2O3薄膜在一定程度上克服Si与Ga2O3晶格失配，生长得到高质量大尺寸Ga2O3薄膜。
如附图3所示，其为生长籽晶层的外延薄膜的SEM扫描图，在图像中可以观察到晶粒均匀且致密，晶粒间边界清晰，证明在籽晶层上沉积的Ga2O3薄膜结晶性良好，与XRD结果相符。
在上述制得的基于Si衬底的高质量大尺寸氧化镓薄膜上利用磁控溅射法沉积90-110nm的铂金点电极阵列，对其进行光电响应测试，如附图4所示，在无光条件下，施加电压为40V时，暗电流(Idark)约为100nA；施加254nm波长的紫外光，施加电压为40V时，光电流(Ilight)约为10mA。故该器件光暗电流比(Ilight/Idark)约为105，满足光电探测器光暗电流比大于103的要求。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种基于Si衬底的高质量大尺寸氧化镓薄膜，其特征在于，自下而上依次包括：
Si衬底、籽晶层和外延层，所述籽晶层和所述外延层均为Ga2O3。
2.根据权利要求1所述的一种基于Si衬底的高质量大尺寸氧化镓薄膜，其特征在于，所述籽晶层厚度为7-11nm。
3.根据权利要求1所述的一种基于Si衬底的高质量大尺寸氧化镓薄膜，其特征在于，所述外延层厚度为230-270nm。
4.一种权利要求1-3任一项所述的基于Si衬底的高质量大尺寸氧化镓薄膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)清洗Si衬底；
(2)在Si衬底上生长籽晶层，之后对籽晶层退火；
(3)在退火后的籽晶层上生长外延层，生长完毕后退火，即得基于Si衬底的高质量氧化镓薄膜。
5.根据权利要求4所述的一种基于Si衬底的高质量大尺寸氧化镓薄膜的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述的清洗为：依次用丙酮、无水乙醇和去离子水分别超声清洗15min。
6.根据权利要求4所述的一种基于Si衬底的高质量大尺寸氧化镓薄膜的制备方法，其特征在于，步骤(2)籽晶层的生长和步骤(3)中外延层的生长采用射频磁控溅射法。
7.根据权利要求6所述的一种基于Si衬底的高质量大尺寸氧化镓薄膜的制备方法，其特征在于，步骤(2)籽晶层的生长采用的射频磁控溅射法具体生长条件为：
真空度＜10-7Pa，衬底温度20-25℃、压强0.3-1Pa、溅射功率为50W，通入气体为总流量60sccm的Ar和O2，其中Ar流量为59.4sccm，O2流量为0.6sccm，溅射时间5min。
8.根据权利要求6所述的一种基于Si衬底的高质量大尺寸氧化镓薄膜的制备方法，其特征在于，步骤(3)外延层的生长采用的射频磁控溅射法具体生长条件为：
真空度＜10-7Pa，衬底温度20-25℃、压强0.3-1Pa、溅射功率为100W，通入气体为Ar，流量为60sccm，溅射时间60min。
9.根据权利要求4所述的一种基于Si衬底的高质量大尺寸氧化镓薄膜的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述退火为：
利用管式炉对籽晶层空气氛围退火，退火温度700℃，退火时间2h。
10.根据权利要求4所述的一种基于Si衬底的高质量大尺寸氧化镓薄膜的制备方法，其特征在于，步骤(3)中所述退火为：
利用管式炉对籽晶层空气氛围退火，退火温度850℃，退火时间2h。
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