一种在导电型氧化镓衬底上制备同质外延氧化镓薄膜的方法及HVPE设备与流程

一种在导电型氧化镓衬底上制备同质外延氧化镓薄膜的方法及hvpe设备
技术领域
1.本发明涉及氧化镓薄膜制备技术领域，尤其涉及一种在导电型氧化镓衬底上制备同质外延氧化镓薄膜的方法及hvpe设备。
技术背景
2.氧化镓(ga2o3)作为新兴的第三代宽禁带半导体，具有超宽禁带、高击穿场强等优点。它是一种透明的氧化物半导体材料，由于其优异的物理化学特性、良好的导电型以及发光性能，在功率半导体器件、紫外探测器、气体传感器以及光电子器件领域具有广阔的应用前景。氧化镓有5种晶体结构，分别为斜方六面体(α)、单斜晶系(β)、缺陷尖晶石(γ)、立方体(δ)以及正交晶体(ε)。β-ga2o3因为高温下的稳定性，所以逐渐成为近几年来国内外的研究热点，不特殊说明，下面所提到的氧化镓均指的是β-ga2o3。
3.氧化镓主要有以下优点：(1)禁带宽度为4.8～4.9ev，击穿场强高达8mv/cm。巴利加优值是半导体领域的低损失性能指标，而氧化镓的巴利加优值高达3400，大约是sic的10倍、gan的4倍。因此，在制造相同耐压的单极功率器件时，元件的导通电阻比sic、gan低得多，极大降低器件的导通损耗；(2)可以利用区熔法(fz)、直拉法(cz)、导模法(efg)等熔融法来生长大尺寸、高质量的氧化镓单晶衬底材料，可以从大块单晶中得到氧化镓晶片。相比较sic和gan生长技术，更容易获得高质量、低成本的单晶材料；(3)在氧化镓的外延方法中，卤化物气相外延(hvpe)法具有生长速度快、生长薄膜较厚、成本较低等优势。因此，可以利用hvpe设备，在导电型氧化镓衬底上同质外延一层数十微米厚的弱导电型氧化镓薄膜，用于制备高性能的垂直型肖特基二极管(sbd)器件。
4.在氧化镓的外延方法中，hvpe技术在生长速度、薄膜厚度、薄膜质量、原位检测和生长成本等方面的综合性能较好，最适合未来的工业化量产。其中对于薄膜的均匀性而言，垂直式hvpe反应器优于水平式，而被广泛使用。针对现有的垂直式hvpe技术特点，在使用垂直式hvpe设备制备氧化镓同质外延薄膜的过程中，期望使氧化镓衬底维持在一个适合生长氧化镓薄膜的均匀的高温状态。现有技术中，有两种方法可以实现氧化镓衬底的加热：(1)通过分布在石英管侧壁的电阻丝，将热量传递给石墨托盘，进而加热石墨托盘上的氧化镓衬底；(2)通过布置在石英管外侧的射频感应线圈，快速加热石英管内部的石墨托盘，进而将热量传递给石墨托盘上的氧化镓衬底。然而，在方法(1)中，由于加热丝的布置使得热量从外壁向反应室内扩散时的温度递减，导致石墨托盘的径向受热是不均匀的，石墨托盘上的衬底自然也受热不均匀；在方法(2)中，由于射频加热具有集肤效应，且在被加热物料的边角处具有集中加热效应，所以在加热石墨托盘的过程中，石墨托盘的受热也是不均匀的，衬底自然也受热不均匀，严重影响制备出来的外延片的质量和厚度均匀性，甚至导致外延层的开裂。
5.因此，现有技术还有待于改进和发展。


技术实现要素：

6.鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种在导电型氧化镓衬底上制备同质外延氧化镓薄膜的方法及hvpe设备，旨在解决现有技术在导电型氧化镓衬底上制备的氧化镓外延片质量及厚度均匀性较差的问题。
7.本发明的技术方案如下：
8.一种在导电型氧化镓衬底上制备同质外延氧化镓薄膜的hvpe设备，包括hvpe反应室、设置在所述hvpe反应室内的石墨托盘，以及设置在所述石墨托盘上的导电型氧化镓衬底，其中，所述导电型氧化镓衬底的上方对应设置有激光器，所述激光器发出的激光波长为1800-2200nm，且所述激光器发出的激光光斑覆盖对应导电型氧化镓衬底的整个顶部。
9.所述在导电型氧化镓衬底上制备同质外延氧化镓薄膜的hvpe设备，其中，所述石墨托盘上设置至少一个导电型氧化镓衬底，每个导电型氧化镓衬底的上方均对应设置有一个激光器。
10.所述在导电型氧化镓衬底上制备同质外延氧化镓薄膜的hvpe设备，其中，所述激光器上设置有扩束器。
