CN115831715A - 一种基于异质衬底的β-氧化镓薄膜及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于半导体材料制备技术领域，具体涉及一种基于异质衬底的β‑氧化镓薄膜及其制备方法和应用。本发明提供了一种基于异质衬底的β‑Ga2O3薄膜，包括Si衬底、位于Si衬底上的缓冲层和位于缓冲层上的β‑Ga2O3薄膜；所述缓冲层包括AlN、ZnO或Al2O3中的一种或几种。本发明通过在Si与β‑Ga2O3之间插入缓冲层，所述缓冲层和β‑Ga2O3之间晶格失配度小、面内原子排布对称性相同，实现了在Si衬底上制备择优取向的高质量的β‑Ga2O3薄膜。
Description
技术领域
本发明属于半导体材料制备技术领域，具体涉及一种基于异质衬底的β-Ga2O3薄膜及其制备方法和应用。
背景技术
β-Ga2O3作为新兴的超宽带隙半导体材料，其禁带宽度约4.9eV，理论击穿场强可达8MV/cm，此外其还具有良好的热稳定性和化学稳定性，使得其不仅在功率器件和深紫外光电探测领域展现出广阔的应用前景。而且也是宽带隙半导体领域的一个研究热点。
高质量的β-Ga2O3薄膜需要利用同质外延获得，但是由于Ga2O3单晶衬底过于昂贵且难以获得。在日常研究中一般选择其它材料做为衬底生长β-Ga2O3材料。Si材料生产工艺成熟，成本相对较低。而且，Si也属于半导体材料，这使得其不但可以被用于生长用衬底，还可以通过掺杂来实现不同的导电类型和载流子浓度，从而与β-Ga2O3形成异质结器件。
但Si材料与β-Ga2O3材料之间晶格失配度大，且表面容易形成一层非晶态氧化硅，导致在Si上直接生长的β-Ga2O3大多呈非晶态或无择优取向的多晶态，影响后续高性能器件的制备。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于异质衬底的β-Ga2O3薄膜及其制备方法和应用。本发明提供的β-Ga2O3薄膜具有择优取向的晶向性。
为了解决上述问题，本发明提供了一种基于异质衬底的β-Ga2O3薄膜，包括Si衬底、位于Si衬底表面的缓冲层和位于缓冲层表面的β-Ga2O3薄膜；
所述缓冲层包括AlN、ZnO或Al2O3中的一种或几种；
所述β-Ga2O3薄膜的晶体择优取向。
优选地，所述缓冲层的厚度为1～500nm。
优选地，所述β-Ga2O3薄膜的厚度为200～1000nm。
优选地，所述Si衬底的导电类型为本征或N型或P型。
优选地，所述Si衬底的的晶体取向为<111>或<100>。
本发明还提供了上述所述的基于异质衬底的β-Ga2O3薄膜的制备方法，包括以下步骤：
在清洁Si衬底表面生长缓冲层；所述缓冲层包括AlN、ZnO或Al2O3中的一种或几种；
在所述缓冲层表面生长β-Ga2O3薄膜，得到所述基于异质衬底的β-Ga2O3薄膜。
优选地，所述生长缓冲层的方法包括磁控溅射、脉冲激光沉积、分子束外延、金属有机化学气相沉积或原子层沉积。
优选地，所述生长β-Ga2O3薄膜的方法包括磁控溅射、脉冲激光沉积、分子束外延、金属有机化学气相沉积、原子层沉积或气相外延。
本发明还提供了上述所述的基于异质衬底的β-Ga2O3薄膜或上述所述制备方法得到的基于异质衬底的β-Ga2O3薄膜在微电子器件中的应用。
本发明提供了基于异质衬底的β-Ga2O3薄膜，包括Si衬底、位于Si衬底表面的缓冲层和位于缓冲层表面的β-Ga2O3薄膜；所述缓冲层包括AlN、ZnO或Al2O3中的一种或几种；所述β-Ga2O3薄膜的晶体择优取向。本发明通过在Si衬底与β-Ga2O3之间插入缓冲层，所述缓冲层和β-Ga2O3之间晶格失配度小、面内原子排布对称性相同，实现了在Si衬底上制备择优取向的高质量的β-Ga2O3薄膜。
附图说明
图1为本发明实施例1所制备产品的结构示意图；
图2为本发明实施例1所制备产品的截面扫描电镜图；
图3为本发明实施例1所制备产品、Si衬底和对比例1所得产品的XRD图；
图4为本发明实施例1所得β-Ga2O3薄膜(-201)面衍射峰。
具体实施方式
本发明提供了一种基于异质衬底的β-Ga2O3薄膜，包括Si衬底、位于Si衬底表面的缓冲层和位于缓冲层表面的β-Ga2O3薄膜；
