一种基于脉冲法的β-Ga2O3薄膜及其制备方法

一种基于脉冲法的
β
‑
ga2o3薄膜及其制备方法
技术领域
1.本发明属于半导体材料领域，具体涉及一种基于脉冲法的β
‑
ga2o3薄膜及其制备方法。


背景技术：

2.β
‑
ga2o3薄膜在高功率高击穿器件中具有极大的应用潜力，因此，随着高功率高击穿器件的广泛应用，对β
‑
ga2o3薄膜的要求也越来越高。
3.现有技术中，通常基于同质衬底层进行β
‑
ga2o3薄膜的制备，为了制备β
‑
ga2o3薄膜必须合理地调整各个生长参数的数值，因此，现有技术中的制备方法复杂，质量难以保证。另外，当同质衬底层的质量较差时，现有技术无法基于所述质量差的同质衬底层进行β
‑
ga2o3薄膜的制备。


技术实现要素：

4.为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提出一种基于脉冲法的β
‑
ga2o3薄膜及其制备方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
5.一种基于脉冲法的β
‑
ga2o3薄膜，所述β
‑
ga2o3薄膜包括：同质衬底层、至少一个脉冲β
‑
ga2o3层和至少一个β
‑
ga2o3层；所述脉冲β
‑
ga2o3层的数量与所述β
‑
ga2o3层的数量相同；所述同质衬底层与所述β
‑
ga2o3层之间生长有脉冲β
‑
ga2o3层；每两个所述β
‑
ga2o3层之间生长有脉冲β
‑
ga2o3层。
6.在本发明的一个实施例中，所述脉冲β
‑
ga2o3层的厚度为30
‑
50nm。
7.在本发明的一个实施例中，所述脉冲β
‑
ga2o3层为单晶结构。
8.本发明的有益效果：
9.本发明能够基于脉冲法，在同质衬底层外延生长高质量，低位错密度的β
‑
ga2o3薄膜。
10.以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。
附图说明
11.图1是本发明实施例提供的一种基于脉冲法的β
‑
ga2o3薄膜结构示意图；
12.图2是本发明实施例提供的一种基于脉冲法的β
‑
ga2o3薄膜制备方法流程示意图；
13.图3是本发明实施例提供的一种脉冲法的时序流程示意图；
14.图4是本发明实施例提供的一种基于脉冲法的β
‑
ga2o3薄膜制备过程示意图。
具体实施方式
15.下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
16.实施例一
17.请参见图1，图1是本发明实施例提供的一种基于脉冲法的β
‑
ga2o3薄膜结构示意图，所述β
‑
ga2o3薄膜包括：同质衬底层、至少一个脉冲β
‑
ga2o3层和至少一个β
‑
ga2o3层。
18.本发明基于衬底层进行外延层生长，以得到薄膜材料，当所述外延层和所述衬底层为相同材料时，所述衬底层称为同质衬底层。本发明为了制备β
‑
ga2o3(氧化镓)薄膜，所述同质衬底层又称ga2o3(氧化镓)衬底层。
19.可选的，所述脉冲β
‑
ga2o3层的数量与所述β
‑
ga2o3层的数量相同。
20.可选的，所述同质衬底层与所述β
‑
ga2o3层之间生长有脉冲β
‑
ga2o3层。
21.可选的，每两个所述β
‑
ga2o3层之间生长有脉冲β
‑
ga2o3层。
22.通常在制备β
‑
ga2o3薄膜时，在同质衬底层与β
‑
ga2o3层之间，以及β
‑
ga2o3层与β
‑
ga2o3层之间，由于晶格失配和热失配等问题，会导致制备的β
‑
ga2o3薄膜中包含大量的位错等缺陷，一般情况下，位错的延伸方向与薄膜厚度的增加方向相同，该缺陷会降低β
‑
ga2o3薄膜的质量。尤其是保持固定生长模式制备薄膜，且随着制备薄膜的厚度增加，薄膜中的位错会逐渐延伸，甚至从衬底表面延伸至外延层表面，严重影响制备的薄膜质量。
23.本发明在β
‑
ga2o3薄膜中引入脉冲β
‑
ga2o3层，所述脉冲β
‑
ga2o3层作为缓冲层，能够有效地阻止位错在薄膜中的延伸，从而降低薄膜中的位错密度，能够提高制备的β
‑
ga2o3薄膜质量。具体的，首先在同质衬底层引入一层脉冲β
‑
ga2o3层，所述脉冲β
‑
ga2o3层能够减少同质衬底层与β
‑
ga2o3层之间的晶格失配，进而减少位错密度；其次在生长β
‑
ga2o3层的过程中，在每两层β
‑
