CN117976518A - 一种氧化镓薄膜外延方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种氧化镓薄膜外延方法。该方法包括步骤：在衬底上外延生长GaN薄膜；对GaN薄膜进行表面氧化处理，使表面的GaN薄膜氧化为Ga2O3缓冲层；对Ga2O3缓冲层进行表面刻蚀处理，得到具有纳米孔结构的Ga2O3缓冲层；在具有纳米孔结构的Ga2O3缓冲层上外延生长氧化镓薄膜。本发明使用Si或蓝宝石等衬底，无需采用昂贵的氧化镓单晶衬底，大幅降低了外延的成本；采用具有纳米孔结构的氧化镓薄膜作为氧化镓薄膜外延的缓冲层，并利用该纳米孔结构易于选择性生长的特点实现横向外延，有效提高了外延氧化镓薄膜的晶体质量；可实现薄膜的原位外延生长，避免了杂质污染，获得高质量外延氧化镓薄膜。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种氧化镓薄膜外延方法。
背景技术
氧化镓(Ga2O3)作为新一代的超宽禁带半导体材料，具有禁带宽度大、击穿场强高、抗极端环境强、掺杂可控、物理性质和化学性质稳定等优点，在未来的功率器件、日盲紫外探测等领域潜力巨大。尤其能源、信息、国防、轨道交通、电动汽车等领域快速发展的当下，对高耐压、低损耗、大功率的功率半导体器件及快响应、高响应度的探测器的要求逐步提高，宽禁带半导体已逐渐成为未来发展的趋势。并且宽禁带半导体材料与器件是当今国际上半导体科学技术和产业发展的关键领域之一，有机会成为中国半导体产业崛起的新突破口。氧化镓在宽禁带半导体中具有非常大的应用优势，因此研发合适外延技术制备高质量的氧化镓薄膜已成为当前的研究热点。
目前，氧化镓薄膜外延方法主要包括以下两种：
1、基于斜切蓝宝石衬底的氧化镓薄膜异质外延方法
现有的基于斜切蓝宝石衬底的氧化镓薄膜异质外延方法如图1所示，如图1中的(a)所示，当蓝宝石衬底没有斜切角时，蓝宝石衬底表面不存在优先结合点，导致表面吸附的Ga原子随意成核。如图1中的(b)所示，当斜切角过小时，台阶宽度较大，此时蓝宝石衬底表面吸附的Ga原子的迁移距离远小于台阶宽度，从而导致台阶表面仍然存在由于缺乏优先结合点而随意成核的现象。如图1中的(c)所示，在合适的斜切角度下，如果吸附的Ga原子的迁移距离与台阶宽度相近，Ga原子将并入台阶边缘，从而形成稳定的台阶流生长。如图1中的(d)所示，如果斜切角度较大、蓝宝石衬底表面吸附的Ga原子的迁移距离远大于台阶宽度时，将导致Ga原子扩散到相邻的台阶上形成台阶聚并现象。氧化镓薄膜异质外延常用的衬底为c面蓝宝石衬底，主要优势在于氧化镓与蓝宝石的晶格失配小，故而外延的薄膜应力小，且蓝宝石衬底目前商业应用成熟，易于获得。但是由于氧化镓属于单斜晶系，而蓝宝石属于六方晶系，异质外延会产生六重畴现象，即外延得到的氧化镓薄膜表现出六种不同的生长方向，严重地恶化了氧化镓薄膜的晶体质量，导致基于异质外延的氧化镓薄膜无法发挥出其优异的性能优势，限制了其功率器件及光电探测器件的发展。通过采用斜切的蓝宝石衬底可以抑制六重畴的现象发生，一定程度上提高外延的氧化镓薄膜的晶体质量，有利于异质外延的氧化镓薄膜发挥其优异的性能优势，提高其功率器件及光电探测器件的性能。
2、基于氧化镓衬底的氧化镓薄膜同质外延方法
