一种基于异质衬底的β-Ga2O3薄膜及其制备方法

一种基于异质衬底的
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，具体涉及一种基于异质衬底的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，通常基于同质衬底或蓝宝石衬底进行β
‑
ga2o3薄膜的制备，然而所述同质衬底或蓝宝石衬底不容易获得，造价高昂，且导热效果差。为了克服上述问题，本领域提出了一种基于异质衬底制备β
‑
ga2o3薄膜的方案，如，硅衬底。
4.但是，由于异质衬底与β
‑
ga2o3外延层之间，存在较大的晶格失配，因此，现有技术基于异质衬底制备的β
‑
ga2o3薄膜质量差。


技术实现要素：

5.为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种基于异质衬底的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：
6.一种基于异质衬底的β
‑
ga2o3薄膜，所述β
‑
ga2o3薄膜自下而上包括：异质衬底、缓冲层和β
‑
ga2o3外延层；所述缓冲层自下而上包括：第一缓冲层和第二缓冲层。
7.在本发明的一个实施例中，所述第一缓冲层的厚度为30
‑
50nm。
8.在本发明的一个实施例中，所述第二缓冲层的厚度为50
‑
100nm。
9.本发明的有益效果：
10.本发明在异质衬底和β
‑
ga2o3之间生长有第一缓冲层和第二缓冲层，所述第一缓冲层能够为第二缓冲层提供极好的成核点，提高第二缓冲层的质量，所述第二缓冲层能够减少β
‑
ga2o3外延层与异质衬底之间的晶格失配，从而，本发明能够有效地提高制备β
‑
ga2o3薄膜的质量。
11.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
12.图1是本发明实施例提供的一种β
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ga2o3薄膜结构示意图；
13.图2是本发明实施例提供的一种基于异质衬底的β
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ga2o3薄膜制备方法流程示意图；
14.图3是本发明实施例提供的一种基于硅衬底的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β
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ga2o3薄膜结构示意图，所述β
‑
ga2o3薄膜自下而上包括：异质衬底1、缓冲层2和β
‑
ga2o3外延层3。
18.可选的，所述缓冲层自下而上包括：第一缓冲层21和第二缓冲层22，其中，所述第一缓冲层为所述异质衬底对应的氧化物缓冲层，所述第二缓冲层为氧化铝缓冲层。
19.本发明基于衬底外延生长β
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ga2o3外延层，以得到β
‑
ga2o3薄膜，所述衬底采用的材料非ga2o3氧化镓，因此，所述衬底称为异质衬底。本发明以硅衬底为例进行说明。
20.由于异质衬底与β
‑
ga2o3外延层为不同的材料，两者晶体结构存在差异，晶格常数无法完全匹配，在基于异质衬底外延生长β
‑
ga2o3外延层时，β
‑
ga2o3外延层无法按照自身的晶格结构进行生长，因此，异质衬底与氧化镓ga2o3外延层之间会存在较大程度的晶格失配，引入大量的位错，降低制备的β
‑
ga2o3薄膜的质量。尤其是当两者结构差异过大及晶格常数差异过大时，β
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ga2o3外延层甚至无法进行单晶生长，进而发生晶体结构缺陷，并位错为更多的多晶，严重影响制备的β
‑
ga2o3薄膜的质量。
21.本发明在异质衬底与β
‑
ga2o3外延层之间引入第二缓冲层，以解决上述问题。由于氧化镓与氧化铝之间的晶格失配程度很小，因此，通过引入第二缓冲层，即，氧化铝缓冲层，能够极大地减少异质衬底与氧化镓外延层之间的晶格失配，并减少位错密度，提高制备β
‑
ga2o3薄膜的质量。
22.需要说明的是，本发明在异质衬底与第二缓冲层之间，生长有第一缓冲层，所述第一缓冲层为所述异质衬底对应的氧化物缓冲层，示例如，当所述异质衬底为硅衬底时，所述第一缓冲层为sio2氧化硅缓冲层。所述第一缓冲层表面暴露有氧原子，所述氧原子能够作为第二缓冲层生长的固定成核点，能够吸附铝原子，并与铝原子结形成铝
‑
氧化学键(al
‑
o)，能够减少生长第二缓冲层时的副产物数量，从而提高生长的第二缓冲层的质量。
23.可选的，所述第一缓冲层的厚度为30
