氧化镓外延薄膜及生长氧化镓外延薄膜的方法与流程

[0001]
本发明涉及到一种氧化镓外延薄膜及生长氧化镓外延薄膜的方法，属于半导体材料技术领域。


背景技术：

[0002]
氧化镓(ga2o3)是近几年来国际上倍受重视的新型半导体材料。β-ga2o3禁带宽度是si的四倍以上，而且高于3.3ev的sic和3.4ev的gan。其击穿电场强度为8mv/cm，是si的20倍以上、sic或gan的两倍以上。作为功率器件低损耗指标的巴利加优值，β-ga2o3是sic的10倍、gan的4倍。因此，β-ga2o3功率器件将在超高压输电、高速铁路及军事武器等关键领域具有巨大的应用价值。同时β-ga2o3吸收截止边位于250nm处，紫外透过率可达80％以上，并且具有良好的化学稳定性和热稳定性。因此，β-ga2o3晶体自身便满足“日盲”光电器件的需求，避免了合金化等复杂问题，在深紫外固态光电器件研究领域优势非常突出。
[0003]
氧化镓薄膜具有多种制备方法，如卤化物气相外延(hvpe)、化学气相沉积、分子束外延和电子束蒸发，其中hvpe由于其较快的生长速率，化学反应简单等特点而备受关注。目前应用于半导体技术的ga2o3薄膜主要是采用异质外延方法在蓝宝石、mgo等衬底上制备。在异质外延中，由于β-ga2o3及蓝宝石衬底的对称性差异，导致β-ga2o3在异质蓝宝石衬底上以多重旋转畴的生长模式外延，在生长过程中，晶畴之间会发生融合并产生明显的畴晶界，这些晶界的存在会大大降低β-ga2o3薄膜的晶体质量，且多重畴生长使得薄膜表面呈现片状或层状的类畴状结构，限制了β-ga2o3薄膜的均匀性，大大影响了器件的成品率和可靠性。
[0004]
在c面蓝宝石上异质外延β-ga2o3时，多重畴生长模式外延源于c面蓝宝石三重旋转堆砌结构和单斜β-ga2o3的双重对称性，从而会出现多重畴结构。无论采用何种异质外延方法，在外延过程中都会不可避免的都会形成多种畴结构。因此异质外延得到的β-ga2o3薄膜质量较低、表面粗糙。研究表明，由于c面蓝宝石衬底的对称性，会造成β-ga2o3晶体的多种畴生长，从而导致异质外延的β-ga2o3薄膜单晶质量较差。如图1所示，两者的面内外延关系是β-ga2o3[010]//[11-00]al2o3，β-ga2o3[102]//[112-0]al2o3。图2给出了氧化镓(-201)面和蓝宝石(0001)面的氧原子排列，长方形为氧化镓的单个晶胞，六边形为蓝宝石的晶胞。氧化镓在蓝宝石衬底上成核时会形成六个畴，对氧化镓(-401)晶面进行面内phi扫描，图谱中展示了间隔60
°
的六个峰，表示了六个旋转晶畴的形成。这种多畴生长导致薄膜中出现了大量的晶界、孪晶等，严重影响了晶体质量和表面形貌。
[0005]
提高异质外延β-ga2o3薄膜的单晶质量的方法有很多，比如在外延过程中采用图形化衬底横向外延、纳米结构缓冲层等。但是这些方法的制备工艺较为复杂，可控性差，可重复性低，不能完全的通过改变生长模式来提高单晶质量，因此需要创新性的思路来研发低成本、工艺简单、高成品率的技术和方法来获得高质量和表面平滑的β-ga2o3薄膜。