ga2o3层之间引入脉冲β
‑
ga2o3层，生长所述β
‑
ga2o3层为一种生长模块，生长所述脉冲β
‑
ga2o3层为另一种生长模式，通过生长模式的改变能够修复生长β
‑
ga2o3层时纵向延伸的位错，从而减少每两个β
‑
ga2o3层之间的位错密度。
24.另外，现有技术中通常是将ga源和o源两路反应源气体同时通入到反应室，ga原子和o原子结合的速率很快，导致原子在表面还没有迁移到理想的位置就相互结合了，因此原子的迁移长度低，会导致三维成核生长，导致表面粗糙。本发明通过脉冲法生长脉冲β
‑
ga2o3层时，是将ga源和o 源两路气体按照各自的脉冲时间参数，错开通入反应室，增加了反应原子在表面的迁移时间，有效提高了原子在表面的横向迁移长度，增强了二维成核生长，使得原子结合到最适合的位置，提高了表面平整度，能够进一步提高制备的β
‑
ga2o3薄膜质量。
25.所述脉冲β
‑
ga2o3层和β
‑
ga2o3层的数量由本领域技术人员根据业务需要进行设置，本发明不做限制。参见图1，图1中采用三个脉冲β
‑
ga2o3层和三个β
‑
ga2o3层进行举例说明，自下而上依次为同质衬底层1、脉冲β
‑
ga2o3层2、β
‑
ga2o3层3、脉冲β
‑
ga2o3层4、β
‑
ga2o3层5、脉冲β
‑
ga2o3层6、脉冲β
‑
ga2o3层7。
26.其中，脉冲β
‑
ga2o3层2能够阻止同质衬底层1与β
‑
ga2o3层3之间的位错延伸，进一步地，脉冲β
‑
ga2o3层4能够阻止β
‑
ga2o3层3与β
‑
ga2o3层5之间的位错延伸，更进一步地，脉冲β
‑
ga2o3层6能够阻止β
‑
ga2o3层 5与β
‑
ga2o3层7之间的位错延伸，本发明通过多层脉冲β
‑
ga2o3层，能够更有效地巩固和提高β
‑
ga2o3薄膜的平整性。
27.可选的，所述脉冲β
‑
ga2o3层的厚度为30
‑
50nm。
28.通过本领域技术人员的实验验证，将所述脉冲β
‑
ga2o3层的厚度设置为 30
‑
50nm，能够在保证制备β
‑
ga2o3薄膜质量的同时，提高脉冲β
‑
ga2o3层的生长速度，从而提高β
‑
ga2o3薄膜的制备效率。
29.可选的，所述脉冲β
‑
ga2o3层为单晶结构。
30.通过本领域技术人员的实验验证，相较于多晶结构或者非晶结构，当所述脉冲β
‑
ga2o3层为单晶结构时，制备的所述β
‑
ga2o3薄膜具有更优的电学特性、更小的位错密度和较低的粗糙度。
31.综上，本发明能够通过脉冲法得到脉冲β
‑
ga2o3层，基于所述脉冲β
‑
ga2o3层所述在同质衬底层外延生长高质量，低位错密度的β
‑
ga2o3薄膜。
32.实施例二
33.参见图2，图2是本发明实施例提供的一种基于脉冲法的β
‑
ga2o3薄膜制备方法流程示意图。所述方法包括：
34.步骤1：按照预设热退火参数，对同质衬底层进行热退火处理，以得到目标衬底层，其中，所述预设热退火参数包括：第一反应室温度参数、第一氧气流量参数、氮气流量参数和热退火时间参数。
35.可选的，所述步骤1包括：
36.步骤1
‑
1：将所述同质衬底层放入预设反应室中。
37.步骤1
‑
2：按照预设热退火参数，在预设反应室中对所述对同质衬底层进行热退火处理。
38.本发明基于衬底层进行外延层生长，以得到薄膜材料，当所述外延层和所述衬底层为相同材料时，所述衬底层称为同质衬底层。本发明为了制备β
‑
ga2o3(氧化镓)薄膜，所述同质衬底层又称ga2o3(氧化镓)衬底层。
39.当基于衬底层进行外延生长薄膜时，需要对所述衬底层进行热退火处理，所述热退火处理能够使衬底层的表面变得平整，以及钝化衬底层表面的悬挂键，以得到目标衬底层，基于所述目标衬底层能够生长质量高的外延层，从而得到高质量的薄膜。
40.本发明通过所述预设反应室进行同质衬底层的热退火处理、脉冲β
‑
ga2o3层生长以及β
‑
ga2o3层生长，以制备β
‑
ga2o3薄膜，所述预设反应室由本领域技术人员根据业务需要进行选择，本发明不做具体限制。在本发明中，所述预设反应室采用低压mocvd(metal
‑
organic chemical vapordeposition，金属有机物化学气相淀积)反应室进行举例说明。
