CN110993504A - 基于SiC衬底的Ga2O3薄膜的制备方法及基于SiC衬底的Ga2O3薄膜 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于SiC衬底的Ga2O3薄膜的制备方法，包括：选取SiC衬底层；利用脉冲激光沉积工艺在所述SiC衬底层表面上制备Ga2O3缓冲层；利用脉冲激光沉积工艺在所述Ga2O3缓冲层表面上制备Ga2O3薄膜层。本发明所提供的基于SiC和Ga2O3的半导体结构的制备方法首先通过脉冲激光沉积工艺在SiC衬底层表面形成Ga2O3缓冲层，从而减少了由于晶格失配引起的位错缺陷，然后又通过脉冲激光沉积工艺在Ga2O3缓冲层表面形成Ga2O3薄膜层，从而提高后续生长的Ga2O3薄膜层的结晶度，最终实现了在SiC衬底层上制备高结晶的Ga2O3薄膜材料的结构。
Description
技术领域
本发明属于微电子技术领域，具体涉及一种基于SiC衬底的Ga2O3薄膜的制备方法及基于SiC衬底的Ga2O3薄膜。
背景技术
近年来，作为第三代半导体的Ga2O3材料由于其具有较大的禁带宽度，较高的击穿电场强度，较小的导通电阻，受人们的广泛关注，并且是研制功率器件的最佳材料选择。目前可以通过高温等方法制备Ga2O3的单晶衬底，并且可以在其上面进行同质外延具有优良的光学性能以及电学性能的Ga2O3薄膜，可以用作具有高性能的功率电子器件、紫外光电探测器以及紫外传感器，应用前景比较广泛，然而，由于其较低的热导率，限制了其功率电子器件在高温下的应用。
SiC作为第三代半导体材料，同样具有优异的性能，并且具有较高的热导率，SiC和Ga2O3的结合，不仅能够发挥各自的优势，并且可以解决氧化镓低热导率的问题，然而，SiC和Ga2O3由于较大的晶格失配导致许多缺陷的存在，限制了其广泛的应用。
因此，解决SiC和Ga2O3之间由于晶格失配导致的缺陷问题，在碳化硅衬底上生长高结晶质量的氧化镓薄膜，对未来SiC和Ga2O3材料的结合在功率电子器件高温环境下的应用具有较大的意义。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种基于SiC衬底的Ga2O3薄膜的制备方法及基于SiC衬底的Ga2O3薄膜。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
一种基于SiC衬底的Ga2O3薄膜的制备方法，包括：
选取SiC衬底层；
利用脉冲激光沉积工艺在所述SiC衬底层表面上制备Ga2O3缓冲层；
利用脉冲激光沉积工艺在所述Ga2O3缓冲层表面上制备Ga2O3薄膜层。
在本发明的一个实施例中，所述SiC衬底层的厚度为300～700μm。
在本发明的一个实施例中，利用脉冲激光沉积工艺在所述SiC衬底层表面上制备Ga2O3缓冲层，包括：
在氧气和氩气环境下，利用脉冲激光沉积工艺在所述SiC衬底层表面上溅射Ga2O3生成Ga2O3材料层；
利用退火工艺对所述Ga2O3材料层进行退火处理形成所述Ga2O3缓冲层。
在本发明的一个实施例中，所述脉冲激光沉积工艺的工艺条件包括：真空度为6×10-4～7×10-4Pa，激光能量为250～340mJ，激光频率为2～5Hz，靶材基距为5cm，脉冲时长为1小时。
在本发明的一个实施例中，利用退火工艺对所述Ga2O3材料层进行退火处理形成所述Ga2O3缓冲层，包括：
在氧气、真空和氮气环境中依次对所述Ga2O3材料层进行退火处理形成所述Ga2O3缓冲层，且所述退火处理的工艺条件包括：退火温度为600±5℃、氧气中退火时间为2h，真空中退火时间为1h，氮气中退火时间为2h。
在本发明的一个实施例中，所述Ga2O3缓冲层的厚度为100±5nm。
在本发明的一个实施例中，利用脉冲激光沉积工艺在所述Ga2O3缓冲层表面上制备Ga2O3薄膜层，包括：
在氧气环境下，利用脉冲激光沉积工艺在所述Ga2O3缓冲层表面上溅射Ga2O3生成Ga2O3薄膜层。
在本发明的一个实施例中，所述脉冲激光沉积工艺的工艺条件包括：真空度为6×10-4～7×10-4Pa，激光能量为250～340mJ，激光频率为2～5Hz，靶材基距为5cm，脉冲时长为1小时。