现有的基于氧化镓衬底的氧化镓薄膜同质外延方法如图2所示。利用熔体法制备的氧化镓单晶可作为外延氧化镓薄膜的同质衬底，由于外延氧化镓薄膜与衬底为相同的材料，因此界面不存在晶格失配、热失配等问题。良好的界面有助于获得高质量的外延氧化镓薄膜，对提升氧化镓薄膜晶体质量起到了巨大的推动作用。
但是，对于氧化镓薄膜异质外延，由于氧化镓薄膜异质外延常用的衬底材料如蓝宝石、GaN、SiC、Si等，这些材料均与氧化镓存在较大的晶格失配和热失配，因此外延氧化镓薄膜存在各种材料缺陷，氧化镓薄膜晶体质量难以提高，无法满足高性能的功率器件及光电器件的需求。
对于氧化镓薄膜同质外延，氧化镓薄膜同质外延采用的衬底为氧化镓单晶衬底，由于氧化镓的熔点高达1725℃，熔体法制备氧化镓单晶需要采用稀有的铱金属作为坩埚，因此目前氧化镓单晶衬底成本居高不下，尤其是大尺寸的氧化镓单晶衬底，高昂的成本阻碍了其功率器件及光电器件的商业化发展及工业化进程。并且，由于氧化镓单晶衬底的热导率低，基于同质外延的功率器件存在严峻的热耗散问题，过高的温度可能导致器件存在较大的漏电、耐压降低、稳定性变差等问题。
因此，现有技术还有待于改进和发展。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种氧化镓薄膜外延方法，旨在解决现有氧化镓薄膜外延方法要么存在晶格失配和热失配的问题，要么存在外延成本高的问题。
本发明的技术方案如下：
一种氧化镓薄膜外延方法，其中，包括步骤：
在衬底上外延生长GaN薄膜；
对所述GaN薄膜进行表面氧化处理，使表面的GaN薄膜氧化为Ga2O3缓冲层；
对所述Ga2O3缓冲层进行表面刻蚀处理，得到具有纳米孔结构的Ga2O3缓冲层；
在所述具有纳米孔结构的Ga2O3缓冲层上外延生长氧化镓薄膜。
可选地，所述衬底为Si衬底或蓝宝石衬底。
可选地，采用金属有机化合物化学气相沉积方法、分子束外延方法或氢化物气相外延方法，在所述衬底上外延生长GaN薄膜。
可选地，采用热氧化方法、臭氧处理方法、氧等离子体处理方法或辐照方法对所述GaN薄膜进行表面氧化处理。
可选地，采用热氧化方法对所述GaN薄膜进行表面氧化处理，所述采用热氧化方法对所述GaN薄膜进行表面氧化处理的工艺条件包括：所述表面氧化处理的温度为850-1000℃，所述表面氧化处理的时间为2-4h，所述表面氧化处理在氧气气氛下进行。
可选地，对所述Ga2O3缓冲层进行表面刻蚀处理，得到具有纳米孔结构的Ga2O3缓冲层的步骤，具体包括：采用金属有机化合物化学气相沉积方法将三甲基镓源热分解形成Ga液滴，利用所述Ga液滴对所述Ga2O3缓冲层进行表面刻蚀处理，得到具有纳米孔结构的Ga2O3缓冲层。
可选地，对所述Ga2O3缓冲层进行表面刻蚀处理的步骤包括：在金属有机化合物化学气相沉积设备的反应室内通入三甲基镓源，三甲基镓源流量为10-50sccm，载气为氮气或者氩气，在350-550℃下进行表面刻蚀处理2-5min。
可选地，在所述具有纳米孔结构的Ga2O3缓冲层上外延生长氧化镓薄膜的步骤，具体包括：
首先在纳米孔中沉积Ga2O3；
然后进行横向外延生长Ga2O3薄膜；
最后进行纵向外延生长Ga2O3薄膜。
可选地，在纳米孔中沉积Ga2O3的步骤，具体包括：在金属有机化合物化学气相沉积设备的反应室内通入三甲基镓源和氧气，调整生长参数，使Ga、O原子团聚集在纳米孔中并形成Ga2O3；