技术实现要素：

[0006]
本发明目的是：因氧化镓单晶衬底价格昂贵，目前β-ga2o3薄膜一般是在异质衬底
如蓝宝石等上外延得到的，而异质外延中产生的多重旋转畴结构会导致氧化镓外延层的单晶质量较差、表面粗糙，同时薄膜材料内部畴晶界的存在会造成氧化镓基器件性能的降低。本发明提出了利用切割角蓝宝石衬底外延β-ga2o3薄膜，控制生长条件使得β-ga2o3薄膜呈现单一畴的生长模式，从而得到高质量、表面平滑的β-ga2o3薄膜的方法。
[0007]
本发明采取的技术方案为：
[0008]
一种生长氧化镓外延薄膜的方法，其特征在于：采用卤化物气相外延方法在具有切割角的蓝宝石衬底上生长β-ga2o3薄膜，使得外延的β-ga2o3薄膜呈现单一畴外延的形貌。
[0009]
优选的，所述切割角在蓝宝石衬底c轴沿<11-20>方向。
[0010]
优选的，所述切割角为蓝宝石衬底c轴沿<11-20>方向偏移3-10
゜
。
[0011]
优选的，所述切割角为蓝宝石衬底c轴沿<11-20>方向偏移5-7
゜
。
[0012]
优选的，生长β-ga2o3薄膜的条件为：生长温度900-1050℃，气体流量分别：o2流量为50-200sccm,o2载气氮气流量为1000-3000sccm，通入镓舟的hcl流量为10-100sccm，hcl载气氮气流量为800-1500sccm，总氮气为8000-15000sccm。反应腔体压力为常压。
[0013]
本发明还公开了一种ga2o3外延薄膜，包括衬底和衬底上外延的β-ga2o3薄膜，所述衬底为具有切割角的蓝宝石衬底，β-ga2o3薄膜呈现单一畴外延的形貌。
[0014]
优选的，所述切割角在蓝宝石衬底c轴沿<11-20>方向。
[0015]
优选的，所述切割角为蓝宝石衬底c轴沿<11-20>方向偏移3-10
゜
。
[0016]
优选的，所述切割角为蓝宝石衬底c轴沿<11-20>方向偏移5-7
゜
。
[0017]
本发明采用具有一定切割角的蓝宝石衬底，合适的切割角会使β-ga2o3薄膜呈现单一畴外延模式，从而得到高质量β-ga2o3薄膜，并改善其表面形貌，从而实现高性能高可靠性器件的制备。
附图说明
[0018]
图1为c面(无切割角)蓝宝石衬底外延β-ga2o3薄膜的结构示意图。
[0019]
图2为多重畴外延模式示意图。
[0020]
图3为本发明切割角蓝宝石β-ga2o3单一畴外延模式示意图。
[0021]
图4为单一畴外延模式示意图。
[0022]
图5为对比例1中切割角为0
°
(c面)蓝宝石外延的β-ga2o3薄膜的sem图像。
[0023]
图6为对比例1中切割角为0
°
(c面)蓝宝石外延的β-ga2o3薄膜的xrc图谱。
[0024]
图7为实施例1中切割角为3
°
(c面)蓝宝石外延的β-ga2o3薄膜的sem图像。
[0025]
图8为实施例1中切割角为3
°
(c面)蓝宝石外延的β-ga2o3薄膜的xrc图谱。
[0026]
图9为实施例2中切割角为5
°
(c面)蓝宝石外延的β-ga2o3薄膜的sem图像。
[0027]
图10为实施例2中切割角为5
°
(c面)蓝宝石外延的β-ga2o3薄膜的xrc图谱。
[0028]
图11为实施例3中切割角为7
°
(c面)蓝宝石外延的β-ga2o3薄膜的sem图像。
[0029]
图12为实施例3中切割角为7
°
(c面)蓝宝石外延的β-ga2o3薄膜的xrc图谱。
[0030]
图13为实施例4中切割角为10
°
(c面)蓝宝石外延的β-ga2o3薄膜的sem图像。
[0031]
图14为实施例4中切割角为10
°
(c面)蓝宝石外延的β-ga2o3薄膜的xrc图谱。
具体实施方式
[0032]
本发明可以采用hvpe在切割角蓝宝石衬底上外延，也可以采用其他生长设备如金属有机物气相外延(mocvd)，分子束外延(mbe)等。hvpe反应室一般为双温区结构，分为金属源区(低温区)和生长区(高温区)。hcl和金属源反应，生成的气体产物进入生长区，在衬底表面和o2混合发生反应，形成β-ga2o3。尾气及反应尘埃通过抽气系统抽出。金属源区温度从500-1000摄氏度(生长gacl时温度一般为850-900摄氏度)，生长区温度从450-1100摄氏度(生长β-ga2o3时温度一般为900-1050摄氏度)。载气气体导管在周围分布。载气一般采用氮气。
[0033]
本发明在一定的生长条件范围内均可实现β-ga2o3的高质量外延，主要适用范围为：生长温度：850-1050℃；气体流量分别：o2流量为50-200sccm,o2载气氮气流量为1000-3000sccm，通入镓舟的hcl流量为10-100sccm，hcl载气氮气流量为800-1500sccm。总氮气为8000-15000sccm。反应腔体压力1个大气压。
[0034]
以下实施例均采用同样的生长条件，通过采用不同切割角的蓝宝石衬底得到β-ga2o3薄膜，从实施例结果来看，切割角5-7度的范围有助于获得质量更好，表面更平滑的薄膜。具体实施方式