‑
50nm。
24.可选的，所述第二缓冲层的厚度为50
‑
100nm。
25.综上，本发明在异质衬底和β
‑
ga2o3外延层之间生长有第一缓冲层和第二缓冲层，所述第一缓冲层能够为第二缓冲层提供极好的成核点，提高第二缓冲层的质量，所述第二缓冲层能够减少β
‑
ga2o3外延层与异质衬底之间的晶格失配，从而，本发明能够有效地提高制备β
‑
ga2o3薄膜的质量。
26.实施例二
27.请参见图2，图2是本发明实施例提供的一种基于异质衬底的β
‑
ga2o3薄膜制备方法流程示意图，所述方法包括：
28.步骤1：按照第一热退火参数，对异质衬底进行第一热退火处理，以得到基于所述异质衬底的第一缓冲层，其中，所述第一热退火参数包括：第一氧气流量参数、第一热退火温度参数和第一热退火时间参数。
29.当基于异质衬底进行外延生长缓冲层时，需要对所述异质衬底进行第一热退火处理，所述第一热退火处理能够使所述异质衬底表面发生氧化，以基于所述异质衬底表面沉积得到所述异质衬底对应的氧化物缓冲层，示例如，当所述异质衬底为硅衬底时，所述第一缓冲层为氧化硅缓冲层。
30.本发明在异质衬底与第二缓冲层之间，引入第一缓冲层，所述第一缓冲层表面暴
露有氧原子，所述氧原子能够作为第二缓冲层生长的固定成核点，能够吸附铝原子，并与铝原子结形成铝
‑
氧化学键(al
‑
o)，能够减少生长第二缓冲层时产生的副产物数量，从而提高生长的第二缓冲层的质量。
31.可选的，所述步骤1包括：
32.步骤1
‑
1：将所述异质衬底放入预设反应室中。
33.步骤1
‑
2：按照第一热退火参数，在预设反应室中对所述对异质衬底进行热退火处理，以得到基于所述异质衬底的第一缓冲层。
34.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，所述预设反应室以低压mocvd(metal
‑
organic chemical vapor deposition，金属有机物化学气相淀积)反应室进行举例说明。
35.所述预设反应室部署有所述第一热退火参数，所述预设反应室能够根据所述第一热退火参数通入气体，以对异质衬底进行第一热退火处理。
36.所述第一热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。根据本领域技术人员实验验证，本发明所述第一热退火参数优先设置为：第一氧气流量参数1000sccm、第一热退火温度参数900
‑
1000℃和第一热退火时间参数30
‑
45min。
37.可选的，所述步骤1之前，所述方法还包括：
38.步骤s1：对所述异质衬底进行抛光处理。
39.步骤s2、将抛光后的所述异质衬底放入预制溶液中进行浸泡处理。
40.所述浸泡处理能够让异质衬底表面的污染物更加容易脱落。示例如，所述预制溶液为30％的hcl酸溶液与70％的h2o2的混合溶液，将异质衬底放入所述预制溶液中浸泡60s。
41.步骤s3、对浸泡后的所述异质衬底进行清洗处理。
42.所述清洗处理能够清除所述异质衬底表面的污染物，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。
43.步骤s4、对清洗后的所述异质衬底进行冲洗处理。
44.所述冲洗处理能够冲洗掉异质衬底表面的化学溶液。示例如，用流动的去离子水冲洗60s。
45.可选的，所述按照第一热退火参数，对异质衬底进行第一热退火处理，包括：按照第一热退火参数，对冲洗处理后的所述异质衬底进行第一热退火处理。
46.步骤2：按照第一生长参数，基于所述第一缓冲层外延生长第二缓冲层，其中，所述第一生长参数包括：第二氧气流量参数、第一氮气流量参数、三甲基铝tmal流量参数、第一生长压力参数和第一生长时间参数。
47.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。根据本领域技术人员实验验证，本发明所述第一生长参数优先设置为：第二氧气流量参数2100sccm、第一氮气流量参数1000sccm、三甲基铝tmal流量参数40
‑
50sccm、第一生长压力参数35
‑
45torr和第一生长温度参数400
‑
500℃。
48.需要说明的是，由于采用较低生长温度，有利于氧原子与铝原子形成铝
‑
氧化学键，有利于快速地生长第二缓冲层，因此，通常所述第一生长温度参数设置的数值较低。
49.沉积获得第一缓冲层后，所述预设反应室能够按照所述第一生长参数，继续通入气体，从而在所述第一缓冲层上生长一层低温的第二缓冲层。
50.由于氧化镓与氧化铝之间的晶格失配程度很小，因此，通过引入氧化铝缓冲层能够极大地减少异质衬底与氧化镓外延层之间的晶格失配，并减少位错密度，提高制备β
‑
ga2o3薄膜的质量。
51.可选的，所述步骤2之后，所述方法还包括：按照第二热退火参数，对所述第二缓冲层进行第二热退火处理，以得到目标第二缓冲层，其中，所述第二退火参数包括：第四氧气流量参数、第二热退火温度参数和第二热退火时间参数。
