CN117976521B - 一种亚稳相氧化镓膜异质外延生长方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于半导体技术领域，具体涉及一种亚稳相氧化镓膜异质外延生长方法及装置。本发明将镓源溶液雾化为镓源雾滴；采用载气将所述镓源雾滴输送至衬底表面，在衬底表面外延生长得到所述亚稳相氧化镓膜；所述镓源雾滴输送至所述衬底表面的运动方向与衬底表面形成的夹角为5~85°；所述雾化时镓源雾滴由喷雾莲蓬头喷出，所述喷雾莲蓬头的喷雾表面与衬底表面平行，所述喷雾莲蓬头的喷雾表面与衬底表面的距离为0.5~10 mm。本发明提高了衬底表面附近的雾滴密度；且有效提高氧化镓薄膜的生长速度、结晶质量以及表面平整度，以克服现有Mist‑CVD技术生长氧化镓膜生长速度慢、结晶质量差、表面粗糙度高的不足。
Description
技术领域
本发明属于半导体技术领域，具体涉及一种亚稳相氧化镓膜异质外延生长方法及装置。
背景技术
氧化镓比碳化硅和氮化镓具有更大的禁带宽度（4.5~5.6 eV）、更高的击穿场强（8MV/cm）、更大的巴利加优值（3400），这些优异的特性使得氧化镓在功率器件和深紫外光电器件领域具有极好的应用前景。氧化镓具有α、β、γ、δ和ε五种不同的晶体结构，其中亚稳相的α-Ga2O3具有最大的禁带宽度和最高的击穿场强，可以实现更高的耐压和更低的导通损耗，在超高压应用场景中更具优势。而且，亚稳相的α-Ga2O3与α-Al2O3、α-In2O3、α-Ir2O3等具有相同的刚玉结构，可以通过形成合金的方式调控禁带宽度，这使得α-Ga2O3在紫外光电器件应用方面具有很大的优势。而亚稳相的ε-Ga2O3具有铁电极化特性，可实现界面二维电子气，在高频高功率器件、射频声表面波器件等方面具有应用潜力。
目前，亚稳相的α-Ga2O3膜和亚稳相的ε-Ga2O3膜的制备方法主要有雾-化学气相沉积（Mist-CVD）、卤化物气相外延（HVPE）、金属有机物化学气相沉积（MOCVD）、分子束外延（MBE）以及脉冲激光沉积（PLD）等。Mist-CVD方法是通过超声雾化或静电雾化等方法将镓源溶液雾化为镓源雾滴，然后利用载气将镓源雾滴输送到放置于反应室内的衬底上，通过高温下的反应在衬底上生长出氧化镓膜。Mist-CVD方法不需要真空环境，因此相应的外延设备无需昂贵、复杂的真空***，在产业应用中具有工艺简单和低成本等优势。但是，与常规化学气相沉积方法不同，Mist-CVD方法制备氧化镓膜受雾滴大小、雾滴密度、雾滴在衬底上的运动等多种因素的影响，由于目前还不能对上述因素进行精确控制，因此存在外延生长速率低、外延膜结晶质量差以及外延膜表面粗糙度高等缺点，制约了其应用推广。
发明内容
本发明的目的在于提供一种亚稳相氧化镓膜异质外延生长方法及装置，本发明提供的方法可以大幅提高亚稳相氧化镓膜的生长速率，同时，制备得到的亚稳相氧化镓膜能保持外延膜的高结晶质量和低表面粗糙度，以克服现有Mist-CVD技术生长氧化镓膜生长速度慢、结晶质量差、表面粗糙度高的不足。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
本发明提供了一种亚稳相氧化镓膜异质外延生长方法，包括以下步骤：将镓源溶液雾化为镓源雾滴；采用载气将所述镓源雾滴输送至衬底表面，在衬底表面外延生长得到所述亚稳相氧化镓膜；所述镓源雾滴输送至所述衬底表面的运动方向与衬底表面形成的夹角为5~85°；所述雾化时镓源雾滴由喷雾莲蓬头喷出，所述喷雾莲蓬头的喷雾表面与衬底表面平行，所述喷雾莲蓬头的喷雾表面与衬底表面的距离为0.5~10 mm。
