[发明专利]一种在硅衬底上制备β-氧化镓薄膜的方法

说明书

一种在硅衬底上制备β‑氧化镓薄膜的方法，属于氧化镓薄膜制备技术领域。本发明包括：1、在硅衬底上生长β‑氧化镓纳米柱阵列作为缓冲层；2、在β‑氧化镓纳米柱阵列作为缓冲层上制备β‑氧化镓薄膜。本发明的优点是：在硅衬底和外延层之间插入β‑Ga₂O₃纳米柱缓冲层，β‑Ga₂O₃纳米柱缓冲层的晶格与外延层相同不仅可降低晶格失配，由于纳米柱之间存在空隙也可使由于生长过程中应力和巨大的热膨胀系数差导致的热应力得到转移和释放，消除退火过程中由于热失配产生的裂纹，从而获得大面积均匀的、高质量的β‑Ga₂O₃薄膜。并且工艺方法简单，成本低廉，具有重大应用潜力。

技术领域

本发明属于半导体材料制备技术领域，具体涉及一种在硅衬底上制备β-氧化镓薄膜的方法。

背景技术

目前在硅衬底上制备β-氧化镓（β-Ga₂O₃）薄膜质量较差，并且由于晶格失配和在高温退火过程中热失配的原因晶体质量下降，甚至发生裂纹现象，难以满足光电器件应用的要求，从而限制了β-氧化镓薄膜的应用。

氧化镓薄膜具有α、β、γ等多种晶相，其中只有β-Ga₂O₃为稳定晶相，其他晶相可在高温转化为β-Ga₂O₃，β-Ga₂O₃是一种宽带隙半导体，带隙为4.9 eV，远大于氮化镓和碳化硅的带隙；电子浓度可在10¹⁵-10¹⁹ cm^-3 之间可控，迁移率最高可达200-300 cm²Vs^-1，在日盲探测和功率器件领域都有广泛的应用。由于硅基半导体工艺的发展和成熟，利用硅作为衬底材料的光电器件具有巨大的应用价值，硅衬底面积大、成本低、高质量、导电和导热性能良好。然而由于β-Ga₂O₃的晶体结构为单斜晶系，热导率小等原因，与现有最为成熟的硅器件工艺不兼容，限制β-氧化镓薄膜应用。由于β-Ga₂O₃与硅衬底存在巨大的晶格失配以及热膨胀系数的差异，造成外延薄膜中存在巨大的失配位错和应力，导致在硅衬底上异质外延的β-Ga₂O₃薄膜质量下降，同时由于β-Ga₂O₃需要在高温生长或者高温退火得到，因此在退火过程中也会由于热膨胀系数的差异而导致薄膜晶体缺陷，甚至出现裂纹等现象，因此在硅衬底上制备高质量β-Ga₂O₃薄膜是实现硅基β-Ga₂O₃器件的实际应用的关键。制备工艺简单、成本低廉和高质量的β-Ga₂O₃薄膜制备方法对于促进β-Ga₂O₃的光电器件的应用具有重要意义。