11.一种基于hvpe设备在导电型氧化镓衬底上制备同质外延氧化镓薄膜的方法，其中，包括步骤：
12.将导电型氧化镓衬底放入到石墨托盘上，关闭hvpe反应室；
13.打开激光器使导电型氧化镓衬底温度升高至高于外延氧化镓薄膜生长温度20-200℃，进行30-300min的热处理；
14.调节激光器功率将导电型氧化镓衬底温度降至500-1300℃的外延薄膜生长温度；
15.利用惰性气体将含cl气体流过金属ga，在300-1000℃下产生gacl作为镓源，然后输送到所述hvpe反应室；
16.利用惰性气体将n型掺杂源输送到所述hvpe反应室中；
17.最后利用惰性气体将氧源输送到所述hvpe反应室中，在所述导电型氧化镓衬底上生成同质外延弱导电型氧化镓薄膜。
18.所述在导电型氧化镓衬底上制备同质外延氧化镓薄膜的方法，其中，所述惰性气体为氮气、氦气和氩气中的一种或多种。
19.所述在导电型氧化镓衬底上制备同质外延氧化镓薄膜的方法，其中，利用惰性气体将含cl气体流过金属ga的步骤中，惰性气体的流量为100-1000sccm，含cl气体的流量为50-500sccm。
20.所述在导电型氧化镓衬底上制备同质外延氧化镓薄膜的方法，其中，所述n型掺杂源为sicl4或sncl4。
21.所述在导电型氧化镓衬底上制备同质外延氧化镓薄膜的方法，其中，在所述导电型氧化镓衬底上生成同质外延弱导电型氧化镓薄膜的过程中，根据厚度监测系统，实时反馈同质外延弱导电型氧化镓薄膜的生长速度和厚度，调节镓源、n型掺杂源和氧源流量，使同质外延弱导电型氧化镓薄膜的生长速度控制在1-10微米/小时。
22.所述在导电型氧化镓衬底上制备同质外延氧化镓薄膜的方法，其中，还包括步骤：
23.当同质外延弱导电型氧化镓薄膜的厚度达到20-80微米时，依次切断氧源、n型掺杂源和镓源的供应，控制导电型氧化镓衬底以20-200℃/小时的降温速率冷却至室温后取
样，关闭激光器。
24.有益效果：本发明提供了一种在导电型氧化镓衬底上制备同质外延氧化镓薄膜的方法及hvpe设备，所述导电型氧化镓衬底的上方对应设置有激光器，所述激光器发出的激光波长为1800-2200nm，且所述激光器发出的激光光斑覆盖对应导电型氧化镓衬底的整个顶部。本发明通过所述激光器以激光加热的方法直接加热hvpe反应室内的导电型氧化镓衬底，使导电型氧化镓衬底均匀受热，制备出高质量、厚度均匀的弱导电型氧化镓同质外延片。
附图说明
25.图1为本发明一种在导电型氧化镓衬底上制备同质外延氧化镓薄膜的hvpe设备结构示意图。
26.图2为sn掺杂(导电型)氧化镓衬底的透过率曲线图。
27.图3为一种在导电型氧化镓衬底上制备同质外延氧化镓薄膜的方法流程图。
具体实施方式
28.本发明提供了一种在导电型氧化镓衬底上制备同质外延氧化镓薄膜的方法及hvpe设备，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用以解释本发明，并不用于限定本发明。
29.由于在使用hvpe设备制备氧化镓同质外延薄膜的过程中，需要使氧化镓衬底维持在一个适合氧化镓薄膜生长的高温状态。而现有hvpe设备中对氧化镓衬底加热的方式均会导致衬底受热不均匀，从而严重影响外延片的质量和厚度均匀性，甚至导致外延片开裂。
30.基于此，本发明提供了一种在导电型氧化镓衬底上制备同质外延氧化镓薄膜的hvpe设备，如图1所示，其包括hvpe反应室10、设置在所述hvpe反应室10内的石墨托盘20，以及设置在所述石墨托盘20上的导电型氧化镓衬底30，其中，所述导电型氧化镓衬底30的上方对应设置有激光器40，所述激光器40发出的激光波长为1800-2200nm，且所述激光器40发出的激光光斑覆盖对应导电型氧化镓衬底的整个顶部。