优选的，所述雾化的方法包括超声雾化或静电雾化。
优选的，所述超声雾化的频率为2.4~3兆赫兹；所述镓源雾滴的直径为0.8~2 μm。
优选的，所述衬底为蓝宝石衬底；所述蓝宝石衬底包括c面蓝宝石衬底、a面蓝宝石衬底、r面蓝宝石衬底、m面蓝宝石衬底或图形化蓝宝石衬底。
优选的，所述载气包括氮气、氩气、氧气或空气。
优选的，所述亚稳相氧化镓膜为α-Ga2O3膜或ε-Ga2O3膜；
外延生长所述α-Ga2O3膜时，衬底的温度为430~500 ℃；
外延生长所述ε-Ga2O3膜时，衬底的温度为550~700 ℃。
优选的，外延生长所述亚稳相氧化镓膜时，所述衬底沿中心轴自转，转速为2~20转/min。
优选的，所述载气的流量为400~600 sccm。
本发明提供了上述技术方案所述的亚稳相氧化镓膜异质外延生长方法使用的装置，包括雾化模块、反应室、加热模块、喷雾莲蓬头、旋转衬底基座，所述旋转衬底基座用于放置衬底，所述喷雾莲蓬头设置有喷雾表面，所述喷雾表面与放置于旋转衬底基座上的衬底的表面平行，所述喷雾表面与衬底的表面的距离为0.5~10 mm；
所述喷雾莲蓬头设置有倾斜的出气孔，所述出气孔的出气方向与放置于旋转衬底基座上的衬底的表面形成的夹角为5~85°。
本发明提供了一种亚稳相氧化镓膜异质外延生长方法，包括以下步骤：将镓源溶液雾化为镓源雾滴；采用载气将所述镓源雾滴输送至衬底表面，在衬底表面外延生长得到所述亚稳相氧化镓膜；所述镓源雾滴输送至所述衬底表面的运动方向与衬底表面形成的夹角为5~85°；所述雾化时镓源雾滴由喷雾莲蓬头喷出，所述喷雾莲蓬头的喷雾表面与衬底表面平行，所述喷雾莲蓬头的喷雾表面与衬底表面的距离为0.5~10 mm。本发明提供的方法通过控制所述喷雾莲蓬头的喷雾表面与衬底表面平行，所述喷雾莲蓬头的喷雾表面与衬底表面的距离为0.5~10 mm，从而提高衬底表面附近的雾滴密度；同时本发明通过控制所述镓源雾滴输送至所述衬底表面的运动方向与衬底表面形成的夹角为5~85°，从而有效提高氧化镓薄膜的生长速度、结晶质量以及表面平整度，以克服现有Mist-CVD技术生长氧化镓膜生长速度慢、结晶质量差、表面粗糙度高的不足。由实施例的结果可知：现有Mist-CVD技术生长亚稳相氧化镓膜的生长速率约为100 nm/h~300 nm/h，本发明的有益效果是可以大幅提高亚稳相氧化镓膜的生长速率至2 μm/h~200 μm/h，同时，保持外延膜的高结晶质量（α-Ga2O3膜（0006）面的XRD摇摆曲线半峰宽≤50 arcsec；ε-Ga2O3膜（002）面的XRD摇摆曲线半峰宽≤200 arcsec）和低表面粗糙度（均方根粗糙度RMS≤0.3 nm）。
附图说明
图1为本发明所使用的Mist-CVD装置结构示意图；
图2为本发明所使用的Mist-CVD装置中喷雾莲蓬头、衬底及旋转衬底基座位置以及结构细节示意图；
图3为实施例1所得α-Ga2O3膜的截面SEM图；
图4为对比例3所得氧化镓膜的XRD图；
图1和图2中：1为气路，2为雾化模块，3为反应室，4为加热模块，5为喷雾莲蓬头，501为喷雾莲蓬头的喷雾表面，502为倾斜的出气孔，6为旋转衬底基座，601为旋转衬底基座的旋转轴，7为衬底，701为衬底表面，d为喷雾莲蓬头的喷雾表面与衬底表面间的距离，A为倾斜的出气孔的出气方向与衬底表面的所成的夹角。
具体实施方式
