[发明专利]氧化镓薄膜及其异质外延生长方法与应用

说明书

本发明公开了一种氧化镓薄膜及其异质外延生长方法与应用。所述异质外延生长方法包括：在衬底材料上气相外延生长形成氧化镓纳米线阵列；以及，通过控制生长条件，使氧化镓纳米线阵列中氧化镓纳米线横向合并生长，从而在氧化镓纳米线阵列上外延生长形成氧化镓薄膜。本发明利用氧化镓纳米线阵列合并生长β‑Ga₂O₃薄膜，避免直接在衬底上生长，大大降低了异质外延材料之间的失配度和异质外延工艺难度，提高了β‑Ga₂O₃薄膜的晶体质量；本发明通过控制氧化镓纳米线的直径和周期，能很好的提高晶粒成核尺寸，避免较小的成核尺寸对晶体质量的影响，并且，本发明可在300℃‑1000℃实现β‑Ga2O3薄膜的生长，可有效节省能源消耗。

技术领域

本发明涉及半导体外延技术领域，具体的，涉及一种纳米材料的可控外延制备技术领域，尤其涉及一种氧化镓薄膜及其异质外延生长方法与应用。

背景技术

半导体材料在现代信息工业化社会中发挥着不可替代的作用，是现代半导体工业及微电子工业的基石。随着各种先进技术的不断发展，对高耐压、大功率、抗辐射等高性能电子器件以及深紫外光电子器件需求越来越迫切，尤其是在高耐压及深紫外领域，传统的半导体材料已难以满足使用要求。

第三代半导体材料，如氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC)，具有宽禁带、高热导率、高击穿场强度、高饱和电子漂移速度等优点，使其在光电器件、功率器件、射频微波器件等方面展现出巨大的潜力。近年人们提出了第四代半导体材料，一种在大气条件下稳定存在的新型金属氧化物半导体—氧化镓(Ga₂O₃)，相较于第三代半导体材料，它具有更大禁带宽度、更大的巴利加优值、高的击穿场强、紫外日盲响应、气敏特性以及良好的热稳定性和化学稳定性等优异特性，而成为半导体材料及器件等领域的研究热点。

Ga₂O₃材料共有α，β，γ，δ，ε五种已知的晶相，其中β-Ga₂O₃(E_g＝4.7-4.9eV)结构最为稳定并能和其他四种氧化镓之间互相转化。目前大面积β-Ga₂O₃单晶衬底能够采用熔融态方法生长，但工艺方法苛刻，得到高质量Ga₂O₃晶体薄膜难度很大；α-Ga₂O₃材料在电学特性(E_g＝5.0～5.3eV)更是优于β-Ga₂O₃及其他宽带隙半导体材料，但由于同质衬底材料的限制，严重阻碍其研究与应用。

早在上世纪五六十年代人们就己经开始了对β-Ga₂O₃材料的研究，其研究经历了由β-Ga₂O₃单晶到纳米结构和薄膜结构的变化。最早对薄膜进行研究的是日本的Hariu等人，他们在1977年通过在氧气气氛中蒸发金属的方法得到了非晶Ga₂O₃薄膜。2002年Orita等人利用脉冲激光沉积方法(PLD)在c面蓝宝石衬底上生长了具有明显择优取向性的β-Ga₂O₃多晶薄膜。2010年Tsai,Min-Ying等人通过等离子体辅助型分子束外延(PAMBE)设备在c面蓝宝石衬底和(100)面衬底上生长了择优取向的β-Ga₂O₃薄膜。2012年左右，山东大学利用MOCVD技术尝试了在蓝宝石衬底、MgO、GaAs等衬底上得到择优取向的β-Ga₂O₃单晶薄膜。