[發(fā)明專利]氧化鎵外延薄膜及生長氧化鎵外延薄膜的方法

在審

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• 申請日: 2020-11-20
• 公開（公告）號: CN112420491A
• 公開（公告）日: 2021-02-26
• 發(fā)明（設計）人: 修向前;許萬里;施佳誠;李悅文;謝自力;張榮;鄭有炓
• 申請（專利權）人: 南京大學
• 主分類號: H01L21/02
• 分類號: H01L21/02;C23C16/30;C30B25/18;C30B29/40
• 代理公司: 江蘇斐多律師事務所 32332
• 代理人: 張佳妮

本發(fā)明公開了一種改善氧化鎵外延薄膜質量和表面形貌的方法。在切割角藍寶石襯底上用鹵化物氣相外延法生長β相氧化鎵(β?Ga₂O₃)薄膜，通過采用合適的襯底切割角度使得氧化鎵外延模式從多疇模式變成單一疇模式外延，得到高質量和表面平滑的氧化鎵薄膜。

技術領域

本發(fā)明涉及到一種氧化鎵外延薄膜及生長氧化鎵外延薄膜的方法，屬于半導體材料技術領域。

背景技術

氧化鎵(Ga₂O₃)是近幾年來國際上倍受重視的新型半導體材料。β-Ga₂O₃禁帶寬度是Si的四倍以上，而且高于3.3eV的SiC和3.4eV的GaN。其擊穿電場強度為8MV/cm，是Si的20倍以上、SiC或GaN的兩倍以上。作為功率器件低損耗指標的巴利加優(yōu)值，β-Ga₂O₃是SiC的10倍、GaN的4倍。因此，β-Ga₂O₃功率器件將在超高壓輸電、高速鐵路及軍事武器等關鍵領域具有巨大的應用價值。同時β-Ga₂O₃吸收截止邊位于250nm處，紫外透過率可達80％以上，并且具有良好的化學穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性。因此，β-Ga₂O₃晶體自身便滿足“日盲”光電器件的需求，避免了合金化等復雜問題，在深紫外固態(tài)光電器件研究領域優(yōu)勢非常突出。

氧化鎵薄膜具有多種制備方法，如鹵化物氣相外延(HVPE)、化學氣相沉積、分子束外延和電子束蒸發(fā)，其中HVPE由于其較快的生長速率，化學反應簡單等特點而備受關注。目前應用于半導體技術的Ga₂O₃薄膜主要是采用異質外延方法在藍寶石、MgO等襯底上制備。在異質外延中，由于β-Ga₂O₃及藍寶石襯底的對稱性差異，導致β-Ga₂O₃在異質藍寶石襯底上以多重旋轉疇的生長模式外延，在生長過程中，晶疇之間會發(fā)生融合并產生明顯的疇晶界，這些晶界的存在會大大降低β-Ga2O3薄膜的晶體質量，且多重疇生長使得薄膜表面呈現片狀或層狀的類疇狀結構，限制了β-Ga₂O₃薄膜的均勻性，大大影響了器件的成品率和可靠性。

在c面藍寶石上異質外延β-Ga2O3時，多重疇生長模式外延源于c面藍寶石三重旋轉堆砌結構和單斜β-Ga₂O₃的雙重對稱性，從而會出現多重疇結構。無論采用何種異質外延方法，在外延過程中都會不可避免的都會形成多種疇結構。因此異質外延得到的β-Ga2O3薄膜質量較低、表面粗糙。研究表明，由于c面藍寶石襯底的對稱性，會造成β-Ga₂O₃晶體的多種疇生長，從而導致異質外延的β-Ga₂O₃薄膜單晶質量較差。如圖1所示，兩者的面內外延關系是β-Ga₂O₃[010]//[11-00]Al₂O₃，β-Ga₂O₃[102]//[112-0]Al₂O₃。圖2給出了氧化鎵(-201)面和藍寶石(0001)面的氧原子排列，長方形為氧化鎵的單個晶胞，六邊形為藍寶石的晶胞。氧化鎵在藍寶石襯底上成核時會形成六個疇，對氧化鎵(-401)晶面進行面內phi掃描，圖譜中展示了間隔60°的六個峰，表示了六個旋轉晶疇的形成。這種多疇生長導致薄膜中出現了大量的晶界、孿晶等，嚴重影響了晶體質量和表面形貌。