本发明提供了一种亚稳相氧化镓膜异质外延生长方法，包括以下步骤：将镓源溶液雾化为镓源雾滴；采用载气将所述镓源雾滴输送至衬底表面，在衬底表面外延生长得到所述亚稳相氧化镓膜；所述镓源雾滴输送至所述衬底表面的运动方向与衬底表面形成的夹角为5~85°；所述雾化时镓源雾滴由喷雾莲蓬头喷出，所述喷雾莲蓬头的喷雾表面与衬底表面平行，所述喷雾莲蓬头的喷雾表面与衬底表面的距离为0.5~10 mm。
在本发明中，若无特殊说明，所有制备原料/组分均为本领域技术人员熟知的市售产品。
在本发明中，所述雾化的方法优选包括超声雾化或静电雾化。所述超声雾化的频率优选为2.4~3兆赫兹，更优选为3兆赫兹；所述镓源雾滴的直径优选为0.8~2 μm，更优选为1~1.5 μm，最优选为1μm。所述载气优选包括氮气、氩气、氧气或空气。所述空气优选为清洁空气。所述载气的流量优选为400~600 sccm。所述镓源雾滴输送至所述衬底表面的运动方向与衬底表面形成的夹角为5~85°，优选为10~70°，进一步优选为20~60°，具体优选为45°或30°。
在本发明中，所述衬底优选为蓝宝石衬底。所述蓝宝石衬底优选包括c面蓝宝石衬底、a面蓝宝石衬底、r面蓝宝石衬底、m面蓝宝石衬底或图形化蓝宝石衬底。外延生长所述亚稳相氧化镓膜时，所述衬底沿中心轴自转，转速优选为2~20转/min，更优选为5转/min。
在本发明中，所述雾化时镓源雾滴由喷雾莲蓬头喷出，所述喷雾莲蓬头的喷雾表面与衬底表面平行，所述喷雾莲蓬头的喷雾表面与衬底表面的距离为0.5~10 mm，优选为1~9 mm，具体优选为2 mm或8 mm。
在本发明的具体实施例中，所述亚稳相氧化镓膜的外延生长时间优选为30 min。所述亚稳相氧化镓膜的生长厚度优选为1~6μm，具体优选为1.1μm或5.6μm。所述亚稳相氧化镓膜的生长速率优选为2.2~11.2μm/h。
在本发明中，所述亚稳相氧化镓膜为α-Ga2O3膜或ε-Ga2O3膜。外延生长所述α-Ga2O3膜时，衬底的温度优选为430~500 ℃，更优选为450~470 ℃。外延生长所述ε-Ga2O3膜时，衬底的温度优选为550~700 ℃，更优选为600~650 ℃。
本发明提供了上述技术方案所述的亚稳相氧化镓膜异质外延生长方法使用的装置，包括雾化模块2、反应室3、加热模块4、喷雾莲蓬头5、旋转衬底基座6，所述旋转衬底基座6用于放置衬底7，所述喷雾莲蓬头5设置有喷雾表面501，所述喷雾表面501与放置于旋转衬底基座6上的衬底7的表面平行，所述喷雾表面501与衬底7的表面的距离为0.5~10 mm；
所述喷雾莲蓬头5设置有倾斜的出气孔502，所述出气孔502的出气方向与放置于旋转衬底基座6上的衬底7的表面形成的夹角为5~85°。
图1为本发明所使用的Mist-CVD装置结构示意图；图2为本发明所使用的Mist-CVD装置中喷雾莲蓬头5、衬底7及旋转衬底基座6位置以及结构细节示意图。下面结合图1和图2对本发明使用的装置进行详细说明。
本发明提供的亚稳相氧化镓膜异质外延生长方法使用的装置包括雾化模块2。所述雾化模块2包括雾化室以及与所述雾化室连通的气路1。
本发明提供的亚稳相氧化镓膜异质外延生长方法使用的装置包括反应室3。所述反应室中设置有喷雾莲蓬头5和旋转衬底基座6。
本发明提供的亚稳相氧化镓膜异质外延生长方法使用的装置包括加热模块4。所述加热模块4设置在所述反应室3的外壁上，用于对所述反应室3进行加热。