其中，所述生长参数为：生长温度为750-1000℃，反应室压强为5-10kpa，三甲基镓源流量为10-30sccm，氧气流量为50-200sccm，生长时间为5-20min。
可选地，进行横向外延生长Ga2O3薄膜的步骤，具体包括：调整生长参数，使得横向生长速率大于纵向生长速率，进行横向外延生长；其中，所述生长参数为：生长温度为850-1000℃，反应室压强为5-10kpa，三甲基镓源流量为10-30sccm，氧气流量为50-200sccm，生长时间为10-30min。
可选地，进行纵向外延生长Ga2O3薄膜的步骤，具体包括：调整生长参数，使得纵向生长速率大于横向生长速率，进行纵向外延生长；其中，所述生长参数为：生长温度为800-900℃，反应室压强为5-10kpa，三甲基镓源流量为10-50sccm，氧气流量为500-1500sccm，生长时间为0.5-5h。
与现有相比，本发明具有以下有益效果：
1)使用Si或蓝宝石等衬底，无需采用昂贵的Ga2O3单晶衬底，大幅降低了外延的成本；
2)由于目前GaN的外延工艺相对成熟，GaN晶体质量高，因此选择在衬底上外延GaN薄膜，然后采用表面氧化处理将表层的GaN氧化成Ga2O3缓冲层，从而大幅提高后续外延生长的Ga2O3薄膜的晶体质量；
3)通过纳米孔结构实现横向外延生长，可以湮灭Ga2O3薄膜生长过程中由于晶格失配产生的大量位错，减少内部缺陷，进一步的提高生长的Ga2O3薄膜的晶体质量；
4)相比于现有需引入其它材料作为掩膜结构实现横向外延生长方法，本发明纳米孔结构的形成无需引入其它材料，通过纳米孔结构实现横向外延方法避免了任何杂质污染，为高质量、低背景杂质浓度的外延提供了基础；
5)本发明可实现薄膜的原位外延生长，氧化镓薄膜外延方法主要包括GaN薄膜的外延、GaN薄膜的表面氧化处理、纳米孔结构的形成、纳米孔的填充、薄膜的横向合并和薄膜的纵向生长，这些步骤均可在金属有机化合物化学气相沉积(MOCVD)设备或其它外延设备中原位进行，避免了材料转移过程中的不可控污染及其它影响因素。
附图说明
图1为现有的基于斜切蓝宝石衬底的氧化镓薄膜外延方法示意图；其中，(a)为当蓝宝石衬底没有斜切角时，蓝宝石衬底表面吸附的Ga原子随意成核的示意图，(b)为当斜切角过小时，蓝宝石衬底表面吸附的Ga原子随意成核的示意图，(c)为在合适的斜切角度下，Ga原子并入台阶边缘形成稳定的台阶流生长的示意图，(d)为斜切角度较大时，Ga原子扩散到相邻的台阶上形成台阶聚并的示意图。
图2为现有的基于氧化镓衬底的氧化镓薄膜同质外延方法示意图。
图3为本发明实施例的含衬底、GaN薄膜和具有纳米孔结构的Ga2O3缓冲层的示意图。
图4为本发明实施例的在衬底上外延生长GaN薄膜的示意图。
图5为图4中表面的GaN薄膜氧化形成Ga2O3缓冲层的示意图。
图6为图5中Ga2O3缓冲层表面形成纳米孔结构的示意图。
图7为图6中纳米孔内填充Ga2O3的示意图。
图8为图7纳米孔填充完毕后进行横向外延生长Ga2O3薄膜的示意图。
图9为图8横向外延生长完毕后进行纵向外延生长Ga2O3薄膜的示意图。
具体实施方式
本发明提供一种氧化镓薄膜外延方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
结合图3所示，本发明实施例提供一种氧化镓薄膜外延方法，其中，包括步骤：
S1、在衬底上外延生长GaN薄膜；
