基于蓝宝石衬底的氧化镓薄膜及其生长方法
【技术领域】
[0001]本发明属于微电子技术领域，涉及半导体材料的生长方法，具体来说是一种Ga203薄膜制作方法，可用于制作半导体功率器件。
【背景技术】
[0002]近年来以SiC和GaN为代表的第三代半导体以其禁带宽度大、击穿电场高、热导率高、饱和电子速度大和异质结界面二维电子气浓度高等特性，使其受到广泛关注。尽管第三代半导体材料与器件取得了重大的进展，并且已经进入了实用化阶段，但是由于SiC和GaN材料存在许多缺陷使得其在大范围内应用仍然受到很大的限制。为此，在SiC和GaN材料生长、器件制造和推广应用的基础上，人们也在不断寻找本身具有同质衬底、材料性能优良、价格便宜的半导体材料能够弥补上述两种材料的不足，同时禁带宽度较宽、击穿场强较大适于制造功率器件。
[0003]Ga203半导体材料尤其引起人们的兴趣，Ga203半导体材料禁带宽度大，击穿场强高、导通电阻小，能够进行同质外延、是功率器件研制的最佳材料选择。Ga203属于单斜晶体，禁带宽度约为4.8eV-4.9eVo目前已经通过浮区法和导模法获得了 2英寸和4英寸的Ga203单晶衬底，通过在Ga203单晶衬底上同质外延生长Ga203薄膜的方法能够获得缺陷位错少、晶格结构相对完整、载流子浓度在117CnT3?10 19CnT3连续变化的高质量薄膜，具有优良的光学性能以及稳定的理化性质，可以用来制作高性能的功率电子器件、紫外传感器、日盲探测器等，具有广泛的应用前景。
[0004]蓝宝石是一种绝缘材料，具有优良的化学稳定性和高的机械强度，同时蓝宝石价格适中、制造技术相对成熟，目前广泛应用于半导体材料生长之中。
[0005]为了能够更好的利用材料的优势，人们对Ga203薄膜的生长进行了大量的研宄。所采用的生长方法主要有:脉冲激光沉积法PLD、溶胶-凝胶法、化学气相沉积法CVD、金属有机物化学气相淀积MOCVD和磁控溅射法等。
[0006]脉冲激光沉积PLD是近年来发展起来的使用范围最广，最有希望的制膜技术。简单来说，脉冲激光沉积PLD就是脉冲激光光束聚焦在固体靶面上，激光超强的功率使得靶物质快速等离子化，然后溅镀到目标物上。它具有以下优点:1.由于激光光子能量很高，可溅射制备很多困难的镀层:如高温超导薄膜，陶瓷氧化物薄膜，多层金属薄膜等；PLD可以用来合成纳米管，纳米粉末等。2.PLD可以通过控制激光能量和脉冲数，精密的控制膜厚。3.易获得期望化学计量比的多组分薄膜。4.沉积速率高，试验周期短，衬底温度要求低。5.工艺参数任意调节。6.便于清洁处理，可以制备多种薄膜材料。
[0007]但是，目前采用PLD沉积Ga203薄膜均采用单一生长法，即在生长过程中采用完全相同的工艺参数，包括氧气压力、激光能量、衬底温度等进行生长，使得采用PLD技术在蓝宝石衬底上进行异质外延得到的Ga203薄膜表面形貌差、晶粒尺寸小。
【发明内容】
[0008]本发明的目的在于针对上述已有脉冲激光沉积法PLD的不足，提出一种基于蓝宝石衬底的氧化镓薄膜及其生长方法，以通过对工艺参数的调整和优化，降低薄膜表面粗糙度，改善Ga203薄膜表面形貌，获得高质量的Ga203宽禁带半导体材料。
[0009]本发明的技术方案是这样实现的:
[0010]本发明基于蓝宝石衬底的氧化镓薄膜，包括蓝宝石衬底和氧化镓外延层，其特征在于:蓝宝石衬底与氧化镓外延层之间设有7-12nm的氧化镓缓冲层。
[0011]本发明基于蓝宝石衬底的氧化镓薄膜的生长方法，包括如下步骤:
[0012](I)对蓝宝石衬底进行清洗，并用氮气吹干；
[0013](2)利用PLD设备在蓝宝石衬底上生长7-12nm的氧化镓缓冲层，其工艺参数为:
[0014]衬底温度500°C?600°C，
[0015]氧分压0.009mbar ?0.02mbar,
[0016]激光能量420mJ ?460mJ，
[0017]激光频率2Hz?3Hz;
[0018](3)在氩气氛围里对氧化镓缓冲层进行热退火；
[0019](4)改变PLD的工艺参数在氧化镓缓冲层上生长氧化镓外延层。其工艺参数为:
[0020]衬底温度625O?700O，
[0021]氧分压0.04mbar ?0.06mbar，
[0022]激光能量310mJ ?360mJ，
[0023]激光频率2Hz?4Hz。
[0024]本发明由于在蓝宝石衬底和Ga203外延层之间设有Ga203缓冲层，提高了 Ga203薄膜最初生长时反应物原子在衬底上的覆盖率，增加了籽晶形核密度，同时由于对Ga203缓冲层进行热处理，提高了缓冲层的结晶质量；此外由于通过调整外延生长的工艺参数进行Ga203外延层的生长，不仅增加了 Ga203晶粒尺寸，降低薄膜表面粗糙度，而且改善了整个Ga203薄膜的表面形貌。
【附图说明】
[0025]图1是本发明的剖面结构示意图；
[0026]图2是本发明的工艺流程示意图。
【具体实施方式】
[0027]参照图1，本发明包括蓝宝石衬底1、缓冲层2和外延层3。其中蓝宝石衬底I的取向为(0001)，外延层3采用厚度为90-160nm的Ga203材料，缓冲层2采用厚度为7_12nm的Ga203材料，且位于蓝宝石衬底I与外延层3之间。
[0028]参照图2，本发明的制作方法给出如下三种实施例:
[0029]实施例1，制作缓冲层厚度为7nm的氧化镓薄膜。
[0030]步骤I，清洗蓝宝石衬底。
[0031](Ia)将蓝宝石衬底置于硫酸和磷酸的混合液中浸泡30min，硫酸和磷酸的比例为3:1 ；
[0032](Ib)分别用丙酮和无水乙醇清洗蓝宝石衬底6min ;
[0033](Ic)用去离子水漂洗蓝宝石衬底，并用干燥的氮气吹干。
[0034]步骤2，生长厚度为7nm的氧化镓缓冲层。
[0035](2a)将清洗后的蓝宝石衬底放入脉冲激光沉积PLD腔室中，将脉冲激光沉积PLD腔室的真空度抽到10_6mbar，衬底和氧化镓靶材之间的距离调整为50mm，靶材的转速保持30rpm ；
[0036](2b)将蓝宝石衬底加热到500°C，调整脉冲激光沉积PLD腔室中氧分压为0.009mbar,设置激光能量为420mJ，激光频率为2Hz，脉冲次数为900生长Ga203缓冲层；
[0037](2c)在缓冲层生长结束后向脉冲激光沉积PLD腔室中充入200mbar的氧气，然后让生长的氧化镓缓冲层薄膜自然冷却。
[0038]步骤3，在氩气氛围里对氧化镓缓冲层进行热退火，退火温度为800°C，退火时间70mino
[0039]步骤4，生长厚度为90nm的氧化镓外延层。
[0040](4a)将热退火后的氧化镓缓冲层放入脉冲激光沉积PLD腔室中，将腔室的真空度抽到l(T6mbar，调整衬底和革E材之间的