本发明提供的亚稳相氧化镓膜异质外延生长方法使用的装置包括喷雾莲蓬头5。所述喷雾莲蓬头5与所述雾化模块2的雾化室连通。在本发明中，所述喷雾莲蓬头5设置有喷雾表面501，所述喷雾表面501与放置于旋转衬底基座6上的衬底7的表面平行，所述喷雾表面501与衬底7的表面的距离为0.5~10 mm。所述喷雾莲蓬头5设置有倾斜的出气孔502，所述出气孔502的出气方向与放置于旋转衬底基座6上的衬底7的表面形成的夹角为5~85°
在本发明中，所述衬底7的表面为与所述喷雾表面501相对，用于生长亚稳相氧化镓膜的表面。
在本发明中，所述喷雾莲蓬头的喷雾表面501即为出气孔502的出气孔表面。
本发明提供的亚稳相氧化镓膜异质外延生长方法使用的装置包括旋转衬底基座6。所述旋转衬底基座6设置在所述反应室3中。所述旋转衬底基座6可旋转。所述旋转衬底基座6用于放置衬底7。
本发明采用上述装置进行所述亚稳相氧化镓膜异质外延生长方法时，具体包括以下步骤：
将衬底7固定在旋转衬底基座6上，然后随旋转衬底基座6放置在反应室3内。
在反应室3内固定并调整喷雾莲蓬头5，喷雾莲蓬头5的出气孔的出气方向与衬底7的表面的夹角为5~85°，喷雾莲蓬头5的喷雾表面与衬底7的表面平行，两表面间的距离为0.5~10 mm。
开启加热模块4，反应室3加热，设定衬底7温度。
衬底7升温至设定温度后，开启雾化模块2，将镓源溶液雾化，得到镓源雾滴。
旋转衬底基座6开启旋转。
通入载气，将镓源雾滴送至衬底7的表面。
生长氧化镓薄膜。
氧化镓薄膜生长结束，关闭雾化模块2与加热模块4，保持载气开启，排空反应室3内残留反应物及副产物并缓慢降温至室温，得到异质外延生长的亚稳相氧化镓膜。
在本发明的具体实施例中，所述亚稳相氧化镓膜异质外延生长方法具体包括以下步骤：
将衬底7固定在旋转衬底基座6上，然后随旋转衬底基座6放置在反应室3内。
在反应室3内固定并调整喷雾莲蓬头5，喷雾莲蓬头5的出气孔的出气方向与衬底7的表面的夹角为5~85°，喷雾莲蓬头5的喷雾表面与衬底7的表面平行，两表面间的距离为0.5~10 mm。
开启加热模块4，反应室3加热，衬底7温度设定为：生长α-Ga2O3膜时，衬底7温度范围为430~500℃，生长ε-Ga2O3膜时，衬底7温度范围为550~700℃。
衬底7升温至设定温度后，开启雾化模块2，使用超声雾化法或静电雾化法将镓源溶液雾化，超声雾化频率为2.4~3兆赫兹，得到镓源雾滴。
旋转衬底基座6开启旋转，转速为2~20转/min。
通入载气，载气使用氮气，流量为400~600sccm，将镓源雾滴送至衬底7的表面。
生长氧化镓薄膜。
氧化镓薄膜生长结束，关闭雾化模块2与加热模块4，保持载气开启，排空反应室3内残留反应物及副产物并缓慢降温至室温，得到异质外延生长的亚稳相氧化镓膜。
为了进一步说明本发明，下面结合实施例对本发明提供的技术方案进行详细地描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。
以下实施例中亚稳相氧化镓膜异质外延生长方法所使用的Mist-CVD装置的结构示意图如图1所示，所述Mist-CVD装置包括：气路1、雾化模块2、反应室3、加热模块4、喷雾莲蓬头5、旋转衬底基座6；如图2所示：喷雾莲蓬头5的喷雾表面501与衬底7的表面701平行，两表面间的距离为d，0.5 mm≤d≤10 mm；如图2所示：喷雾莲蓬头5具有多个倾斜的出气孔502，用以控制雾滴运动的方向，出气孔502的出气方向与衬底表面成一夹角A，A可以是5°-85°范围内的任意角度；如图2所示：旋转衬底基座6可绕其中心对称轴601旋转。
实施例1：蓝宝石衬底上外延生长α-Ga2O3膜
1.将清洗干净的双面抛光c面蓝宝石衬底固定在衬底基座上，然后随衬底基座放置在反应室内。