S2、对所述GaN薄膜进行表面氧化处理，使表面的GaN薄膜氧化为Ga2O3缓冲层；
S3、对所述Ga2O3缓冲层进行表面刻蚀处理，得到具有纳米孔结构的Ga2O3缓冲层；
S4、在所述具有纳米孔结构的Ga2O3缓冲层上外延生长氧化镓薄膜。
本发明实施例通过在衬底上外延生长氮化镓(GaN)薄膜，并进行表面氧化处理使一部分GaN薄膜氧化形成Ga2O3缓冲层。通常，经过氧化形成的Ga2O3缓冲层质量较差，因此需对其进一步优化处理。采用镓源热分解形成的Ga原子，对氧化形成的Ga2O3缓冲层进行表面刻蚀反应，具体表现为Ga原子与Ga2O3缓冲层发生化学反应，生成气态的Ga2O从而实现纳米孔刻蚀，获得具有纳米孔结构的Ga2O3缓冲层，如图3所示。随后，利用这种具有纳米孔结构的薄膜作为缓冲层，原位外延生长Ga2O3薄膜。具体主要由于纳米孔具备台阶结构的特点，且在孔内具有大量的悬挂键，能够降低外延生长的成核能，因此纳米孔成为了Ga吸附原子的优先结合点，在纳米孔内优先形成Ga2O3分子团；另外辅以生长条件的控制，进行纳米孔的填充。随着纳米孔被填充完毕，调整生长参数使得横向生长速率大于纵向生长速率，进行横向外延生长，使得分立的薄膜块进行合并，进而形成更大尺寸的外延薄膜。在薄膜完全合并后，继续调整生长参数提高纵向生长速率，使得纵向生长速率大于横向生长速率，进行纵向外延生长使薄膜长厚。
本发明实施例采用具有纳米孔结构的Ga2O3薄膜作为高质量Ga2O3薄膜外延的缓冲层，并利用该纳米孔结构易于选择性生长的特点实现横向外延，有效提高了外延Ga2O3薄膜的晶体质量。另外，从实现具有纳米孔结构的Ga2O3缓冲层到Ga2O3薄膜的外延生长，均可原位进行，无需改变系统环境，避免杂质污染，获得高质量外延Ga2O3薄膜。
步骤S1中，在衬底上外延生长GaN薄膜，如图4所示。
在一种实施方式中，所述衬底为Si衬底、蓝宝石衬底或c面Al2O3衬底。
在一种实施方式中，采用金属有机化合物化学气相沉积(MOCVD)方法、分子束外延(MBE)方法或氢化物气相外延(HVPE)等外延方法，在所述衬底上外延生长GaN薄膜。
步骤S2中，对所述GaN薄膜进行表面氧化处理，使表面的GaN薄膜氧化形成Ga2O3缓冲层，如图5所示。
在一种实施方式中，采用热氧化方法、臭氧处理方法、氧等离子体处理方法或辐照方法等对所述GaN薄膜进行表面氧化处理，使表面的一层GaN薄膜氧化为Ga2O3缓冲层。
在一种实施方式中，采用热氧化方法对所述GaN薄膜进行表面氧化处理，所述采用热氧化方法对所述GaN薄膜进行表面氧化处理的工艺条件包括：所述表面氧化处理的温度为850-1000℃，所述表面氧化处理的时间为2-4h，所述表面氧化处理在氧气气氛下进行。
步骤S3中，对所述Ga2O3缓冲层进行表面刻蚀处理，得到具有纳米孔结构的Ga2O3缓冲层，如图6所示。
在一种实施方式中，对所述Ga2O3缓冲层进行表面刻蚀处理，得到具有纳米孔结构的Ga2O3缓冲层的步骤，具体包括：采用金属有机化合物化学气相沉积方法将三甲基镓源(TMGa)热分解形成Ga液滴，利用所述Ga液滴对所述Ga2O3缓冲层进行表面刻蚀处理，得到具有纳米孔结构的Ga2O3缓冲层。
MOCVD设备中的TMGa热分解形成Ga液滴，利用Ga液滴对所得的Ga2O3缓冲层的表面进行刻蚀处理，具体表现为Ga原子与Ga2O3缓冲层发生化学反应，生成气态的Ga2O从而实现纳米孔刻蚀，获得具有纳米孔结构的Ga2O3缓冲层。
