基于MgO襯底的多層氧化鎵薄膜及其生長方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于微電子技術領域，涉及半導體材料的生長方法，具體來說是一種Ga203薄膜制作方法，可用于制作半導體功率器件。
【背景技術】
[0002]近年來以SiC和GaN為代表的第三代半導體以其禁帶寬度大、擊穿電場高、熱導率高、飽和電子速度大和異質結界面二維電子氣濃度高等特性，使其受到廣泛關注。盡管第三代半導體材料與器件取得了重大的進展，并且已經進入了實用化階段，但是由于SiC和GaN材料存在許多缺陷使得其在大范圍內應用仍然受到很大的限制。為此，在SiC和GaN材料生長、器件制造和推廣應用的基礎上，人們也在不斷尋找本身具有同質襯底、材料性能優良、價格便宜的半導體材料能夠彌補上述兩種材料的不足，同時禁帶寬度較寬、擊穿場強較大適于制造功率器件。
[0003]Ga203半導體材料尤其引起人們的興趣，Ga203半導體材料禁帶寬度大，擊穿場強高、導通電阻小，能夠進行同質外延、是功率器件研制的最佳材料選擇。Ga203屬于單斜晶體，禁帶寬度約為4.8eV-4.9eVo目前已經通過浮區法和導模法獲得了 2英寸和4英寸的Ga203單晶襯底，通過在Ga203單晶襯底上同質外延生長Ga203薄膜的方法能夠獲得缺陷位錯少、晶格結構相對完整、載流子濃度在117CnT3?10 19CnT3連續變化的高質量薄膜，具有優良的光學性能以及穩定的理化性質，可以用來制作高性能的功率電子器件、紫外傳感器、日盲探測器等，具有廣泛的應用前景。
[0004]為了能夠更好的利用材料的優勢，人們對Ga203薄膜的生長進行了大量的研宄。所采用的生長方法主要有:脈沖激光沉積法PLD、溶膠-凝膠法、化學氣相沉積法CVD、金屬有機物化學氣相淀積MOCVD和磁控濺射法等。
[0005]脈沖激光沉積PLD是近年來發展起來的使用范圍最廣，最有希望的制膜技術。簡單來說，脈沖激光沉積PLD就是脈沖激光光束聚焦在固體靶面上，激光超強的功率使得靶物質快速等離子化，然后濺鍍到目標物上。它具有以下優點:1.由于激光光子能量很高，可濺射制備很多困難的鍍層:如高溫超導薄膜，陶瓷氧化物薄膜，多層金屬薄膜等；PLD可以用來合成納米管，納米粉末等。2.PLD可以通過控制激光能量和脈沖數，精密的控制膜厚。3.易獲得期望化學計量比的多組分薄膜。4.沉積速率高，試驗周期短，襯底溫度要求低。5.工藝參數任意調節。6.便于清潔處理，可以制備多種薄膜材料。
[0006]但是，目前采用PLD沉積Ga203薄膜均采用單一生長法，即在生長過程中采用完全相同的工藝參數，包括氧氣壓力、激光能量、襯底溫度等進行生長，使得采用PLD技術在MgO襯底上進行異質外延得到的Ga203薄膜表面形貌差、晶粒尺寸小。
【發明內容】
[0007]本發明的目的在于針對上述已有脈沖激光沉積法PLD的不足，提出一種基于MgO襯底的多層氧化鎵薄膜及其生長方法，降低薄膜表面粗糙度，改善Ga203薄膜表面形貌，增大Ga203晶粒尺寸，獲得高質量的Ga203寬禁帶半導體材料。
[0008]為實現上述目的，本發明的基于MgO襯底的多層氧化鎵薄膜，包括襯底和氧化鎵外延層，其特征在于:氧化鎵外延層設為多層，且自下而上每層氧化鎵外延層的下面設有5?1nm厚的氧化鎵緩沖層，以在襯底上形成緩沖層與外延層交替分布的復合結構。
[0009]為實現上述目的，本發明基于MgO襯底的多層氧化鎵薄膜的制作方法，包括如下步驟:
[0010](I)對MgO襯底進行清洗，并用氮氣吹干；
[0011](2)利用PLD設備在MgO襯底上生長厚度為5?1nm的第一氧化鎵緩沖層；
[0012](3)在第一氧化鎵緩沖層上外延生長厚度為10-15nm的第一氧化鎵外延層，形成第一個復合層；
[0013](4)在第一氧化鎵外延層上生長厚度為5?1nm的第二氧化鎵緩沖層；
[0014](5)在第二氧化鎵緩沖層上外延生長厚度為15-20nm的第二氧化鎵外延層，形成第二個復合層；
[0015](6)依次類推，進行氧化鎵緩沖層與氧化鎵外延層的多次交替生長，形成多個復合層，完成在MgO襯底上的多層氧化鎵薄膜的制作。
[0016]本發明由于設有多層Ga203緩沖層，提高了 Ga203薄膜最初生長時反應物原子在襯底上的覆蓋率，增加了籽晶形核密度；通過調整外延生長的工藝參數進行Ga203外延層的生長，不僅增加了 Ga203晶粒尺寸，降低薄膜表面粗糙度，而且改善了整個Ga203薄膜的表面形貌。
【附圖說明】
[0017]圖1是本發明實施例1的剖面結構示意圖；
[0018]圖2是本發明實施例1的制作流程示意圖；
[0019]圖3是本發明實施例2的剖面結構示意圖；
[0020]圖4是本發明實施例2的制作流程示意圖；
[0021]圖5是本發明實施例3的剖面結構示意圖；
