基于GaAs襯底的氧化鎵薄膜及其生長方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于微電子技術(shù)領(lǐng)域，涉及半導(dǎo)體材料的生長方法，具體來說是一種Ga203薄膜制作方法，可用于制作半導(dǎo)體功率器件。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來以SiC和GaN為代表的第三代半導(dǎo)體以其禁帶寬度大、擊穿電場高、熱導(dǎo)率高、飽和電子速度大和異質(zhì)結(jié)界面二維電子氣濃度高等特性，使其受到廣泛關(guān)注。盡管第三代半導(dǎo)體材料與器件取得了重大的進(jìn)展，并且已經(jīng)進(jìn)入了實(shí)用化階段，但是由于SiC和GaN材料存在許多缺陷使得其在大范圍內(nèi)應(yīng)用仍然受到很大的限制。為此，在SiC和GaN材料生長、器件制造和推廣應(yīng)用的基礎(chǔ)上，人們也在不斷尋找本身具有同質(zhì)襯底、材料性能優(yōu)良、價(jià)格便宜的半導(dǎo)體材料能夠彌補(bǔ)上述兩種材料的不足，同時(shí)禁帶寬度較寬、擊穿場強(qiáng)較大適于制造功率器件。
[0003]Ga203半導(dǎo)體材料尤其引起人們的興趣，Ga203半導(dǎo)體材料禁帶寬度大，擊穿場強(qiáng)高、導(dǎo)通電阻小，能夠進(jìn)行同質(zhì)外延、是功率器件研制的最佳材料選擇。Ga203屬于單斜晶體，禁帶寬度約為4.8eV-4.9eVo目前已經(jīng)通過浮區(qū)法和導(dǎo)模法獲得了 2英寸和4英寸的Ga203單晶襯底，通過在Ga203單晶襯底上同質(zhì)外延生長Ga203薄膜的方法能夠獲得缺陷位錯(cuò)少、晶格結(jié)構(gòu)相對(duì)完整、載流子濃度在117CnT3?10 19CnT3連續(xù)變化的高質(zhì)量薄膜，具有優(yōu)良的光學(xué)性能以及穩(wěn)定的理化性質(zhì)，可以用來制作高性能的功率電子器件、紫外傳感器、日盲探測器等，具有廣泛的應(yīng)用前景。
[0004]為了能夠更好的利用材料的優(yōu)勢，人們對(duì)Ga203薄膜的生長進(jìn)行了大量的研宄。所采用的生長方法主要有:脈沖激光沉積法PLD、溶膠-凝膠法、化學(xué)氣相沉積法CVD、金屬有機(jī)物化學(xué)氣相淀積MOCVD和磁控濺射法等。
[0005]脈沖激光沉積PLD是近年來發(fā)展起來的使用范圍最廣，最有希望的制膜技術(shù)。簡單來說，脈沖激光沉積PLD就是脈沖激光光束聚焦在固體靶面上，激光超強(qiáng)的功率使得靶物質(zhì)快速等離子化，然后濺鍍到目標(biāo)物上。它具有以下優(yōu)點(diǎn):1.由于激光光子能量很高，可濺射制備很多困難的鍍層:如高溫超導(dǎo)薄膜，陶瓷氧化物薄膜，多層金屬薄膜等；PLD可以用來合成納米管，納米粉末等。2.PLD可以通過控制激光能量和脈沖數(shù)，精密的控制膜厚。3.易獲得期望化學(xué)計(jì)量比的多組分薄膜。4.沉積速率高，試驗(yàn)周期短，襯底溫度要求低。5.工藝參數(shù)任意調(diào)節(jié)。6.便于清潔處理，可以制備多種薄膜材料。
[0006]但是，目前采用PLD沉積Ga203薄膜均采用單一生長法，即在生長過程中采用完全相同的工藝參數(shù)，包括氧氣壓力、激光能量、襯底溫度等進(jìn)行生長，使得采用PLD技術(shù)在GaAs襯底上進(jìn)行異質(zhì)外延得到的Ga203薄膜表面形貌差、晶粒尺寸小。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0007]本發(fā)明的目的在于針對(duì)上述已有脈沖激光沉積法PLD的不足，提出一種基于GaAs襯底的氧化鎵薄膜及其生長方法，以通過對(duì)工藝參數(shù)的調(diào)整和優(yōu)化，降低薄膜表面粗糙度，改善Ga203薄膜表面形貌，獲得高質(zhì)量的Ga203寬禁帶半導(dǎo)體材料。
[0008]本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的:
[0009]本發(fā)明基于GaAs襯底的氧化鎵薄膜，包括GaAs襯底和氧化鎵外延層，其特征在于:GaAs襯底與氧化鎵外延層之間設(shè)有6-12nm的氧化鎵緩沖層。
[0010]本發(fā)明基于GaAs襯底的氧化鎵薄膜的生長方法，包括如下步驟:
[0011](I)對(duì)GaAs襯底進(jìn)行清洗，并用氮?dú)獯蹈桑?br>[0012](2)利用PLD設(shè)備在GaAs襯底上生長6_12nm的氧化鎵緩沖層，其工藝參數(shù)為:
[0013]襯底溫度625 °C ?700 °C，
[0014]氧分壓0.04mbar ?0.06mbar，
[0015]激光能量310mJ ?360mJ，
[0016]激光頻率2Hz?4Hz。
[0017](3)在氧氣氛圍里對(duì)氧化鎵緩沖層進(jìn)行熱退火；
[0018](4)在氧化鎵緩沖層上生長氧化鎵外延層，其工藝參數(shù)為:
[0019]襯底溫度500°C ?600°C，
[0020]氧分壓0.009mbar ?0.02mbar,
[0021 ]激光能量 420mJ ?460mJ，
[0022]激光頻率2Hz?3Hz ；
[0023]本發(fā)明由于在GaAs襯底和Ga203外延層之間設(shè)有Ga203緩沖層，提高了 Ga203薄膜最初生長時(shí)反應(yīng)物原子在襯底上的覆蓋率，增加了籽晶形核密度，同時(shí)由于對(duì)Ga203緩沖層進(jìn)行熱處理，提高了緩沖層的結(jié)晶質(zhì)量；此外由于通過調(diào)整外延生長的工藝參數(shù)進(jìn)行Ga203外延層的生長，不僅增加了 Ga203晶粒尺寸，降低薄膜表面粗糙度，而且改善了整個(gè)Ga203薄膜的表面形貌。
【附圖說明】
[0024]圖1是本發(fā)明的剖面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025]圖2是本發(fā)明的工藝流程示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0026]參照?qǐng)D1，本發(fā)明包括GaAs襯底1、緩沖層2和外延層3。其中GaAs襯底I的晶面取向?yàn)?001)，外延層3采用厚度為90-150nm的Ga203材料，緩沖層2采用厚度為6_12nm的Ga203材料，且位于GaAs襯底I與外延層3之間。
[0027]參照?qǐng)D2，本發(fā)明的制作方法給出如下三種實(shí)施例:
[0028]實(shí)施例1，制作緩沖層厚度為6nm的氧化鎵薄膜。
[0029]步驟I，清洗GaAs襯底。
[0030](1.1)用甲苯、丙酮、乙醇和去離子水依次超聲清洗GaAs襯底5min ；
[0031](1.2)將GaAs襯底放入60_70°C的比例為5:1:1的硫酸、雙氧水和水的混合溶液中浸泡Imin ；
[0032](1.3)用去離子水將GaAs襯底沖洗干凈，并用N2吹干。
[0033]步驟2，生長厚度為6nm的氧化鎵緩沖層。
[0034](2.1)將清洗后的GaAs襯底放入脈沖激光沉積PLD腔室中，將脈沖激光沉積PLD腔室的真空度抽到10_6mbar，襯底和氧化鎵靶材之間的距離調(diào)整為50mm，靶材的轉(zhuǎn)速保持30rpm ；
[0035](2.2)將GaAs襯底加熱到700 V，調(diào)整脈沖激光沉積PLD腔室中氧分壓為0.04mbar，設(shè)置激光能量為360mJ，激光頻率為2Hz，脈沖次數(shù)為900生長Ga203緩沖層；
[0036](2.3)在緩沖層生長結(jié)束后向脈沖激光沉積PLD腔室中充入200mbar的氧氣，然后讓生長的氧化鎵緩沖層薄膜自然冷卻。
[0037]步驟3，在氧氣氛圍里對(duì)氧化鎵緩沖層進(jìn)行熱退火，退火溫度為800°C，退火時(shí)間70mino
[0038]步驟4，生長厚度為90nm的氧化鎵外延層。
[0039](4.1)將熱退火后的氧化鎵緩沖層放入脈沖激光沉積PLD腔室中，將腔室的真空度抽到l(T6mbar，調(diào)整襯底和革E材之間的距離為50mm，革E材的轉(zhuǎn)速保持30rpm ；
[0040](4.2)設(shè)