52.在所述预设反应室中设置有第二热退火参数，所述第二热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。根据本领域技术人员实验验证，本发明所述第二热退火参数优先设置为：第四氧气流量参数2100sccm、第二热退火温度参数850
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950℃和第二热退火时间参数15
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30min。
53.在步骤2生长第二缓冲层时，所述预设反应室按照所述第一生长参数，向反应室内通入了氮气和三甲基铝气体，而在步骤2之后，对所述第二缓冲层进行第二热退火处理时，需要停止通入所述氮气和三甲基铝气体。所述第四氧气流量参数可以与所述第二氧气流量参数相同。
54.可选的，所述第二热退火温度参数高于所述第一生长温度参数。
55.所述第二热退火操作又称高温热退火操作。
56.为了快速地生长氧化铝缓冲层(第二缓冲层)，通常所述第一生长温度参数的数值较低，然而，低温生长可能会导致氧化铝缓冲层的结晶质量较差或发生疏松等问题，影响β
‑
ga2o3薄膜的质量，因此，生长获得氧化铝缓冲层之后，需要对所述氧化铝缓冲层进行高温热退火操作，所述高温热退火操作能够使所述氧化铝缓冲层中的原子，在所述氧化铝缓冲层表面进行重新迁移，即重结晶，以修复所述氧化铝缓冲层的损伤，提高结晶质量，减少疏松问题，得到高质量的目标氧化铝缓冲层(目标第二缓冲层)，从而提高β
‑
ga2o3薄膜的质量。
57.步骤3：按照第二生长参数，基于所述第二缓冲层外延生长β
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ga2o3外延层，其中，所述第二生长参数包括：第三氧气流量参数、第二氮气流量参数、三乙基镓tega流量参数、第二生长压力参数和第二生长时间参数。
58.可选的，所述按照第二生长参数，基于所述第二缓冲层外延生长β
‑
ga2o3外延层，包括：按照第二生长参数，基于所述目标第二缓冲层外延生长β
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ga2o3外延层。
59.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。根据本领域技术人员实验验证，本发明所述第二生长参数优先设置为：第三氧气流量参数2100sccm、第二氮气流量参数1000sccm、三乙基镓tega流量参数40
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50sccm、第二生长压力参数35
‑
45torr和第二生长时间参数60min。
60.所述第二氧气流量参数、第三氧气流量参数和所述第四氧气流量参数可以相同。
61.参见图3，图3是本发明实施例提供的一种基于硅衬底的β
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ga2o3薄膜制备过程示意图。
62.综上，本发明能够在异质衬底和β
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ga2o3之间生长第一缓冲层和第二缓冲层，所述第一缓冲层能够为第二缓冲层提供极好的成核点，提高第二缓冲层的质量，所述第二缓冲层能够减少β
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ga2o3外延层与异质衬底之间的晶格失配，减少β
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ga2o3薄膜中的位错密度，从而，本发明能够有效地提高制备β
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ga2o3薄膜的质量。
63.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。
64.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。
65.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。
66.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。
67.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。
68.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。