31.具体来讲，根据文献报道，导电型氧化镓衬底在红外波段的透过率很低，这主要是因为电子的等离子体反射比较强，请参见图2(数据来自实验室实测值，设备信息：lambda 1050+紫外/可见/近红外分光光度计)，以及sci论文：structural and electronic characteristics of fe-dopedβ-ga2o3 single crystals and the annealing effects中关于电子的等离子体反射的解释。在使用常见的红外波段的激光，特别是2微米波段的激光加热导电型氧化镓衬底的过程中，由于衬底对红外激光的吸收很大，吸收率达到了90％左右，激光的热量可以直接被衬底吸收，只要用能量分布均匀的激光器直接照射导电型氧化镓衬底，即可实现hvpe反应室中导电型氧化镓衬底的均匀加热。
32.本实施例提供的导电型氧化镓衬底上制备同质外延氧化镓薄膜的hvpe设备，由于所述激光器40发出的激光光斑覆盖所述导电型氧化镓衬底30的整个顶部，因此通过激光加热的方式可实现均匀加热hvpe反应室中的导电型氧化镓衬底30，从而制备出高质量、厚度均匀的数十微米厚的弱导电型氧化镓同质外延薄膜，用于制备高耐压的垂直型sbd器件。
33.在一些实施方式中，所述石墨托盘上设置至少一个导电型氧化镓衬底，每个导电
型氧化镓衬底的上方均对应设置有一个激光器。作为举例，如图1所示，所述石墨托盘上设置有两个导电型氧化镓衬底，每个导电型氧化镓衬底的正上方对应设置有一个激光器。当然，所述石墨托盘上还可设置3个或多个导电型氧化镓衬底，相应地每个导电型氧化镓衬底的正上方均设置有一个激光器。每个激光器发出的激光光斑均能够覆盖对应导电型氧化镓衬底的整个顶部。
34.在一些实施方式中，所述激光器上设置有扩束器。本实施例中，通过在激光器上设置扩束器，可以调节激光的光斑尺寸，从而使激光的光斑能够覆盖对应导电型氧化镓衬底的整个顶部。
35.在一些实施方式中，还提供一种基于hvpe设备在导电型氧化镓衬底上制备同质外延氧化镓薄膜的方法，如图3所示，其包括步骤：
36.s10、将导电型氧化镓衬底放入到石墨托盘上，关闭hvpe反应室；
37.s20、打开激光器使导电型氧化镓衬底温度升高至高于外延氧化镓薄膜生长温度20-200℃，进行30-300min的热处理；
38.s30、调节激光器功率将导电型氧化镓衬底温度降至500-1300℃的外延薄膜生长温度；
39.s40、利用惰性气体将含cl气体流过金属ga，在300-1000℃下产生gacl作为镓源，然后输送到所述hvpe反应室；
40.s50、利用惰性气体将n型掺杂源输送到所述hvpe反应室中；
41.s60、最后利用惰性气体将氧源输送到所述hvpe反应室中，在所述导电型氧化镓衬底上生成同质外延弱导电型氧化镓薄膜；
42.s70、根据厚度监测系统，实时反馈同质外延弱导电型氧化镓薄膜的生长速度和厚度，调节镓源、n型掺杂源和氧源流量，使同质外延弱导电型氧化镓薄膜的生长速度控制在1-10微米/小时；
43.s80、当同质外延弱导电型氧化镓薄膜的厚度达到20-80微米时，依次切断氧源、n型掺杂源和镓源的供应，控制导电型氧化镓衬底以20-200℃/小时的降温速率冷却至室温后取样，关闭激光器。
44.在本实施例中，通过控制激光器的功率可以调节对导电型氧化镓衬底的加热温度；通过调节镓源、n型掺杂源和氧源的流量可以控制外延氧化镓薄膜的生长速度。在导电型氧化镓衬底上制备同质外延氧化镓薄膜的过程中，石墨托盘保持静止，尽可能的减少旋转对同质外延氧化镓薄膜生长过程的扰动，导电型氧化镓衬底在激光的照射下均匀的受热。同时，通过温度传感器实时的测量导电型氧化镓衬底温度，并反馈到激光器，进而调节激光输出功率，使得导电型氧化镓衬底温度维持在适合外延氧化镓薄膜生长的温度范围。
45.本实施例通过激光加热的方式均匀的加热hvpe设备反应室中的导电型氧化镓衬底，从而制备出高质量、厚度均匀的20-80微米的弱导电型氧化镓同质外延薄膜，用于制备高耐压的垂直型sbd器件。
46.在本实施例中，所述惰性气体为氮气、氦气和氩气中的一种或多种，但不限于此。
47.在本实施例利用惰性气体将含cl气体流过金属ga的步骤中，惰性气体的流量为100-1000sccm，含cl气体的流量为50-500sccm。