2.固定并调整喷雾莲蓬头，喷雾莲蓬头的出气孔的出气方向与衬底表面的夹角A=45°，喷雾莲蓬头的喷雾表面与衬底表面平行，两表面间的距离为d=2mm。
3.开启加热模块，反应室加热，衬底温度设定为470℃。
4.衬底升温至470℃后，开启雾化模块，使用超声雾化法将镓源溶液雾化，超声雾化频率为3兆赫兹。
5.衬底基座开启旋转，转速为5转/min。
6.通入载气，载气使用氮气，流量为400sccm。
7.生长氧化镓薄膜，生长时间为30min。
8.氧化镓薄膜生长结束，关闭雾化模块与加热模块，保持载气开启，排空反应腔内残留反应物及副产物并缓慢降温至室温，得到异质外延生长的α-Ga2O3膜。
图3为实施例1所得α-Ga2O3膜的截面SEM图。测量所述α-Ga2O3膜得：（1）α-Ga2O3膜厚度为5.6μm，生长速率为11.2μm/h；（2）α-Ga2O3膜（0006）面的XRD摇摆曲线半峰宽为43.2arcsec；（3）均方根粗糙度RMS=0.279nm。
实施例2：蓝宝石衬底上外延生长ε-Ga2O3薄膜
1.将清洗干净的单面抛光c面蓝宝石衬底固定在衬底基座上，抛光面为外延生长面，然后随衬底基座放置在反应室内。
2.固定并调整喷雾莲蓬头，喷雾莲蓬头的出气孔的出气方向与衬底表面的夹角A=30°，喷雾莲蓬头的喷雾表面与衬底表面平行，两表面间的距离为d=8mm。
3.开启加热模块，反应室加热，衬底温度设定为600℃。
4.衬底升温至600℃后，开启雾化模块，使用静电雾化法将镓源溶液雾化。
5.衬底基座旋转，转速为5转/min。
6.通入载气，载气使用氮气，流量为600sccm。
7.生长氧化镓薄膜，生长时间为30min。
8.氧化镓薄膜生长结束，关闭雾化模块与加热模块，保持载气开启，排空反应腔内残留反应物及副产物并缓慢降温至室温，得到异质外延生长的ε-Ga2O3膜。
测量所述ε-Ga2O3膜得：（1）ε-Ga2O3膜厚度为1.1 μm，生长速率为2.2 μm/h；（2）ε-Ga2O3膜（002）面XRD摇摆曲线半峰宽为193 arcsec；（3）均方根粗糙度RMS=0.263 nm。
对比例1
雾滴垂直入射至蓝宝石衬底上外延生长α-Ga2O3膜
1.将清洗干净的双面抛光c面蓝宝石衬底固定在衬底基座上，然后随衬底基座放置在反应室内。
2.固定并调整喷雾莲蓬头，喷雾莲蓬头的出气孔的出气方向与衬底表面垂直，夹角A=90°，喷雾莲蓬头的喷雾表面与衬底表面平行，两表面间的距离为d=2mm。
3.开启加热模块，反应室加热，衬底温度设定为470℃。
4.衬底升温至470℃后，开启雾化模块，使用超声雾化法将镓源溶液雾化，超声雾化频率为3兆赫兹。
5.衬底基座开启旋转，转速为5转/min。
6.通入载气，载气使用氮气，流量为400sccm。
7.生长氧化镓薄膜，生长时间为30min。
8.氧化镓薄膜生长结束，关闭雾化模块与加热模块，保持载气开启，排空反应腔内残留反应物及副产物并缓慢降温至室温，得到异质外延生长的α-Ga2O3膜。
测量所述α-Ga2O3膜得：（1）α-Ga2O3膜厚度为5.5μm，生长速率为11μm/h；（2）α-Ga2O3膜（0006）面的XRD摇摆曲线半峰宽为219arcsec；（3）均方根粗糙度RMS=0.913nm。
对比例2
d=100mm时外延生长α-Ga2O3膜
1.将清洗干净的双面抛光c面蓝宝石衬底固定在衬底基座上，然后随衬底基座放置在反应室内。