在本发明的一个实施例中，所述Ga2O3薄膜层的厚度为220±5nm。
本发明一个实施例还提供一种基于SiC衬底的Ga2O3薄膜，所述基于SiC衬底的Ga2O3薄膜利用上述任一项实施例所述的基于SiC衬底的Ga2O3薄膜的制备方法制备而成，其中，所述基于SiC衬底的Ga2O3薄膜包括：
SiC衬底层；
Ga2O3缓冲层，位于所述SiC衬底层表面之上；
Ga2O3薄膜层，位于所述Ga2O3缓冲层表面之上。
本发明的有益效果：
本发明所提供的基于SiC和Ga2O3的半导体结构的制备方法首先通过脉冲激光沉积工艺在SiC衬底层表面形成Ga2O3缓冲层，从而减少了由于晶格失配引起的位错缺陷，然后又通过脉冲激光沉积工艺在Ga2O3缓冲层表面形成Ga2O3薄膜层，从而提高后续生长的Ga2O3薄膜层的结晶度，最终实现了在SiC衬底层上制备高结晶的Ga2O3薄膜材料的结构。
以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种制备碳化硅外延氧化镓薄膜设备的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的一种基于SiC衬底的Ga2O3薄膜的制备方法的流程示意图；
图3a～3c是本发明实施例提供的一种基于SiC衬底的Ga2O3薄膜的制备方法的示意图；
图4是本发明实施例提供的一种Ga2O3缓冲层退火环境示意图；
图5是本发明实施例提供的一种基于SiC衬底的Ga2O3薄膜的示意图。
附图标记说明：
SiC衬底层-1；Ga2O3缓冲层-2；Ga2O3薄膜层-3；可旋转靶材托-4；靶材-5；激光羽辉-6；衬底-7；可加热旋转衬底托-8；石英窗口-9；激光束-10；进气口-11；抽气口-12；真空腔室-13。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例一
在介绍本实施例所提供的基于碳化硅衬底的半导体结构制备方法之前，本实施例首先提供了一种制备碳化硅外延氧化镓薄膜设备，请参见图1，图1是本发明实施例提供的一种制备碳化硅外延氧化镓薄膜设备的结构示意图，该制备设备包括可旋转靶材托4、靶材5、激光羽辉6、衬底7、可加热旋转衬底托8、石英窗口9、激光束10、进气口11、抽气口12以及真空腔室13。可加热旋转靶材托4穿过溅射腔室与外面电源连接，在实验过程中可以使可旋转靶材托4旋转；靶材5用于放置Ga2O3靶材，当激光入射到靶材表面时，靶材表面就会产生等离子体形成激光羽辉6；在本实施例中衬底7为碳化硅衬底；可加热旋转衬底托8连接至外面电源，用于在试验工程中使衬底7不断旋转，保障沉积薄膜的均匀性，同时可以给衬底7进行加热；石英窗口9主要是供激光束10进入；进气口11可以进入一种气体或者多种混合气体；抽气口12连接外面的分子泵和机械泵，供实验前对真空腔室13进行抽真空。
本发明实施例所提供的基于SiC衬底的Ga2O3薄膜的制备方法可以基于上述设备进行制备，也可以基于其它设备进行制备，本实施例对此不作具体限定。
为了更好的对本实施例所提供的基于SiC衬底的Ga2O3薄膜的制备方法进行介绍，本实施例在上述制备碳化硅外延氧化镓薄膜设备的基础上对基于SiC衬底的Ga2O3薄膜的制备方法进行介绍，请参见图2，图2是本发明实施例提供的一种基于SiC衬底的Ga2O3薄膜的制备方法的流程示意图，该基于SiC衬底的Ga2O3薄膜的制备方法具体包括以下步骤：
S1、请参见图3a，选取SiC衬底层1；
具体地，SiC衬底层的生产技术成熟且所制备的器件质量较好；另外，碳化硅的热导率较高、稳定性很好，并且能够运用在高温生长过程中；最后，碳化硅具有优良的物理化学性能，与氧化镓的结合能够实现具有高性能的高功率的电力电子器件。因此，本实施例的衬底层选用碳化硅材料。
进一步地，SiC衬底层的厚度为300～700μm，优选地，SiC衬底层的厚度为500μm。
S2、请参见图3b，利用脉冲激光沉积工艺在SiC衬底层1表面上制备Ga2O3缓冲层2；