所述缓冲层包括AlN、ZnO或Al2O3中的一种或几种；
所述β-Ga2O3薄膜的晶体择优取向。
在本发明中，所述Si衬底的导电类型为本征或N型或P型，更优选为本征。在本发明中，所述Si衬底优选包括单抛或者双抛，更优选为单抛。在本发明中，所述Si衬底的晶体取向优选为<111>或<100>，更优选为<111>。
本发明提供的基于异质衬底的β-Ga2O3薄膜包括位于Si衬底上的缓冲层。
在本发明中，所述缓冲层包括AlN、ZnO或Al2O3中的一种或几种，更优选为AlN。在本发明中，所述缓冲层的厚度优选为1～500nm，更优选为30～200nm。
在本发明中，所述缓冲层和β-Ga2O3之间晶格失配度小、面内原子排布对称性相同，有利于实现在Si衬底上制备择优取向的β-Ga2O3薄膜。
本发明提供的基于异质衬底的β-Ga2O3薄膜包括位于所述缓冲层上的β-Ga2O3薄膜，所述β-Ga2O3薄膜的厚度优选为200～1000nm，更优选为500nm。在本发明中，所述β-Ga2O3薄膜的晶体择优取向。
本发明还提供了上述所述的基于异质衬底的β-Ga2O3薄膜的制备方法，包括以下步骤：
在清洁的Si衬底表面生长缓冲层；所述缓冲层包括AlN、ZnO或Al2O3中的一种或几种；
在所述缓冲层表面生长β-Ga2O3薄膜，得到所述基于异质衬底的β-Ga2O3薄膜。
在本发明中，所述清洁的Si衬底的获取，优选包括以下步骤：将Si衬底进行清洗，得到清洁的Si衬底。
在本发明中，所述清洗的方式优选为超声清洗，所述清洗优选包括依次进行丙酮清洗、无水乙醇清洗和去离子水清洗。在本发明中，所述丙酮清洗、无水乙醇清洗和去离子水清洗的时间独立地优选为10～15min，更优选为12～13min。
在本发明中，所述清洗后，优选还包括将清洗后的Si衬底用氮气吹干。
本发明在所述清洁的Si衬底表面生长缓冲层。
在本发明中，所述生长缓冲层的方法优选包括磁控溅射、脉冲激光沉积、分子束外延、金属有机化学气相沉积或原子层沉积，更优选为金属有机化学气相沉积。
以生长AlN为例，当生长缓冲层的方法为金属有机化学气相沉积时，所述金属有机化学气相沉积的条件包括：载气优选为氢气，铝源优选为三甲基铝，氮源优选为NH3，V/III比优选为5000。具体地，以金属有机化学气相沉积生长AlN的步骤优选为：
将Si衬底加热去除氧化层后，预通铝源，然后同时通入氮源和铝源，在生长温度下，生长AlN缓冲层。
在本发明中，所述加热去除氧化层的温度优选为1100℃，时间为5min。在本发明中，所述预通铝源的温度优选为850℃，流量优选为15sccm，时间优选为10s。在本发明中，所述生长温度优选为950℃。
得到缓冲层后，本发明在所述缓冲层表面生长β-Ga2O3薄膜，得到所述基于异质衬底的β-Ga2O3薄膜。
在本发明中，生长β-Ga2O3薄膜的方法优选包括磁控溅射、脉冲激光沉积、分子束外延、金属有机化学气相沉积、原子层沉积或气相外延，更优选为金属有机化学气相沉积。
当所述生长β-Ga2O3薄膜的方法为金属有机化学气相沉积时，沉积条件优选包括：镓源优选为TEGa，氧源优选为O2，沉积温度优选为700～1000℃，更优选为900℃。
本发明还提供了上述所述的基于异质衬底的β-Ga2O3薄膜在微电子器件中的应用。
为了进一步说明本发明，下面结合实施例对本发明提供的技术方案进行详细叙述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
将晶体取向为<111>方向的单抛本征Si衬底，依次利用丙酮、无水乙醇、去离子水对其超声清洗10min，清洗完毕后用氮气吹干；
利用金属有机化学气相沉积方法在所述Si衬底的抛光面外延生长AlN缓冲层，包括如下步骤：
在H2气氛下，将Si衬底温度升高到1100℃，保持5min，去除Si衬底表面氧化层。去除氧化层后，温度降低到850℃，先预通三甲基铝，流量15sccm，时间10s；然后温度升高到950℃，同时通入NH3和三甲基铝，保持V/III比为5000，生长AlN缓冲层，生长厚度30nm。
在缓冲层继续利用金属有机化学气相沉积的方法外延生长β-Ga2O3薄膜，所用镓源为TEGa，所用氧源为O2，生长温度为900℃，薄膜厚度为500nm。
实施例2