在一种实施方式中，对所述Ga2O3缓冲层进行表面刻蚀处理的步骤包括：在MOCVD设备的反应室内通入TMGa，TMGa流量为10-50sccm，载气为氮气或者氩气，在350-550℃下进行表面刻蚀处理2-5min。
步骤S4中，在所述具有纳米孔结构的Ga2O3缓冲层上外延生长Ga2O3薄膜(厚度可以为1-3μm)的步骤，具体包括：
S41、首先在纳米孔中沉积Ga2O3。即纳米孔的填充，如图7所示。
具体可以通过MOCVD等外延方法沉积Ga2O3，通入TMGa和氧气，并通过调整生长参数，使Ga、O原子团聚集在纳米孔中并形成Ga2O3，逐步填充纳米孔。其中，所述生长参数为：生长温度为750-1000℃，反应室压强为5-10kpa，TMGa流量为10-30sccm，氧气流量为50-200sccm，生长时间为5-20min。
S42、然后进行横向外延生长Ga2O3薄膜。即薄膜的横向合并，如图8所示。
具体可以通过MOCVD等外延方法，通入TMGa和氧气，并通过调整生长参数，使得横向生长速率大于纵向生长速率，进行横向外延生长，使得分立的薄膜块进行合并，进而形成大尺寸的外延薄膜。
优选地，所述生长参数为：生长温度为850-1000℃，反应室压强为5-10kpa，TMGa流量为10-30sccm，氧气流量为50-200sccm，生长时间为10-30min。
因为生长温度的增加，TMGa分解效率逐渐增加，TMGa分解效率的逐渐增加促进了β-Ga2O3薄膜横向生长速度的提升。O2流量的增加，生长过程中的寄生反应有所增强，影响了外延膜的生长效率，从而抑制了薄膜的横向生长。因此，提高横向生长速度主要在于提升生长温度与降低氧气流量，或增加TMGa流量以提升Ga原子数量，并降低压强增加Ga原子的扩散长度。采用上述生长参数，有利于提高横向生长速度，从而提高外延膜的生长效率。
S43、最后进行纵向外延生长Ga2O3薄膜，如图9所示。
具体可以通过MOCVD等外延方法，通入TMGa和氧气，并通过调节生长参数，使得纵向生长速率大于横向生长速率，进行纵向外延生长，使薄膜逐渐长厚，实现大尺寸、高质量Ga2O3薄膜的生长。
优选地，所述生长参数为：生长温度为800-900℃，反应室压强为5-10kpa，TMGa流量为10-50sccm，氧气流量为500-1500sccm，生长时间为0.5-5h。
降低横向生长速度在于降低生长温度与提升氧气流量，或降低TMGa流量，以及提高反应室压强。采用上述生长参数，有利于提高纵向生长速度，从而提高外延膜的生长效率。
下面通过具体的实施例对本发明做进一步地说明。
实施例1
本实施例的氧化镓薄膜外延在MOCVD设备内进行，所述氧化镓薄膜外延方法，具体步骤如下：
(1)将Si衬底置于MOCVD设备的反应室内，以三甲基镓(TMGa)作为镓源，氨气(NH3)作为氮源，并用氢气(H2)和氮气(N2)的混合气体作为载气，将反应原料载入反应腔内，加热到850℃，使反应原料发生反应，在Si衬底上沉积得到GaN薄膜；
(2)采用热氧化方法对所述GaN薄膜进行表面氧化处理，具体在MOCVD设备的反应室内，在O2氛围下，900℃下退火3h，使表面一部分GaN薄膜氧化形成50nm厚的Ga2O3缓冲层；