S21、在氧气和氩气环境下，利用脉冲激光沉积工艺在SiC衬底层表面上溅射Ga2O3生成Ga2O3材料层，其中脉冲激光工艺是在一定的脉冲激光沉积条件下，对Ga2O3靶材进行烧蚀致使靶材表面原子拥有足够大的能力而被溅射。脉冲激光沉积时激光拥有较高的能量，能够给予原子更多能量在衬底上的迁移，并且成膜速度较快；Ga2O3缓冲层不仅起到了缓冲层的作用而且没有引入其他杂质元素。
具体地，首先将氧气和氩气作为溅射气体同时通入溅射腔，之后利用脉冲激光沉积工艺在SiC衬底层表面上溅射Ga2O3靶材，从而在SiC衬底层表面上形成Ga2O3材料层。
进一步地，氧气和氩气的质量百分比纯度均为99.999％，且氧气的流量可以为2cm3/秒；氩气的流量可以为0.5cm3/秒，同时Ga2O3靶材的质量比纯度均大于99.99％。
另外，本实施例在制备Ga2O3缓冲层时所提供的脉冲激光沉积工艺的条件包括：衬底温度、背景真空度、激光能量、脉冲频率、脉冲时长、靶材基距。其中，溅射靶材基距指溅射靶材到SiC衬底层之间的距离。本实施例在制备Ga2O3缓冲层时的脉冲激光沉积工艺条件优选地为：衬底温度为室温，优选地衬底温度为25℃；真空度为6×10-4～7×10-4Pa，优选地为7×10-4Pa；激光能量为250～340mJ，激光频率为2～5Hz，靶材基距为5cm，脉冲时长为1小时。因为在其他实验条件下生长出来的Ga2O3材料层不致密、分布不均匀，后续退火后不利于形成Ga2O3缓冲层。本实施例先制备一层质量较好的非晶态Ga2O3材料层，而Ga2O3材料层起不到缓冲层的作用，所以不能减少位错的，而经过后续退火处理后，形成具有较好结晶质量的Ga2O3缓冲层时，才能起到缓冲的作用。
S22、利用退火工艺对Ga2O3材料层进行退火处理形成Ga2O3缓冲层。
具体地，请参见图4，在氧气、真空和氮气环境中依次对Ga2O3材料层进行退火处理以使Ga2O3材料层变为Ga2O3缓冲层，所制备的Ga2O3缓冲层具有无定型和纳米晶的结构特点。首先在氧气下退火主要是为了减少Ga2O3缓冲层中的氧空位浓度，然后在真空中退火主要是为了提高Ga2O3缓冲层的结晶质量，最后在氮气中退火主要是为了提高Ga2O3缓冲层的导电性能。
进一步地，本实施例的退火处理的温度为600±5℃，优选地为600℃，氧气中退火时间为2h，真空中退火时间为1h，氮气中退火时间为2h，退火时间较短时，薄膜不能够充分反应，不利于再次结晶；时间较长时薄膜内部会产生较大的应力，致使薄膜断裂，所以需要合适的退火时间。本实施例又在600±5℃进行退火处理，使得在SiC衬底与Ga2O3缓冲层接触的地方的原子发生扩散，致使SiC衬底与Ga2O3缓冲层之间的晶格常数减少，从而减少了位错引起的缺陷密度。
优选地，Ga2O3缓冲层的厚度为100±5nm。Ga2O3缓冲层的厚度如果太小，则会由于结晶晶粒较大不利于Ga2O3薄膜层的生长，而如果太厚就会影响SiC/Ga2O3异质结器件的性能。
S3、请参见3c，在Ga2O3缓冲层2表面上制备Ga2O3薄膜层3；
具体地，在氧气环境下，利用脉冲激光沉积工艺在Ga2O3缓冲层表面上溅射Ga2O3生成Ga2O3薄膜层。
进一步，首先将氧气作为溅射气体通入溅射腔，其中，氧气质量百分比纯度为99.999％，氩气流量例如可以为0.5cm3/秒；之后利用脉冲激光沉积工艺在Ga2O3缓冲层表面上溅射Ga2O3靶材生成Ga2O3薄膜层。
优选地，Ga2O3靶材的质量比纯度大于99.99％。
另外，本实施例在制备Ga2O3薄膜层时所提供的脉冲激光沉积工艺的条件包括：衬底温度、背景真空度、激光能量、脉冲频率、脉冲时长、靶材基距。本实施例在制备Ga2O3缓冲层时的脉冲激光沉积工艺优选地为：衬底温度为室温，优选地衬底温度为25℃；真空度为6×10-4～7×10-4Pa，优选地为7×10-4Pa；激光能量为250～340mJ，激光频率为2～5Hz，靶材基距为5cm，脉冲时长为1小时。如果真空度较低时，腔室内部杂质气体较多，会污染所制备的Ga2O3薄膜层，而真空度较高时，所需要的时间就会增加，不利于实验的进行。
