[发明专利]利用卤化物气相外延法在Si衬底上生长Ga2

说明书

本发明公开了一种利用卤化物气相外延法在Si衬底上生长Ga₂O₃薄膜的方法，金属Ga源置于反应器的温区I，Si衬底置于反应器的温区II，氮气氛围下温区I温度升至850‑950℃，温区II温度升至300‑1100℃；待温度稳定后，同时通入HCl和O₂，开始生长Ga₂O₃薄膜层；生长结束后降温，取出样品。本发明方法可以在Si衬底上生长出优质的Ga₂O₃薄膜，控制温区II温度，即可得到不同晶型的Ga₂O₃。目前大多数的半导体器件都是基于Si衬底，易于实现Si上氧化镓的电子器件与现有器件的集成。

技术领域

本发明涉及一种利用卤化物气相外延法在Si衬底上生长Ga₂O₃薄膜的方法。

背景技术

氧化镓单晶是直接带隙氧化物半导体，其禁带宽度为4.8～4.9eV，相当于硅的4倍以上，甚至比碳化硅(3.3eV)、氮化镓(3.4eV)还要高，被称为第四代超宽禁带半导体。氧化镓单晶具有多种晶型，其中以β-Ga₂O₃最为稳定。氧化镓具有独特的紫外透过特性(吸收边可以到250nm)；击穿电场强度高达8MV/cm，是第一代半导体硅(Si)的近27倍、第三代半导体碳化硅(SiC)及氮化镓(GaN) 的2倍以上；左右功率半导体性能的低损耗性的指标巴利加优值(Baliga优值指数)约是碳化硅的10倍、氮化镓的4倍，此优值与击穿电场的三次方成正比；在相同的击穿电压下，Ga₂O₃基器件的导通电阻比SiC与GaN基器件要低1个数量级。综合物理特性、异质外延、能带剪裁和器件结构设计等方面的优势，与作为新一代功率半导体材料推进开发的SiC(碳化硅)及GaN(氮化镓)相比，β-Ga₂O₃已成为超高压低损耗的功率器件和深紫外光电子器件的优选材料之一，适用于制造高电流密度的大功率垂直结构功率器件。

β-Ga₂O₃单晶衬底可使用提拉法(Cz℃hralski，CZ)、浮区法(floating zone， FZ)及导膜法(edge-defined film-fed growth，EFG)法等熔体生长法。熔体生长法容易制备结晶缺陷少、直径大的单结晶，成本相对较低。但是单晶熔体法生长高质量β-Ga₂O₃，对于热场温度分布、氧化气氛、气压等要求很高，必须对生长过程进行有效精确调控。同时，由于高温下Ga₂O₃容易分解，生成GaO、Ga₂O、 Ga等产物，挥发严重且腐蚀贵金属坩埚，并且其易于产生多晶生长、挛晶、镶嵌结构、螺位错、开裂等问题，因此生长大尺寸、高质量β-Ga₂O₃单晶极为困难。另外，熔体法生长的氧化镓单晶，需要进行晶体定向、切割和抛光等工艺才能用于器件的外延等，而氧化镓的切割和抛光非常容易造成晶片碎裂。

在熔体法生长氧化镓单晶面临大尺寸和易开裂等困难的情况下，采用其他的厚膜生长技术制备氧化镓准单晶材料就具有了非常重要的意义。氢化物气相外延法是用来制备第三代半导体氮化镓(GaN)衬底的成熟技术，已经成功用于大尺寸高质量GaN衬底的生长，生长速率高(可达数百微米/小时以上)。HVPE技术的主要优点包括设备相对简单，使用维护便利，生长的材料质量高，生长速率快，易于获得厚膜，无需生长缓冲层等。除此以外，HVPE法生长还可以用于氧化镓的原位掺杂调控和功率电子器件结构的外延等。

本发明提出了一种利用卤化物气相外延法在各种尺寸的Si衬底上生长氧化镓薄膜的方法和技术，尤其是直接外延氧化镓薄膜和采用缓冲层技术的方法。采用Si衬底上生长氧化镓薄膜具有以下优点：目前大多数的半导体器件都是基于 Si衬底，易于实现Si上氧化镓的电子器件与现有器件的集成。

发明内容