2.固定并调整喷雾莲蓬头，喷雾莲蓬头的出气孔的出气方向与衬底表面的夹角A=45°，喷雾莲蓬头的喷雾表面与衬底表面平行，两表面间的距离为d=100mm。
3.开启加热模块，反应室加热，衬底温度设定为470℃。
4.衬底升温至470℃后，开启雾化模块，使用超声雾化法将镓源溶液雾化，超声雾化频率为3兆赫兹。
5.衬底基座开启旋转，转速为5转/min。
6.通入载气，载气使用氮气，流量为400sccm。
7.生长氧化镓薄膜，生长时间为30min。
8.氧化镓薄膜生长结束，关闭雾化模块与加热模块，保持载气开启，排空反应腔内残留反应物及副产物并缓慢降温至室温，得到异质外延生长的α-Ga2O3膜。
测量所述α-Ga2O3膜得：（1）α-Ga2O3膜厚度为53.3nm，生长速率为106.5nm/h；（2）α-Ga2O3膜（0006）面的XRD摇摆曲线半峰宽为102.5arcsec；（3）均方根粗糙度RMS=0.443nm。由于喷雾莲蓬头的喷雾表面与衬底表面间的距离较远，多数镓源雾滴在到达衬底前已经完全受热分解，仅有少数镓源雾滴到达衬底表面反应生成氧化镓膜，因此氧化镓膜的生长速率与实施例1相比大幅降低。
对比例3
外延生长α-Ga2O3膜失败案例
1.将清洗干净的双面抛光c面蓝宝石衬底固定在衬底基座上，然后随衬底基座放置在反应室内。
2.固定并调整喷雾莲蓬头，喷雾莲蓬头的出气孔的出气方向与衬底表面的夹角A=45°，喷雾莲蓬头的喷雾表面与衬底表面平行，两表面间的距离为d=2mm。
3.开启加热模块，反应室加热，衬底温度设定为520℃。
4.衬底升温至520℃后，开启雾化模块，使用超声雾化法将镓源溶液雾化，超声雾化频率为3兆赫兹。
5.衬底基座开启旋转，转速为5转/min。
6.通入载气，载气使用氮气，流量为400sccm。
7.生长氧化镓薄膜，生长时间为30min。
8.氧化镓薄膜生长结束，关闭雾化模块与加热模块，保持载气开启，排空反应腔内残留反应物及副产物并缓慢降温至室温，得到氧化镓膜。
图4为对比例3所得氧化镓膜的XRD图，衬底温度高于500℃时氧化镓逐渐从α相转变为ε相，直到衬底温度达到550℃时全部转为ε相，衬底温度为520℃时生长得到的氧化镓膜为α-Ga2O3和ε-Ga2O3混合相，未能获得外延结构氧化镓膜。
由以上实施例可知，本发明将镓源溶液雾化为镓源雾滴；采用载气将所述镓源雾滴输送至衬底表面，在衬底表面外延生长得到所述亚稳相氧化镓膜；所述镓源雾滴输送至所述衬底表面的运动方向与衬底表面形成的夹角为5~85°；所述雾化时镓源雾滴由喷雾莲蓬头喷出，所述喷雾莲蓬头的喷雾表面与衬底表面平行，所述喷雾莲蓬头的喷雾表面与衬底表面的距离为0.5~10 mm。本发明提高衬底表面附近的雾滴密度；且有效提高氧化镓薄膜的生长速度、结晶质量以及表面平整度，以克服现有Mist-CVD技术生长氧化镓膜生长速度慢、结晶质量差、表面粗糙度高的不足。
尽管上述实施例对本发明做出了详尽的描述，但它仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例，还可以根据本实施例在不经创造性前提下获得其他实施例，这些实施例都属于本发明保护范围。
Claims (9)
1.一种亚稳相氧化镓膜异质外延生长方法，其特征在于，包括以下步骤：将镓源溶液雾化为镓源雾滴；采用载气将所述镓源雾滴输送至衬底表面，在衬底表面外延生长得到所述亚稳相氧化镓膜；所述镓源雾滴输送至所述衬底表面的运动方向与衬底表面形成的夹角为5~85°；所述雾化时镓源雾滴由喷雾莲蓬头喷出，所述喷雾莲蓬头的喷雾表面与衬底表面平行，所述喷雾莲蓬头的喷雾表面与衬底表面的距离为0.5~10 mm。
