[发明专利]基于蓝宝石衬底的氧化镓薄膜及其生长方法

说明书

技术领域

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Ga2O3薄膜制作方法，可用于制作半导体功率器件。

背景技术

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。

Ga2O3半导体材料尤其引起人们的兴趣，Ga2O3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。Ga2O3属于单斜晶体，禁带宽度约为4.8eV-4.9eV。目前已经通过浮区法和导模法获得了2英寸和4英寸的Ga2O3单晶衬底，通过在Ga2O3单晶衬底上同质外延生长Ga2O3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10¹⁷cm^-3～10¹⁹cm^-3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。

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。

为了能够更好的利用材料的优势，人们对Ga2O3薄膜的生长进行了大量的研究。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。

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。

但是，目前采用PLD沉积Ga2O3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Ga2O3薄膜表面形貌差、晶粒尺寸小。

发明内容

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Ga2O3薄膜表面形貌，获得高质量的Ga2O3宽禁带半导体材料。

本发明的技术方案是这样实现的：

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。

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:

(1)对蓝宝石衬底进行清洗，并用氮气吹干；

(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：

衬底温度 500℃～600℃，

氧分压 0.009mbar～0.02mbar，

激光能量 420mJ～460mJ，

激光频率 2Hz～3Hz；

(3)在氩气氛围里对氧化镓缓冲层进行热退火；

(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：

衬底温度 625℃～700℃，

氧分压 0.04mbar～0.06mbar，

激光能量 310mJ～360mJ，

激光频率 2Hz～4Hz。