一种在氮化镓衬底上二次生长氧化镓的方法

本发明涉及一种在氮化镓衬底上二次生长氧化镓的方法，属于半导体材料领域。

背景技术：

1、ga2o3是一种具有多态性的直接带隙的宽禁带半导体材料，室温下带隙可以达到4.9ev,击穿场强高达8mv/cm。具有(α-、β-、γ-、δ-和ε-)五种晶相，其中单斜晶系(c2/m)β-ga2o3，a为b为c为b＝103.83度最为稳定。β-ga2o3通常在900℃以上的高温下形成。由于其较大的带隙以及热稳定性高等材料特性，β-ga2o3显示出其作为功率电子器件以及极端环境(高温、高压和高辐射)电子器件有前途材料的优异能力。适用于制备日盲紫外光电探测器，金属-氧化物-半导体场效应晶体管、肖特基二极管等大功率器件，这使ga2o3材料在功率器件和光电探测器等电子领域备受关注。β-ga2o3薄膜可以通过不同的生长技术获得，包括金属有机化学气相沉积，分子束外延，卤化物气相沉积，原子层沉积，脉冲激光沉积等化学气象沉积技术。

2、目前，金属有机化学气相沉积技术和脉冲激光沉积技术制备氧化镓外延的报道已经有很多，但这些技术设备昂贵，成本较高，部分报道无法制备高质量的氧化镓单晶外延。气相沉积技术操作方便，薄膜生长均匀，重复性较高，目前大多数采用该方法，但是该方法设备成本较高，部分沉积方式制备的ga2o3晶体材料内部缺陷较高。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供一种在氮化镓衬底上二次生长氧化镓的方法。

2、本发明的方法可以显著降低ga2o3薄膜表面粗糙度，改善晶体质量，ga2o3薄膜的生长速率可控，大幅提高了薄膜晶体质量，薄膜晶体没有缺陷。

3、本发明是通过如下技术方案实现的：

4、一种在氮化镓衬底上二次生长氧化镓的方法，步骤如下：

5、1)热氧化

6、在化学气相沉积设备中，蓝宝石衬底上生长的gan作为衬底，通过热氧化衬底的方式，自氮化镓薄膜上表面向下表面扩散制备氧化镓薄膜，得到热氧化后衬底；

7、2)二次生长

8、热氧化后衬底与镓源一同置于管式炉反应室中，密封反应室，抽真空，通入氮气，调整腔体内的压强，随后加热反应室腔体，当温度升高至850℃-1000℃后，调整腔体内压强，并通入氧气，调节氧气和氮气流量，低压化学气相沉积进行二次生长氧化镓薄膜，生长过程结束后，去掉氧气，继续通入氮气作为保护气体，冷却至室温，得到氧化镓外延薄膜。

9、根据本发明优选的，步骤1)中，热氧化生长方式为：将预处理的衬底放入反应室内，升温过程通入氮气，温度升高到反应温度后通入氧气进行热氧化，反应结束后通入氮气降温。

10、根据本发明优选的，步骤1)中，热氧化全程压力保持在600torr 550-650torr。

11、根据本发明优选的，步骤1)中，热氧化过程氧气流量为100sccm。

12、根据本发明优选的，步骤1)中，热氧化温度为850℃-1000℃，热氧化时间为60min-120min。

13、根据本发明优选的，步骤1)中，衬底预处理为：蓝宝石上生长的氮化镓衬底用去离子水，丙酮，乙醇分别超声清洗，高纯氮气干燥。

14、根据本发明优选的，步骤2)中，镓源和热氧化后衬底依次沿气流方向水平放置，镓源朝向进气口方向，热氧化后衬底朝向出气口方向，镓源和热氧化后衬底之间的距离为5-15cm。