将晶体取向为<111>方向的单抛本征Si衬底，依次利用丙酮、无水乙醇、去离子水对其超声清洗10min，清洗完毕后用氮气吹干；
利用原子层沉积方法在所述Si衬底的抛光面生长Al2O3缓冲层，包括如下步骤：
将清洗后的Si衬底放入原子层沉积腔室，抽真空至20mTorr。然后将Si衬底升温至200℃。利用三甲基铝作为铝源，水蒸气作为氧源，生长厚度为20nm的Al2O3缓冲层。
在缓冲层继续利用金属有机化学气相沉积的方法外延生长β-Ga2O3薄膜，所用镓源为TEGa，所用氧源为O2，生长温度为900℃，薄膜厚度为500nm。
实施例3
将晶体取向为<100>方向的单抛本征Si衬底，依次利用丙酮、无水乙醇、去离子水对其超声清洗10min，清洗完毕后用氮气吹干；
利用磁控溅射方法在所述Si衬底的抛光面生长ZnO缓冲层，包括如下步骤：
将清洗后的Si衬底放入生长室，抽真空。抽真空完毕后，设置衬底温度400℃，生长压强3Pa，氩气流量150sccm，氧气流量20sccm。利用ZnO陶瓷靶作为ZnO源，溅射功率设置为150W，溅射时间10min，生长厚度为40nm的ZnO缓冲层。
在缓冲层上继续利用金属有机化学气相沉积的方法外延生长β-Ga2O3薄膜，所用镓源为TEGa，所用氧源为O2，生长温度为800℃，薄膜厚度为500nm。
对比例1
与实施例1的区别在于，对比例1没有缓冲层的沉积。
图1为实施例1所制备产品的结构示意图，图中标注了各层材料的名称，自上而下分别为β-Ga2O3薄膜、AlN缓冲层、Si衬底。
图2为实施例1所制备产品截面扫描电镜图像，图中可以清晰地分辨出衬底和β-Ga2O3薄膜。
图3为实施例1所制备产品、Si衬底和对比例1所得产品的XRD图，从图中可以看出：无AlN缓冲层的XRD谱中只有Si衬底的衍射峰。而有AlN缓冲层的XRD谱中衍射峰分别对应Si衬底、AlN层和β-Ga2O3层，且所生长Ga2O3呈单斜相(β相)，其沿(-201)面择优取向生长。
图4为所制备β-Ga2O3薄膜(-201)面衍射峰，其半高宽约0.1764°。以上结果表明利用此方法成功制备了择优取向生长的高质量β-Ga2O3。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种基于异质衬底的β-Ga2O3薄膜，其特征在于，包括Si衬底、位于Si衬底上的缓冲层和位于缓冲层上的β-Ga2O3薄膜；
所述缓冲层包括AlN、ZnO或Al2O3中的一种或几种；
所述β-Ga2O3薄膜的晶体择优取向。
2.根据权利要求1所述的β-Ga2O3薄膜，其特征在于，所述缓冲层的厚度为1～500nm。
3.根据权利要求1所述的β-Ga2O3薄膜，其特征在于，所述β-Ga2O3薄膜的厚度为200～1000nm。
4.根据权利要求1所述的基于异质衬底的β-Ga2O3薄膜，其特征在于，所述Si衬底的导电类型为本征或N型或P型。
5.根据权利要求1或4所述的基于异质衬底的β-Ga2O3薄膜，其特征在于，所述Si衬底的晶体取向为<111>或<100>。
6.权利要求1～5任一项所述的基于异质衬底的β-Ga2O3薄膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
在清洁的Si衬底表面生长缓冲层；所述缓冲层包括AlN、ZnO或Al2O3中的一种或几种；
在所述缓冲层表面生长β-Ga2O3薄膜，得到所述基于异质衬底的β-Ga2O3薄膜。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述生长缓冲层的方法包括磁控溅射、脉冲激光沉积、分子束外延、金属有机化学气相沉积或原子层沉积。
8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述生长β-Ga2O3薄膜的方法包括磁控溅射、脉冲激光沉积、分子束外延、金属有机化学气相沉积、原子层沉积或气相外延。
9.权利要求1～5任一项所述的基于异质衬底的β-Ga2O3薄膜或权利要求6～8任一项所述制备方法得到的基于异质衬底的β-Ga2O3薄膜在微电子器件中的应用。
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