(3)采用MOCVD方法将三甲基镓源(TMGa)热分解形成Ga液滴，利用所述Ga液滴对热氧化形成的Ga2O3缓冲层进行表面刻蚀处理，获得具有纳米孔结构的Ga2O3缓冲层。具体是在MOCVD设备的反应室内通入TMGa，TMGa流量为30sccm，载气为氮气，在450℃下进行表面刻蚀处理3min，刻蚀深度为40nm；
(4)随后，在具有纳米孔结构的Ga2O3缓冲层上原位外延生长2μm厚的Ga2O3薄膜。具体通过金属有机化合物化学气相沉积方法沉积Ga2O3，通入TMGa和氧气，并通过调整生长参数，使Ga、O原子团聚集在纳米孔中并形成Ga2O3；其中，所述生长参数为：生长温度为900℃，反应室压强为10kpa，TMGa流量为20sccm，氧气流量为100sccm，生长时间为10min，随着纳米孔被填充完毕，通过调整生长参数，使得横向生长速率大于纵向生长速率，进行横向外延生长，使得分立的薄膜块进行合并，进而形成大尺寸的外延薄膜；其中，所述生长参数为：生长温度为1000℃，反应室压强为5kpa，TMGa流量为15sccm，氧气流量为70sccm，生长时间为20min，在薄膜完全合并后，继续调整生长参数提高纵向生长速率，使得纵向生长速率大于横向生长速率，进行纵向外延生长；其中，所述生长参数为：生长温度为850℃，反应室压强为8kpa，TMGa流量为40sccm，氧气流量为700sccm，生长时间为3h。
实施例2
本实施例的氧化镓薄膜外延在MOCVD设备内进行，所述氧化镓薄膜外延方法，具体步骤如下：
(1)将c面Al2O3衬底置于MOCVD设备的反应室内，以三甲基镓(TMGa)作为镓源，氨气(NH3)作为氮源，并用氢气(H2)和氮气(N2)的混合气体作为载气，将反应原料载入反应腔内，加热到1000℃，使反应原料发生反应，在c面Al2O3衬底上沉积得到GaN薄膜；
(2)采用热氧化方法对所述GaN薄膜进行表面氧化处理，具体在MOCVD设备的反应室内，在O2氛围下，1000℃下退火2h，使表面一部分GaN薄膜氧化形成70nm厚的Ga2O3缓冲层；
(3)采用MOCVD方法将三甲基镓源(TMGa)热分解形成Ga液滴，利用所述Ga液滴对热氧化形成的Ga2O3缓冲层进行表面刻蚀处理，获得具有纳米孔结构的Ga2O3缓冲层。具体是在MOCVD设备的反应室内通入TMGa，TMGa流量为30sccm，载气为氮气，在550℃下进行表面刻蚀处理3min，刻蚀深度55nm；
(4)随后，在具有纳米孔结构的Ga2O3缓冲层上原位外延生长3μm厚的Ga2O3薄膜。具体通过金属有机化合物化学气相沉积方法沉积Ga2O3，通入TMGa和氧气，并通过调整生长参数，使Ga、O原子团聚集在纳米孔中并形成Ga2O3；其中，所述生长参数为：生长温度为850℃，反应室压强为10kpa，TMGa流量为25sccm，氧气流量为120sccm，生长时间为10min，随着纳米孔被填充完毕，通过调整生长参数，使得横向生长速率大于纵向生长速率，进行横向外延生长，使得分立的薄膜块进行合并，进而形成大尺寸的外延薄膜；其中，所述生长参数为：生长温度为1000℃，反应室压强为6kpa，TMGa流量为30sccm，氧气流量为90sccm，生长时间为25min，在薄膜完全合并后，继续调整生长参数提高纵向生长速率，使得纵向生长速率大于横向生长速率，进行纵向外延生长；其中，所述生长参数为：生长温度为800℃，反应室压强为10kpa，TMGa流量为50sccm，氧气流量为900sccm，生长时间为4h。