41.在所述预设反应室中设置有预设退火参数，所述预设退火参数由本领域技术人员根据业务需要进行设置，本发明不做限制。通过实验验证，本发明所述预设热退火参数优先设置为：第一反应室温度参数900℃、第一氧气流量参数2100sccm、氮气流量参数1000sccm和热退火时间参数15min。
42.步骤2：按照第一生长参数，对所述目标衬底层进行脉冲处理，以在所述目标衬底层表面生长得到脉冲β
‑
ga2o3层。
43.可选的，所述第一生长参数包括：第一三乙基镓流量参数、第二氧气流量参数、三乙基镓tega脉冲时间参数、氧气o2脉冲时间参数和脉冲周期参数。
44.在所述预设反应室中设置有第一生长参数，所述第一生长参数由本领域技术人员根据业务需要进行设置，本发明不做限制。通过实验验证，本发明所述预设热退火参数优先设置为：，第一生长参数包括：第一三乙基镓流量参数40sccm、第二氧气流量参数2100sccm、三乙基镓脉冲时间参数 0.1min、氧气脉冲时间参数0.3min和脉冲周期参数：30个周期(或者12min)。
45.可选的，所述第一生长参数还包括：第二反应室温度、生长压力参数。
46.通过实验验证，本发明所述预设热退火参数优先设置为：第二反应室温度800℃、生长压力参数40torr。
47.可选的，所述步骤2，包括：
48.步骤2
‑
1：按照所述第一三乙基镓流量参数和所述三乙基镓脉冲时间参数，向所述预设反应室中通入三乙基镓。
49.步骤2
‑
2：按照所述第二氧气流量参数和所述参数氧气脉冲时间参数，向所述预设反应室中通入氧气。
50.在一个脉冲周期分为三乙基镓脉冲时间和氧气脉冲时间，示例如，三乙基镓脉冲时间参数0.1min、氧气脉冲时间参数0.3min，则一个脉冲周期为0.4min，即，所述步骤2
‑
1和所述步骤2
‑
2在一个脉冲周期内执行。
51.参见图3是本发明实施例提供的一种脉冲法的时序流程示意图，图3 中纵轴表示反应源开关(precursor flux)，on表示开，off表示关，纵轴表示脉冲时间(time)，波形凸起表示开，凹陷表示关。
52.具体的，在0.0
‑
0.3min三乙基镓波形为凹陷，氧气波形为凸起，则预设反应室开始通入氧气，同时停止通入三乙基镓；在0.3
‑
0.4min三乙基镓波形为凸起，氧气波形为凹陷，则预设反应室开始通入三乙基镓，同时停止通入氧气。
53.本发明所述脉冲法指的是当预设反应室按照第一三乙基镓流量参数和所述三乙基镓脉冲时间参数，向所述预设反应室中通入三乙基镓时，所述预设反应室停止通入氧气；或者，当预设反应室按照所述第二氧气流量参数和所述参数氧气脉冲时间参数，向所述预设反应室中通入氧气，所述预设反应室停止通入三乙基镓。
54.现有技术中通常是将ga源和o源两路反应源气体同时通入到反应室， ga原子和o原子结合的速率很快，导致原子在表面还没有迁移到理想的位置就相互结合了，因此原子的迁移长度低，会导致三维成核生长。并且， ga原子与o原子的迁移率是不同的，ga原子作为金属原子小于o原子的迁移率，因此相同时间下ga原子的迁移长度小于o原子的迁移长度，当同时通入反应源气体时，会导致表面粗糙。
55.本发明通过脉冲法生长脉冲β
‑
ga2o3层时，是将ga源和o源两路气体按照各自的脉冲时间参数，错开通入反应室，针对各类反应原子的迁移长度不同，通过调整各路脉冲的时间可以合理地设置各类反应源原子在表面的迁移时间，以增强原子在表面的横向迁移长度，使得原子结合到最适合的位置，最终实现薄膜的二维生长，从而提高薄膜的质量。如，0.1mino+0.3minga，即，给予ga源更长的脉冲时间，增加ga原子的迁移长度，可以有效提升薄膜的二维生长。
56.步骤2
‑
3：按照所述脉冲周期参数，重复步骤2
‑
1和步骤2
‑
2，以在热退火后的同质衬底层表面生长得到脉冲β
‑
ga2o3层。
57.所述脉冲周期参数指的是所述步骤2
‑
1和步骤2
‑
2重复的次数，示例如，脉冲周期参数为30个周期，即重复执行30次步骤2
‑
1和步骤2
‑
2，以得到 30个周期的β
‑
ga2o3层。
58.步骤3：按照第二生长参数，在所述脉冲β
‑
ga2o3层表面生长得到β
‑
ga2o3层。
59.可选的，所述第二生长参数包括：第二三乙基镓流量参数、第三氧气流量参数和生长时间参数。
60.在所述预设反应室中设置有第二生长参数，所述第二生长参数由本领域技术人员