48.在本实施例中，所述n型掺杂源为sicl4或sncl4，利用惰性气体，即载气将n型掺杂
源输送到hvpe反应室的步骤中，惰性气体的流量为10-100sccm。
49.在本实施例利用惰性气体将氧源输送到hvpe反应室的步骤中，氧源的流量为100-1500sccm，所述氧源可以为氧气或者水蒸气。
50.下面通过具体实施例对本发明做进一步的解释说明：
51.实施例1
52.一种基于hvpe设备在导电型氧化镓衬底上制备同质外延氧化镓薄膜的方法，所述hvpe设备包括hvpe反应室、设置在所述hvpe反应室内的石墨托盘，以及设置在所述石墨托盘上的两个导电型氧化镓衬底，其中，每个导电型氧化镓衬底的上方对应设置有激光器，所述激光器发出的激光波长为2000nm，且所述激光器发出的激光光斑覆盖对应导电型氧化镓衬底的整个顶部；方法包括步骤：
53.将4英寸的sn掺杂导电型氧化镓衬底放入到石墨托盘上，关闭hvpe反应室；
54.打开激光器使导电型氧化镓衬底温度升高至高于外延氧化镓薄膜生长温度100℃，进行200min的热处理；
55.调节激光器功率将导电型氧化镓衬底温度降至900℃的外延薄膜生长温度；
56.利用氮气将hcl流过金属ga，在800℃下产生gacl作为镓源，然后输送到所述hvpe反应室，所述氮气的流量为500sccm，所述hcl的流量为250sccm；
57.利用氮气将n型掺杂源sicl4输送到所述hvpe反应室中，所述氮气的流量为50sccm；
58.最后利用氮气将氧气输送到所述hvpe反应室中，在所述导电型氧化镓衬底上生成同质外延弱导电型氧化镓薄膜，所述氧气的流量为1000sccm，所述hvpe反应室中气体的总流量维持在10slm；
59.根据厚度监测系统，实时反馈同质外延弱导电型氧化镓薄膜的生长速度和厚度，调节镓源、n型掺杂源和氧源流量，使同质外延弱导电型氧化镓薄膜的生长速度控制在5微米/小时；
60.当同质外延弱导电型氧化镓薄膜的厚度达到50微米时，依次切断氧源、n型掺杂源和镓源的供应，控制导电型氧化镓衬底以100℃/小时的降温速率冷却至室温后取样，关闭激光器。
61.实施例2
62.一种基于hvpe设备在导电型氧化镓衬底上制备同质外延氧化镓薄膜的方法，所述hvpe设备包括hvpe反应室、设置在所述hvpe反应室内的石墨托盘，以及设置在所述石墨托盘上的两个导电型氧化镓衬底，其中，每个导电型氧化镓衬底的上方对应设置有激光器，所述激光器发出的激光波长为1800nm，且所述激光器发出的激光光斑覆盖对应导电型氧化镓衬底的整个顶部；方法包括步骤：
63.将4英寸的sn掺杂导电型氧化镓衬底放入到石墨托盘上，关闭hvpe反应室；
64.打开激光器使导电型氧化镓衬底温度升高至高于外延氧化镓薄膜生长温度30℃，进行50min的热处理；
65.调节激光器功率将导电型氧化镓衬底温度降至600℃的外延薄膜生长温度；
66.利用氦气将cl2流过金属ga，在300℃下产生gacl作为镓源，然后输送到所述hvpe反应室，所述氦气的流量为100sccm，所述hcl的流量为50sccm；
67.利用氦气将n型掺杂源sncl4输送到所述hvpe反应室中，所述氦气的流量为10sccm；
68.最后利用氦气将氧气输送到所述hvpe反应室中，在所述导电型氧化镓衬底上生成同质外延弱导电型氧化镓薄膜，所述氧气的路两位100sccm，所述hvpe反应室中气体总流量为2slm；
69.根据厚度监测系统，实时反馈同质外延弱导电型氧化镓薄膜的生长速度和厚度，调节镓源、n型掺杂源和氧源流量，使同质外延弱导电型氧化镓薄膜的生长速度控制在20微米/小时；
70.当同质外延弱导电型氧化镓薄膜的厚度达到50微米时，依次切断氧源、n型掺杂源和镓源的供应，控制导电型氧化镓衬底以50℃/小时的降温速率冷却至室温后取样，关闭激光器。
71.实施例3