实施例3
本实施例的氧化镓薄膜外延在MOCVD设备内进行，所述氧化镓薄膜外延方法，具体步骤如下：
(1)将Si衬底置于MOCVD设备的反应室内，以三甲基镓(TMGa)作为镓源，氨气(NH3)作为氮源，并用氢气(H2)和氮气(N2)的混合气体作为载气，将反应原料载入反应腔内，加热到800℃，使反应原料发生反应，在Si衬底上沉积得到GaN薄膜；
(2)采用热氧化方法对所述GaN薄膜进行表面氧化处理，具体在MOCVD设备的反应室内，在O2氛围下，850℃下退火4h，使表面一部分GaN薄膜氧化形成60nm厚的Ga2O3缓冲层；
(3)采用MOCVD方法将三甲基镓源(TMGa)热分解形成Ga液滴，利用所述Ga液滴对热氧化形成的Ga2O3缓冲层进行表面刻蚀处理，获得具有纳米孔结构的Ga2O3缓冲层。具体是在MOCVD设备的反应室内通入TMGa，TMGa流量为50sccm，载气为氮气，在400℃下进行表面刻蚀处理5min，刻蚀深度为40nm；
(4)随后，在具有纳米孔结构的Ga2O3缓冲层上原位外延生长1μm厚的Ga2O3薄膜。具体通过金属有机化合物化学气相沉积方法沉积Ga2O3，通入TMGa和氧气，并通过调整生长参数，使Ga、O原子团聚集在纳米孔中并形成Ga2O3；其中，所述生长参数为：生长温度为1000℃，反应室压强为8kpa，TMGa流量为10sccm，氧气流量为100sccm，生长时间为15min，随着纳米孔被填充完毕，通过调整生长参数，使得横向生长速率大于纵向生长速率，进行横向外延生长，使得分立的薄膜块进行合并，进而形成大尺寸的外延薄膜；其中，所述生长参数为：生长温度为850℃，反应室压强为5kpa，TMGa流量为10sccm，氧气流量为60sccm，生长时间为20min，在薄膜完全合并后，继续调整生长参数提高纵向生长速率，使得纵向生长速率大于横向生长速率，进行纵向外延生长；其中，所述生长参数为：生长温度为900℃，反应室压强为5kpa，TMGa流量为30sccm，氧气流量为1000sccm，生长时间为1h。
综上所述，本发明提供的一种氧化镓薄膜外延方法，通过使用Si或蓝宝石等衬底，在该衬底上外延生长GaN薄膜，采用表面氧化处理技术将GaN薄膜的表层转化为Ga2O3缓冲层，再经原位Ga腐蚀技术形成纳米孔结构。由于纳米孔结构具备台阶结构，在台阶处，Ga原子和O原子更容易聚集，也即形成成核点，进行不含掩膜的选择性生长，Ga原子和O原子优先堆积在纳米孔内并形成Ga2O3晶粒，通过控制生长条件使得晶粒不断长大，填充纳米孔，再进行横向外延生长实现薄膜的合并，从而降低材料生长过程中的缺陷，最后进行纵向外延生长使薄膜长厚。本发明采用具有纳米孔结构的Ga2O3薄膜作为高质量Ga2O3薄膜外延的缓冲层，并利用该纳米孔结构易于选择性生长的特点实现横向外延，有效提高了外延Ga2O3薄膜的晶体质量。另外，使用Si或蓝宝石等衬底，无需采用昂贵的Ga2O3单晶衬底，大幅降低了外延的成本。此外，从实现具有纳米孔结构的Ga2O3缓冲层到Ga2O3薄膜的外延生长，均可原位进行，无需改变系统环境，避免杂质污染，获得高质量外延Ga2O3薄膜。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (10)
1.一种氧化镓薄膜外延方法，其特征在于，包括步骤：
在衬底上外延生长GaN薄膜；