[0035][0036]
对比例1：
[0037]
一种氧化镓外延薄膜的生长方法，其步骤包括：
[0038]
1、2英寸切割角为0
°
蓝宝石(c面蓝宝石)衬底的清洗和处理。
[0039]
2、蓝宝石衬底放入立式hvpe反应器中后，缓慢升温至生长温度，即可开始生长β-ga2o3。生长温度1050℃。气体流量分别：o2流量为200sccm,o2载气流量为3000sccm，通入镓舟的hcl流量为50sccm，hcl载气流量为950sccm。总氮气为13000sccm。反应腔体压力为常压。
[0040]
3、生长到合适的时间后，按照一定的速率缓慢降至室温，取出样品。本实施例中生长时间约为15分钟，生长速率为10微米/小时。
[0041]
图5的sem图像表明薄膜表面呈现片状或层状的多重畴结构；图6的xrc结果表明，无切割角蓝宝石外延的β-ga2o3薄膜摇摆半高宽约为2.02。
[0042]
实施例1：
[0043]
一种改善氧化镓外延薄膜质量和表面形貌的方法，其步骤包括：
[0044]
1、2英寸切割角为3
°
蓝宝石衬底的清洗和处理。
[0045]
2、蓝宝石衬底放入立式hvpe反应器中后，缓慢升温至生长温度，即可开始生长β-ga2o3。生长温度1050℃。气体流量分别：o2流量为200sccm,o2载气氮气流量为3000sccm，与镓源反应的hcl流量为50sccm，hcl载气氮气流量为950sccm。总氮气为8000sccm。反应腔体压力为常压。
[0046]
3、生长到合适的时间后，按照一定的速率缓慢降至室温，取出样品。本实施例中生长时间约为15分钟，生长速率为10微米/小时。
[0047]
图7的sem图像表明薄膜表面呈现类单一畴结构；图8的xrc结果表明，切割角为3
°
蓝宝石外延的β-ga2o3薄膜摇摆半高宽为0.47
°
，与0
°
切割角结果相比，单晶质量显著提高。
[0048]
实施例2：
[0049]
一种改善氧化镓外延薄膜质量和表面形貌的方法，其步骤包括：
[0050]
1、2英寸切割角为5
°
蓝宝石衬底的清洗和处理。
[0051]
2、蓝宝石衬底放入立式hvpe反应器中后，缓慢升温至生长温度，即可开始生长β-ga2o3。生长温度1050℃。气体流量分别：o2流量为200sccm,o2载气氮气流量为3000sccm，与镓源反应的hcl流量为50sccm，hcl载气氮气流量为950sccm。总氮气为15000sccm。反应腔体压力为常压。
[0052]
3、生长到合适的时间后，按照一定的速率缓慢降至室温，取出样品。本实施例中生长时间约为15分钟，生长速率为10微米/小时。
[0053]
图9的sem图像表明薄膜表面呈现类单一畴结构；图10的xrc结果表明，切割角为5
°
蓝宝石外延的β-ga2o3薄膜摇摆半高宽为0.40
°
，单晶质量显著提高。
[0054]
实施例3：
[0055]
一种改善氧化镓外延薄膜质量和表面形貌的方法，其步骤包括：
[0056]
1、2英寸切割角为7
°
蓝宝石衬底的清洗和处理。
[0057]
2、蓝宝石衬底放入立式hvpe反应器中后，缓慢升温至生长温度，即可开始生长β-ga2o3。生长温度1050℃。气体流量分别：o2流量为200sccm,o2载气氮气流量为3000sccm，与镓源反应的hcl流量为50sccm，hcl载气氮气流量为950sccm。总氮气为13000sccm。反应腔体压力为常压。
[0058]
3、生长到合适的时间后，按照一定的速率缓慢降至室温，取出样品。本实施例中生长时间约为15分钟，生长速率为10微米/小时。
[0059]
图11的sem图像表明薄膜表面呈现类单一畴结构；图12的xrc结果表明，切割角为7
°
蓝宝石外延的β-ga2o3薄膜摇摆半高宽为0.34
°
，单晶质量显著提高。
[0060]
实施例4：
[0061]
一种改善氧化镓外延薄膜质量和表面形貌的方法，其步骤包括：
[0062]
1、2英寸切割角为10
°
蓝宝石衬底的清洗和处理。
[0063]
2、蓝宝石衬底放入立式hvpe反应器中后，缓慢升温至生长温度，即可开始生长β-ga2o3。生长温度1050℃。气体流量分别：o2流量为200sccm,o2载气氮气流量为3000sccm，与镓源反应的hcl流量为50sccm，hcl载气氮气流量为950sccm。总氮气为13000sccm。反应腔体压力为常压。
[0064]
3、生长到合适的时间后，按照一定的速率缓慢降至室温，取出样品。本实施例中生长时间约为15分钟，生长速率为10微米/小时。
[0065]
图13的sem图像表明薄膜表面呈现类单一畴结构；图14的xrc结果表明，切割角为10
°
蓝宝石外延的β-ga2o3薄膜摇摆半高宽为0.48
°
，单晶质量显著提高。
[0066]
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。