[0022]圖6是本發明實施例3的制作流程示意圖。
【具體實施方式】
[0023]實施例1，在MgO襯底上制作含有三個復合層的多層氧化鎵薄膜。
[0024]參照圖1，本實施例的多層氧化鎵薄膜自下而上包括MgO襯底1、第一氧化鎵緩沖層2、第一氧化鎵外延層3、第二氧化鎵緩沖層4、第二氧化鎵外延層5、第三氧化鎵緩沖層6和第三氧化鎵外延層7。其中襯底I為(100)取向的MgO基片，第三氧化鎵外延層7采用厚度為10nm的Ga203材料，第一氧化鎵緩沖層2、第二氧化鎵緩沖層4和第三氧化鎵緩沖層6采用厚度為5nm的Ga203材料，第一氧化鎵外延層3采用厚度為15nm的Ga203材料，第二氧化鎵外延層5采用厚度為20nm的Ga203材料。
[0025]所述第一氧化鎵緩沖層2與所述第一氧化鎵外延層3形成第一個復合層；
[0026]所述第二氧化鎵緩沖層4與所述第二氧化鎵外延層5形成第二個復合層；
[0027]所述第三氧化鎵緩沖層6與所述第三氧化鎵外延層7形成第三個復合層。
[0028]參照圖2，制作MgO襯底含有三個復合層的多層氧化鎵薄膜的步驟如下:
[0029]步驟I，清洗MgO襯底。
[0030](Ia)分別用丙酮和無水乙醇清洗MgO襯底5min ；
[0031](Ib)將MgO襯底置于160°C的硫酸和磷酸的混合液中浸泡15min，硫酸和磷酸的比例為3:1 ；
[0032](Ic)用去離子水漂洗浸泡后的MgO襯底，并用干燥的氮氣吹干。
[0033]步驟2，生長厚度為5nm的第一氧化鎵緩沖層。
[0034](2a)將清洗后的MgO襯底放入脈沖激光沉積PLD腔室中，將脈沖激光沉積PLD腔室的真空度抽到10_6mbar，襯底和氧化鎵靶材之間的距離調整為50mm，靶材的轉速保持30rpm ；
[0035](2b)將MgO襯底加熱到550 °C，調整脈沖激光沉積PLD腔室中氧分壓為0.008mbar,設置激光能量為430mJ，激光頻率為2Hz，脈沖次數為800在襯底上生長第一Ga203緩沖層。
[0036]步驟3，生長厚度為15nm的第一氧化鎵外延層。
[0037]設置脈沖激光沉積PLD外延生長的工藝參數:襯底溫度650°C，氧分壓0.045mbar，激光能量320mJ，激光頻率3Hz，激光的脈沖次數2500次，在第一氧化鎵緩沖層上外延生長第一氧化鎵外延層，形成第一個復合層。
[0038]步驟4，生長厚度為5nm的第二氧化鎵緩沖層。
[0039]設置脈沖激光沉積PLD生長的工藝參數:襯底溫度550°C，氧分壓0.008mbar，激光能量430mJ，激光頻率3Hz，激光的脈沖次數800次，在第一外延層上生長第二氧化鎵緩沖層O
[0040]步驟5，生長厚度為20nm的第二氧化鎵外延層。
[0041]設置脈沖激光沉積PLD外延生長的工藝參數:襯底溫度650°C，氧分壓0.045mbar，激光能量320mJ，激光頻率3Hz，激光的脈沖次數3500次，在第二氧化鎵緩沖層上外延生長第二氧化鎵外延層，形成第二個復合層。
[0042]步驟6，生長厚度為5nm的第三氧化鎵緩沖層。
[0043]設置脈沖激光沉積PLD生長的工藝參數:襯底溫度550°C，氧分壓0.008mbar，激光能量430mJ，激光頻率2Hz，激光的脈沖次數800次，在第二外延層上生長第三氧化鎵緩沖層O
[0044]步驟7，生長厚度為10nm的第三氧化鎵外延層。
[0045](7a)設置脈沖激光沉積PLD外延生長的工藝參數:襯底溫度650 °C，氧分壓0.045mbar，激光能量320mJ，激光頻率3Hz，激光的脈沖次數為10000，在第三氧化鎵緩沖層上外延生長第三氧化鎵外延層，形成第三個復合層；
[0046](7b)在第三氧化鎵外延層外延生長結束之后向腔室中充入200mbar的氧氣，然后讓氧化鎵外延層薄膜自然冷卻，完成含有三個復合層的多層氧化鎵薄膜制作。
[0047]實施例2，在MgO襯底上制作含有兩個復合層的多層氧化鎵薄膜。
[0048]參照圖3，本實施例的多層氧化鎵薄膜自下而上包括MgO襯底1、第一氧化鎵緩沖層2、第一氧化鎵外延層3、第二氧化鎵緩沖層4和第二氧化鎵外延層5。其中襯底I為(100)取向的MgO基片，第一氧化鎵緩沖層2和第二氧化鎵緩沖層4采用厚度為8nm的Ga203材料，該第一氧化鎵緩沖層2與第一氧化鎵外延層3形成第一個復合層；所述的；第一氧化鎵外延層3采用厚度為12nm的Ga203材料，第二氧化鎵外延層5采用厚度為120nm的Ga203材料，該第二氧化鎵緩沖層4與第二氧化鎵外延層5形成第二個復合層。
[0049]參照圖4，制作含有兩個復合層的多層氧化鎵薄膜的步驟如下:
[0050]步驟一，清洗MgO襯底。
[0051 ] 本步驟與實施例1的步驟I相同。
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