对所述GaN薄膜进行表面氧化处理，使表面的GaN薄膜氧化为Ga2O3缓冲层；
对所述Ga2O3缓冲层进行表面刻蚀处理，得到具有纳米孔结构的Ga2O3缓冲层；
在所述具有纳米孔结构的Ga2O3缓冲层上外延生长氧化镓薄膜。
2.根据权利要求1所述的氧化镓薄膜外延方法，其特征在于，所述衬底为Si衬底或蓝宝石衬底。
3.根据权利要求1所述的氧化镓薄膜外延方法，其特征在于，采用金属有机化合物化学气相沉积方法、分子束外延方法或氢化物气相外延方法，在所述衬底上外延生长GaN薄膜。
4.根据权利要求1所述的氧化镓薄膜外延方法，其特征在于，采用热氧化方法、臭氧处理方法、氧等离子体处理方法或辐照方法对所述GaN薄膜进行表面氧化处理。
5.根据权利要求4所述的氧化镓薄膜外延方法，其特征在于，采用热氧化方法对所述GaN薄膜进行表面氧化处理，所述采用热氧化方法对所述GaN薄膜进行表面氧化处理的工艺条件包括：所述表面氧化处理的温度为850-1000℃，所述表面氧化处理的时间为2-4h，所述表面氧化处理在氧气气氛下进行。
6.根据权利要求1所述的氧化镓薄膜外延方法，其特征在于，对所述Ga2O3缓冲层进行表面刻蚀处理，得到具有纳米孔结构的Ga2O3缓冲层的步骤，具体包括：采用金属有机化合物化学气相沉积方法将三甲基镓源热分解形成Ga液滴，利用所述Ga液滴对所述Ga2O3缓冲层进行表面刻蚀处理，得到具有纳米孔结构的Ga2O3缓冲层。
7.根据权利要求6所述的氧化镓薄膜外延方法，其特征在于，对所述Ga2O3缓冲层进行表面刻蚀处理的步骤包括：在金属有机化合物化学气相沉积设备的反应室内通入三甲基镓源，三甲基镓源流量为10-50sccm，载气为氮气或者氩气，在350-550℃下进行表面刻蚀处理2-5min。
8.根据权利要求1所述的氧化镓薄膜外延方法，其特征在于，在所述具有纳米孔结构的Ga2O3缓冲层上外延生长氧化镓薄膜的步骤，具体包括：
首先在纳米孔中沉积Ga2O3；
然后进行横向外延生长Ga2O3薄膜；
最后进行纵向外延生长Ga2O3薄膜。
9.根据权利要求8所述的氧化镓薄膜外延方法，其特征在于，在纳米孔中沉积Ga2O3的步骤，具体包括：在金属有机化合物化学气相沉积设备的反应室内通入三甲基镓源和氧气，调整生长参数，使Ga、O原子团聚集在纳米孔中并形成Ga2O3；
其中，所述生长参数为：生长温度为750-1000℃，反应室压强为5-10kpa，三甲基镓源流量为10-30sccm，氧气流量为50-200sccm，生长时间为5-20min。
10.根据权利要求9所述的氧化镓薄膜外延方法，其特征在于，进行横向外延生长Ga2O3薄膜的步骤，具体包括：调整生长参数，使得横向生长速率大于纵向生长速率，进行横向外延生长；其中，所述生长参数为：生长温度为850-1000℃，反应室压强为5-10kpa，三甲基镓源流量为10-30sccm，氧气流量为50-200sccm，生长时间为10-30min。
进行纵向外延生长Ga2O3薄膜的步骤，具体包括：调整生长参数，使得纵向生长速率大于横向生长速率，进行纵向外延生长；其中，所述生长参数为：生长温度为800-900℃，反应室压强为5-10kpa，三甲基镓源流量为10-50sccm，氧气流量为500-1500sccm，生长时间为0.5-5h。
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