[发明专利]一种无掩模原位横向外延α相氧化镓薄膜的方法

说明书

本发明提出一种无掩模原位横向外延α相氧化镓薄膜的方法，包括以下步骤：(1)在衬底上外延一层氧化镓缓冲层；(2)在极短的时间内，在氧化镓缓冲层上生长一层氧化铟量子点，即可得到图形化的氧化镓外延衬底；(3)在图形化的氧化镓外延衬底上继续外延α相氧化镓薄膜，直至氧化铟量子点的上部被氧化镓铺满。本发明采用横向外延技术，使氧化铟量子点的上部被氧化镓铺满，使窗口区的位错在横向生长区被截断而消失，部分位错向横向生长区弯曲90°而不能达到薄膜表面从而使得位错大大减少，这种原位的无掩模的横向外延技术极大优化了传统横向外延的工艺步骤，减少刻蚀损伤。

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种α相氧化镓薄膜的制备方法，即一种无掩模原位横向外延α相氧化镓薄膜的方法。

背景技术

氧化镓作为一种超宽禁带半导体材料，因具有高击穿场强、高电子饱和速率等优点，是继III族氮化物之后在深紫外光电子器件及高功率电力电子器件应用方面又一类重要的优选材料。氧化镓共有α，β，γ，κ，δ五种晶型，其中β相最为稳定，因而生长更为容易，针对其外延和器件的研究也最为广泛。刚玉结构亚稳相的α相氧化镓具有更大的禁带宽度(Eg≈5.3eV)，与同为刚玉结构亚稳相的α-In₂O₃(Eg≈3.7eV)、蓝宝石(α-Al₂O₃，Eg≈9eV)之间形成的合金可调节带隙的范围较大，因此，将α相氧化镓拓展至UVC至UVA波段光电器件研制，近年来备受关注。α相氧化镓与同为刚玉结构的蓝宝石衬底具有更好的晶格匹配，因而更容易获得较高质量。此外，蓝宝石(α-Al₂O₃)衬底与β-Ga₂O₃衬底相比在制作低成本上有很大的优势。

目前，氧化镓的制备方法主要有金属有机物气相外延(MOCVD)、分子束外延(MBE)、脉冲激光沉积(PLD)、卤化物气相外延(HVPE)、超声辅助雾相输运化学气相沉积(Mist-CVD)等等。由于衬底与外延膜存在晶格失配，应力释放所导致的高密度刃位错会随着外延的进行一直延伸到样品表面，晶体质量还有很大的提升空间。

外延膜的应力工程与缺陷控制通常被用作提高输运特性和击穿场强的常用方法。传统的横向外延技术是指，通过在外延层上沉积掩蔽材料，并刻蚀出特定的图形窗口，然后在已开好的图形窗口上外延生长，当窗口长满后，则进行横向铺展延伸，直至整个外延层连成一片。横向外延技术可以使窗口区的位错在横向生长区被截断而消失，部分位错向横向生长区弯曲90°而不能达到薄膜表面从而使得位错大大减少，改善外延层的质量。但传统的横向外延技术较为复杂，需要使用掩模版，且刻蚀会对薄膜表面造成一定程度的损伤。

发明内容

发明目的：本发明旨在针对现有技术中存在的上述不足，提供一种新型的、简便的、无掩模的原位横向外延技术，以外延生长出高质量、低位错密度的氧化镓薄膜。

技术方案：为实现上述目的，本发明提出一种无掩模原位横向外延α相氧化镓薄膜的方法，该方法包括以下步骤：

(1)在衬底上外延一层氧化镓缓冲层；

(2)在极短的时间内，在氧化镓缓冲层上生长一层氧化铟量子点，即可得到图形化的氧化镓外延衬底；

(3)在图形化的氧化镓外延衬底上继续外延α相氧化镓薄膜，直至氧化铟量子点的上部被氧化镓铺满。

本发明采用横向外延技术，使氧化铟量子点的上部被氧化镓铺满，使窗口区的位错在横向生长区被截断而消失，部分位错向横向生长区弯曲90°而不能达到薄膜表面从而使得位错大大减少，改善外延层的质量，即横向外延。这种原位的无掩模的横向外延技术极大优化了传统横向外延的工艺步骤，减少刻蚀损伤，是一种全新的横向外延高质量氧化镓薄膜的方法。

在本方法中，可通过严格控制氧化铟量子点的生长条件控制量子点的尺寸和密度，即可以控制量子点面积所占的比例，也即可以控制低位错密度区的面积。