根据业务需要进行设置，本发明不做限制。所述第二生长参数中的所述第二三乙基镓流量参数、第三氧气流量参数与所述第一生长参数中的第一三乙基镓流量参数、第二氧气流量参数可以为相同数值。通过实验验证，本发明所述预设热退火参数优先设置为：所述第二三乙基镓流量参数40sccm、第三氧气流量参数2100sccm、所述生长时间参数20min。
61.可选的，所述按照第二生长参数，在所述脉冲β
‑
ga2o3层表面生长得到β
‑
ga2o3层，包括：
62.按照所述第二三乙基镓流量参数、第三氧气流量参数和生长时间参数，同时向所述预设反应室中通入三乙基镓和氧气，以在所述脉冲β
‑
ga2o3层表面生长得到β
‑
ga2o3层。
63.可选的，所述步骤3之后，所述方法还包括：
64.步骤s11：将所述β
‑
ga2o3层作为新的目标衬底层。
65.步骤s12：按照预设制备参数，重复执行所述步骤2和所述步骤3，以得到目标β
‑
ga2o3薄膜。
66.本发明能够将生长得到的β
‑
ga2o3层作为新的目标衬底层，制备具有至少一个脉冲β
‑
ga2o3层和至少一个β
‑
ga2o3层的β
‑
ga2o3薄膜，通常所述β
‑
ga2o3薄膜具有至少两个脉冲β
‑
ga2o3层和至少两个β
‑
ga2o3层。
67.参见图1，本发明实施例提供的一种基于脉冲法的β
‑
ga2o3薄膜结构示意图，图1中采用三个脉冲β
‑
ga2o3层和三个β
‑
ga2o3层进行举例说明。其中，脉冲β
‑
ga2o3层2能够阻止同质衬底层1与β
‑
ga2o3层3之间的位错延伸，进一步地，脉冲β
‑
ga2o3层4能够阻止β
‑
ga2o3层3与β
‑
ga2o3层5之间的位错延伸，更进一步地，脉冲β
‑
ga2o3层6能够阻止β
‑
ga2o3层5与β
‑
ga2o3层7之间的位错延伸，本发明通过多层脉冲β
‑
ga2o3层，能够更有效地巩固和提高β
‑
ga2o3薄膜的平整性。
68.本发明在β
‑
ga2o3薄膜中引入脉冲β
‑
ga2o3层，所述脉冲β
‑
ga2o3层作为缓冲层，能够有效地阻止位错在薄膜中的延伸，从而降低薄膜中的位错密度，能够提高制备的β
‑
ga2o3薄膜质量。另外，所述脉冲β
‑
ga2o3层具有平整性高等特点，能够进一步提高制备的β
‑
ga2o3薄膜质量。
69.可选的，所述步骤1之前，所述方法还包括：
70.步骤s21：对所述同质衬底层进行抛光处理。
71.步骤s22：将抛光后的所述同质衬底层放入预制溶液中进行浸泡处理。
72.所述浸泡处理能够让同质衬底层表面的污染物更加容易脱落。示例如，所述预制溶液为30％的hf酸溶液，将同质衬底层放入30％的hf酸溶液中浸泡60s。
73.步骤s23：对浸泡后的所述同质衬底层进行清洗处理。
74.所述清洗处理能够清除所述同质衬底层表面的污染物，如有机物污染物和无机物污染物。示例如，用酒精和丙酮清除所述同质衬底层表面的污染物。
75.步骤s24：对清洗后的所述同质衬底层进行冲洗处理。
76.所述冲洗处理能够冲洗掉同质衬底表面的化学溶液。示例如，用流动的去离子水冲洗60s。
77.参见图4，是本发明实施例提供的一种基于脉冲法的β
‑
ga2o3薄膜制备过程示意图。
78.综上，本发明能够通过脉冲法得到脉冲β
‑
ga2o3层，基于所述脉冲β
‑
ga2o3层所述在同质衬底层外延生长高质量，低位错密度的β
‑
ga2o3薄膜。
79.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
80.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
81.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
82.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。
83.尽管在此结合各实施例对本技术进行了描述，然而，在实施所要求保护的本技术过程中，本领域技术人员通过查看所述附图、公开内容、以及所附权利要求书，可理解并实现所述公开实施例的其他变化。在权利要求中，“包括”(comprising)一词不排除其他组成部分或步骤，“一”或“一个”不排除多个的情况。单个处理器或其他单元可以实现权利要求中列举的若干项功能。相互不同的从属权利要求中记载了某些措施，但这并不表示这些措施不能组合起来产生良好的效果。
84.以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。