[發明專利]一種氧化鎵膜的制備方法及其應用

有效

• 申請號: 202010432428.9
• 申請日: 2020-05-20
• 公開（公告）號: CN111663181B
• 公開（公告）日: 2022-02-08
• 發明（設計）人: 修向前;辛國慶;李悅文;張榮;華雪梅;謝自力;陳鵬;韓平;陸海;施毅;鄭有炓
• 申請（專利權）人: 辛國慶
• 主分類號: C30B29/16
• 分類號: C30B29/16;C30B25/18
• 代理公司: 廣州嘉權專利商標事務所有限公司 44205
• 代理人: 林德強

本發明公開了一種氧化鎵膜的制備方法及其應用。這種氧化鎵膜的制備方法包括以下步驟：1)采用鹵化物氣相外延法，在襯底上制得氮化鎵膜；2)在含氧氣氛中，將氮化鎵膜氧化形成氧化鎵/氮化鎵復合膜；3)采用鹵化物氣相外延法，在氧化鎵/氮化鎵復合膜上進行氧化鎵的原位厚膜生長，形成氧化鎵膜；4)將氧化鎵膜與襯底剝離，得到氧化鎵膜。本發明這種氧化鎵膜可以作為一種自支撐的氧化鎵襯底。本發明的制備方法可以有效降低鹵化物氣相外延生長氧化鎵厚膜材料中應力并降低位錯密度，得到高質量的自支撐氧化鎵厚膜，同時也更容易分離。

技術領域

本發明涉及半導體材料技術領域，特別是涉及一種氧化鎵膜的制備方法及其應用。

背景技術

第四代寬禁帶半導體氧化鎵(Ga₂O₃)具有超高的禁帶寬度，優良的巴利加優值和紫外透光特性，這些特性使其在大功率以及深紫外光電子器件上有著理想的應用前景，可以用于制造功率器件、日盲探測器、高亮度LED等。

氧化鎵材料的生長有很多方法，如金屬有機物氣相外延(MOCVD)、分子束外延(MBE)、升華法以及鹵化物氣相外延法(Hydride vapor phase epitaxy，HVPE)等。由于氧化鎵基材料本身物理性質的限制，氧化鎵體單晶的生長具有很大的困難，尚未實用化。氫化物氣相外延由于具有高的生長率和橫向-縱向外延比，可用于同質外延生長自支撐氧化鎵襯底，引起廣泛地重視和研究。此法的突出優點是氧化鎵生長速率很高，一般可達幾十到上千微米/小時。而外延層中位錯密度與其他方法相比低1-2個數量級，直接HVPE外延氧化鎵層的位錯密度低達10⁸cm^-2左右。進一步輔以其他外延技術可以更好的降低外延層中的位錯密度。

氮化鎵是近幾年來國際上倍受重視的新型半導體材料。GaN基材料是直接帶隙寬禁帶半導體材料，具有1.9～6.2eV之間連續可變的直接帶隙，優異的物理、化學穩定性，高飽和電子漂移速度，高擊穿場強和高熱導率等優越性能，在短波長半導體光電子器件和高頻、高壓、高溫微電子器件制備等方面具有重要的應用，用于制造比如藍、紫、紫外波段發光器件、探測器件，高溫、高頻、高場大功率器件，場發射器件，抗輻射器件，壓電器件等。

因為現有的氧化鎵襯底一般生長在異質襯底如藍寶石上面，晶格失配和熱失配會引起氧化鎵層中存在較大的應力，無論采用機械拋光還是激光剝離去除異質襯底，應力仍然存在于氧化鎵材料中，應力的存在會造成氧化鎵基器件性能的降低。而目前直接采用氫化物氣相外延法制備氧化鎵或采用溶膠凝膠法制備氧化鎵薄膜，所得到的薄膜質量較低，且薄膜均勻性較差。

目前生產直徑兩英寸以上(四英寸或六英寸及以上)的大尺寸襯底材料，其生長還會存在如下的問題：現有技術反應室的物理場輸運不是簡單的尺寸放大，因為不同區域氣體流量、O/Ga比等存在差異，同時由于反應室和襯底尺寸的擴大會導致輸入源氣體濃度分布不均勻形成渦流、預反應增強等嚴重問題，對材料的均勻性和質量等都會產生嚴重的影響。

發明內容

為了克服上述現有技術氧化鎵膜材料制備存在的問題，本發明的目的之一在于提供一種大尺寸的自支撐氧化鎵膜，本發明的目的之二在于提供這種氧化鎵膜的制備方法，本發明的目的之三在于提供這種氧化鎵膜的應用。

本發明的發明構思是：由于氮化鎵單晶有透過藍光和紫外光的性質，氮化鎵單晶可以用作氧化鎵的襯底材料。另外氮化鎵作為襯底，在氧化鎵厚膜生長后可以通過激光剝離方法去除掉界面的氮化鎵，從而得到自支撐的氧化鎵襯底。所以，本發明利用鹵化物氣相外延方法外延氮化鎵薄膜，經氧化后形成Ga₂O₃/GaN復合結構薄膜，再在Ga₂O₃/GaN復合結構薄膜上進一步利用鹵化物氣相外延法外延氧化鎵厚膜，最終獲得高質量低應力自支撐的氧化鎵襯底。

為了實現上述目的，本發明所采取的技術方案是：

本發明第一方面提供了一種氧化鎵膜的制備方法，包括以下步驟：