15、根据本发明优选的，步骤2)中，热氧化后衬底放置在加热源正下方，镓源和热氧化后衬底之间的距离为10cm。

16、根据本发明优选的，步骤2)中，镓源盛放在小坩埚里，小坩埚和热氧化后衬底放在刚玉板上，衬底沿水平方向放置于加热区。

17、根据本发明优选的，步骤2)中，所述的镓源为金属镓颗粒，纯度为99.999％。

18、根据本发明优选的，步骤2)中，镓源的用量为0.25-0.3g。

19、根据本发明优选的，步骤2)中，腔体抽真空后，腔体压强调整为600torr。

20、根据本发明优选的，步骤2)中，通入氮气，腔体压强调整为650-750torr。

21、根据本发明优选的，步骤2)中，反应室温度升高至850℃-1000℃后，调整腔内压强为0.5-2torr。

22、根据本发明优选的，步骤2)中，通入氧气后，腔体压强稳定在0.5-2torr。

23、根据本发明优选的，步骤2)中，氧气气流量范围为1-20sccm，氮气气流量范围为10-100sccm。

24、根据本发明优选的，步骤2)中，二次生长氧化镓薄膜时间为60min-120min，二次生长温度范围为900℃-1000℃

25、本发明采用mocvd在蓝宝石上生长的gan作为衬底，利用热氧化和低压化学气相沉积薄膜外延生长技术在衬底上制备β-ga2o3薄膜，热氧化可以制备ga2o3种子层，二次生长过程可以改善薄膜表面粗糙度大的问题，使薄膜表面更加光滑。使氧化镓薄膜的厚度以及生长速率变的可控，同时可以提高ga2o3薄膜晶体的质量。

26、本发明是在氮化镓衬底上通过低压化学气相沉积进行二次生长。低压化学气相沉积(lpcvd)技术操作简单，设备成本较低，薄膜生长速率快，重复性较高，可以控制薄膜厚度。热氧化法可以在gan衬底上制备较高质量的ga2o3薄膜，二次生长可以显著降低ga2o3薄膜表面粗糙度，改善晶体质量，使β-ga2o3薄膜的生长速率变的可控。

27、本发明的技术特点及优点：

28、1、本发明采用mocvd生长的gan衬底，通过热氧化和低压化学气相沉积生长技术，生长出了质量高的β-ga2o3薄膜；热氧化制备出较高质量的ga2o3薄膜作为种子层，二次生长制备出高质量ga2o3外延薄膜。

29、2、本发明通过二次生长方法，可以有效的改善热氧化制备的氧化镓薄膜粗糙度大、速率不可控、氧化速度慢的问题。二次生长法可以获得高质量的氧化镓外延薄膜。

30、3、本发明的镓源采用高纯度工业原料金属镓，原料易得价格低廉，选用蓝宝石上生长的gan衬底早已实现商品化生产，不需要其他稀有材料，所用设备要求简单，操作简单，重复性较高，可靠性高，成本较低，生长速率快具有大规模工业生产的潜力。

技术特征：

1.一种在氮化镓衬底上二次生长氧化镓的方法，步骤如下：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1)中，热氧化生长方式为：将预处理的衬底放入反应室内，升温过程通入氮气，温度升高到反应温度后通入氧气进行热氧化，反应结束后通入氮气降温。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤1)中，热氧化全程压力保持在600torr550-650torr，热氧化过程氧气流量为100sccm，衬底预处理为：蓝宝石上生长的氮化镓衬底用去离子水，丙酮，乙醇分别超声清洗，高纯氮气干燥。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1)中，热氧化温度为850℃-1000℃，热氧化时间为60min-120min。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2)中，镓源和热氧化后衬底依次沿气流方向水平放置，镓源朝向进气口方向，热氧化后衬底朝向出气口方向，镓源和热氧化后衬底之间的距离为5-15cm，热氧化后衬底放置在加热源正下方，优选的，镓源和热氧化后衬底之间的距离为10cm。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2)中，镓源盛放在小坩埚里，小坩埚和热氧化后衬底放在刚玉板上，衬底沿水平方向放置于加热区。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2)中，所述的镓源为金属镓颗粒，纯度为99.999％，镓源的用量为0.25-0.3g。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2)中，腔体抽真空后，腔体压强调整为600torr，通入氮气，腔体压强调整为650-750torr。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2)中，反应室温度升高至850℃-1000℃后，调整腔内压强为0.5-2torr。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2)中，通入氧气后，腔体压强稳定在0.5-2torr，氧气气流量范围为1-20sccm，氮气气流量范围为10-100sccm。

技术总结
本发明涉及一种在氮化镓衬底上制备氧化镓薄膜的方法，该方法第一步热氧化氮化镓衬底制备氧化镓薄膜，第二步在低压化学气相沉积设备中在热氧化后的衬底上进行二次生长。MOCVD在蓝宝石衬底上生长的(002)面氮化镓为衬底，热氧化方法在传统管式炉内通入氧气作为氧化气体高温下热氧化氮化镓制备氧化镓薄膜。该方法制备工艺较为简单，重复性较高，成本较低，通过二次生长法可以在氮化镓衬底上制备出高质量的氧化镓薄膜。

技术研发人员：徐明升,滕达,孙振,葛磊,徐现刚
受保护的技术使用者：山东大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13