72.一种基于hvpe设备在导电型氧化镓衬底上制备同质外延氧化镓薄膜的方法，所述hvpe设备包括hvpe反应室、设置在所述hvpe反应室内的石墨托盘，以及设置在所述石墨托盘上的两个导电型氧化镓衬底，其中，每个导电型氧化镓衬底的上方对应设置有激光器，所述激光器发出的激光波长为2200nm，且所述激光器发出的激光光斑覆盖对应导电型氧化镓衬底的整个顶部；方法包括步骤：
73.将4英寸的sn掺杂导电型氧化镓衬底放入到石墨托盘上，关闭hvpe反应室；
74.打开激光器使导电型氧化镓衬底温度升高至高于外延氧化镓薄膜生长温度200℃，进行300min的热处理；
75.调节激光器功率将导电型氧化镓衬底温度降至1300℃的外延薄膜生长温度；
76.利用氩气将cl2流过金属ga，在1000℃下产生gacl作为镓源，然后输送到所述hvpe反应室，所述氩气的流量为1000sccm，所述cl2流量为500sccm；
77.利用氩气将n型掺杂源sicl4输送到所述hvpe反应室中，所述氩气的流量为100sccm；
78.最后利用氩气将氧源输送到所述hvpe反应室中，在所述导电型氧化镓衬底上生成同质外延弱导电型氧化镓薄膜，所述氧气流量为1500sccm，所述hvpe反应室中的气体总流量为20slm；
79.根据厚度监测系统，实时反馈同质外延弱导电型氧化镓薄膜的生长速度和厚度，调节镓源、n型掺杂源和氧源流量，使同质外延弱导电型氧化镓薄膜的生长速度控制在10微米/小时；
80.当同质外延弱导电型氧化镓薄膜的厚度达到50微米时，依次切断氧源、n型掺杂源和镓源的供应，控制导电型氧化镓衬底以200℃/小时的降温速率冷却至室温后取样，关闭激光器。
81.对比例1
82.一种基于hvpe设备在导电型氧化镓衬底上制备同质外延氧化镓薄膜的方法，所述hvpe设备包括hvpe反应室、设置在所述hvpe反应室内的石墨托盘，以及设置在所述石墨托盘上的4英寸的sn掺杂导电型氧化镓衬底，其中，所述石墨托盘的下方设置有加热丝；方法包括步骤：
83.打开加热丝电源使导电型氧化镓衬底温度升高至高于外延氧化镓薄膜生长温度100℃，进行200min的热处理；
84.调节加热丝功率将导电型氧化镓衬底温度降至900℃的外延薄膜生长温度；
85.利用氮气将hcl流过金属ga，在800℃下产生gacl作为镓源，然后输送到所述hvpe反应室，所述氮气的流量为500sccm，所述hcl的流量为250sccm；
86.利用氮气将n型掺杂源sicl4输送到所述hvpe反应室中，所述氮气的流量为50sccm；
87.最后利用氮气将氧气输送到所述hvpe反应室中，在所述导电型氧化镓衬底上生成同质外延弱导电型氧化镓薄膜，所述氧气的流量为1000sccm，所述hvpe反应室中气体的总流量维持在10slm；
88.根据厚度监测系统，实时反馈同质外延弱导电型氧化镓薄膜的生长速度和厚度，调节镓源、n型掺杂源和氧源流量，使同质外延弱导电型氧化镓薄膜的生长速度控制在5微米/小时；
89.当同质外延弱导电型氧化镓薄膜的厚度达到50微米时，依次切断氧源、n型掺杂源和镓源的供应，控制导电型氧化镓衬底以100℃/小时的降温速率冷却至室温后取样，关闭加热丝电源。
90.实施例4
91.对实施例1-3以及对比例1制备的同质外延氧化镓薄膜的厚度以及厚度标准差进行测量
92.晶圆上同质外延氧化镓薄膜制备结束之后，在晶圆上米字型选择32个点(四个直径方向等间距的分布8个点，四个方向等间距成45度角，不包含圆心)进行膜厚测量：利用聚焦离子束(focused ion beam，fib)外延片表面的测试点位置作截面断层，用sem可清晰看到外延层和衬底的界面，进而准确测量同质外延弱导电型氧化镓薄膜的厚度，结果如表1所示：
93.表1同质外延氧化镓薄膜厚度测量结果
[0094][0095]
从表1结果可以看出，相对于对比例，采用本发明方法制备的同质外延弱导电型氧化镓薄膜厚度更接近于目标厚度，且本发明方法制备的同质外延弱导电型氧化镓薄膜厚度标准差较小，说明本发明制备的同质外延弱导电型氧化镓薄膜厚度均匀度较高，质量更佳。
[0096]
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。