2.根据权利要求1所述的亚稳相氧化镓膜异质外延生长方法，其特征在于，所述雾化的方法包括超声雾化或静电雾化。
3.根据权利要求2所述的亚稳相氧化镓膜异质外延生长方法，其特征在于，所述超声雾化的频率为2.4~3兆赫兹；所述镓源雾滴的直径为0.8~2 μm。
4.根据权利要求1所述的亚稳相氧化镓膜异质外延生长方法，其特征在于，所述衬底为蓝宝石衬底；所述蓝宝石衬底包括c面蓝宝石衬底、a面蓝宝石衬底、r面蓝宝石衬底、m面蓝宝石衬底或图形化蓝宝石衬底。
5.根据权利要求1所述的亚稳相氧化镓膜异质外延生长方法，其特征在于，所述载气包括氮气、氩气、氧气或空气。
6.根据权利要求1所述的亚稳相氧化镓膜异质外延生长方法，其特征在于，所述亚稳相氧化镓膜为α-Ga2O3膜或ε-Ga2O3膜；
外延生长所述α-Ga2O3膜时，衬底的温度为430~500 ℃；
外延生长所述ε-Ga2O3膜时，衬底的温度为550~700 ℃。
7.根据权利要求1所述的亚稳相氧化镓膜异质外延生长方法，其特征在于，外延生长所述亚稳相氧化镓膜时，所述衬底沿中心轴自转，转速为2~20转/min。
8.根据权利要求1或5所述的亚稳相氧化镓膜异质外延生长方法，其特征在于，所述载气的流量为400~600 sccm。
9.权利要求1~8任一项所述的亚稳相氧化镓膜异质外延生长方法使用的装置，包括雾化模块（2）、反应室（3）、加热模块（4）、喷雾莲蓬头（5）和旋转衬底基座（6），所述旋转衬底基座（6）用于放置衬底（7），其特征在于，所述喷雾莲蓬头（5）设置有喷雾表面（501），所述喷雾表面（501）与放置于旋转衬底基座（6）上的衬底（7）的表面平行，所述喷雾表面（501）与衬底（7）的表面的距离为0.5~10 mm；
所述喷雾莲蓬头（5）设置有倾斜的出气孔（502），所述出气孔（502）的出气方向与放置于旋转衬底基座（6）上的衬底（7）的表面形成的夹角为5~85°。
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|---|---|---|---|---|
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|---|---|---|---|---|
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-
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|---|---|---|---|---|
| JP2018070422A (ja) * | 2016-11-01 | 2018-05-10 | 国立大学法人 和歌山大学 | 酸化ガリウムの製造方法及び結晶成長装置 |
| WO2021064816A1 (ja) * | 2019-09-30 | 2021-04-08 | 日本碍子株式会社 | 下地基板及びその製造方法 |
| CN112111783A (zh) * | 2020-10-14 | 2020-12-22 | 天津工业大学 | 一种静电雾化化学气相淀积氧化镓薄膜*** |
| JP2024005923A (ja) * | 2022-06-30 | 2024-01-17 | ローランドディー．ジー．株式会社 | 液体噴霧装置 |
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