优选地，Ga2O3薄膜层的厚度为220±5nm。Ga2O3薄膜层厚度过厚会对SiC/Ga2O3异质结器件的性能产生影响。
本发明实施例提供的碳化硅外延氧化镓薄膜的方法是通过在SiC衬底层上制备材料为Ga2O3的缓冲层，且该缓冲层依次经过氧气、真空和氮气环境下进行退火处理后，可以降低Ga2O3缓冲层与SiC衬底层之间由于晶格失配而引起的缺陷，由此更有利于后续在适当温度下，制备高结晶质量Ga2O3薄膜层。
实施例二
请参见图5，图5是本发明实施例提供的一种基于SiC衬底的Ga2O3薄膜的示意图。本发明实施例提供了一种基于SiC衬底的Ga2O3薄膜，该基于SiC衬底的Ga2O3薄膜包括：SiC衬底层1、Ga2O3缓冲层2和Ga2O3薄膜层3，其中，Ga2O3缓冲层2位于SiC衬底层1表面之上，Ga2O3薄膜层3位于Ga2O3缓冲层2表面之上。
本实施例的半导体结构是利用上述实施例所提供的基于SiC衬底的Ga2O3薄膜的制备方法制备而成，其实现原理和技术效果类似，在此不再赘述
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于SiC衬底的Ga2O3薄膜的制备方法，其特征在于，包括：
选取SiC衬底层；
利用脉冲激光沉积工艺在所述SiC衬底层表面上制备Ga2O3缓冲层；
利用脉冲激光沉积工艺在所述Ga2O3缓冲层表面上制备Ga2O3薄膜层。
2.根据权利要求1所述的基于SiC衬底的Ga2O3薄膜的制备方法，其特征在于，所述SiC衬底层的厚度为300～700μm。
3.根据权利要求1所述的基于SiC衬底的Ga2O3薄膜的制备方法，其特征在于，利用脉冲激光沉积工艺在所述SiC衬底层表面上制备Ga2O3缓冲层，包括：
在氧气和氩气环境下，利用脉冲激光沉积工艺在所述SiC衬底层表面上溅射Ga2O3生成Ga2O3材料层；
利用退火工艺对所述Ga2O3材料层进行退火处理形成所述Ga2O3缓冲层。
4.根据权利要求3所述的基于SiC衬底的Ga2O3薄膜的制备方法，其特征在于，所述脉冲激光沉积工艺的工艺条件包括：真空度为6×10-4～7×10-4Pa，激光能量为250～340mJ，激光频率为2～5Hz，靶材基距为5cm，脉冲时长为1小时。
5.根据权利要求3所述的基于SiC衬底的Ga2O3薄膜的制备方法，其特征在于，利用退火工艺对所述Ga2O3材料层进行退火处理形成所述Ga2O3缓冲层，包括：
在氧气、真空和氮气环境中依次对所述Ga2O3材料层进行退火处理形成所述Ga2O3缓冲层，且所述退火处理的工艺条件包括：退火温度为600±5℃、氧气中退火时间为2h，真空中退火时间为1h，氮气中退火时间为2h。
6.根据权利要求1所述的基于SiC衬底的Ga2O3薄膜的制备方法，其特征在于，所述Ga2O3缓冲层的厚度为100±5nm。
7.根据权利要求1所述的基于SiC和Ga2O3的半导体结构的制备方法，其特征在于，利用脉冲激光沉积工艺在所述Ga2O3缓冲层表面上制备Ga2O3薄膜层，包括：
在氧气环境下，利用脉冲激光沉积工艺在所述Ga2O3缓冲层表面上溅射Ga2O3生成Ga2O3薄膜层。
8.根据权利要求7所述的基于SiC和Ga2O3的半导体结构的制备方法，其特征在于，所述脉冲激光沉积工艺的工艺条件包括：真空度为6×10-4～7×10-4Pa，激光能量为250～340mJ，激光频率为2～5Hz，靶材基距为5cm，脉冲时长为1小时。
9.根据权利要求7所述的基于SiC和Ga2O3的半导体结构的制备方法，其特征在于，所述Ga2O3薄膜层的厚度为220±5nm。
10.一种基于SiC衬底的Ga2O3薄膜，其特征在于，所述基于SiC衬底的Ga2O3薄膜利用权利要求1至9任一项所述的基于SiC衬底的Ga2O3薄膜的制备方法制备而成，其中，所述基于SiC衬底的Ga2O3薄膜包括：
SiC衬底层；
Ga2O3缓冲层，位于所述SiC衬底层表面之上；
Ga2O3薄膜层，位于所述Ga2O3缓冲层表面之上。
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