[发明专利]一种生长高质量异质外延单斜氧化镓晶体的方法

说明书

本发明涉及利用化学气相沉积领的低压化学气相沉积(LPCVD)法生长高质量异质外延β‑Ga₂O₃晶体的方法，其中所述方法包括以下工艺步骤：制备具有沿不同方向倾斜切割的六边形表面的基底，使得倾斜角在2°至10°的范围内，通过氩气将在第二区（2）中加热的镓获得的蒸气物理地输送到泵（4）/样品，用单独的陶瓷或难熔金属管将氧气驱动到系统中，并在基底上方将其直接垂直地转移到样品上，在所述表面上形成β‑Ga₂O₃核心层，使得生长表面上的Ga∶O表面原子的比例在10∶1至1∶10的范围内，以确保Ga和O的表面原子在加热的基板上形成β‑Ga₂O₃晶体，以5nm‑2000nm的厚度和10nm/h‑500nm/h的生长速率生长β‑Ga₂O₃的核心区域，保持在先前步骤中产生的核心层上的生长过程，使得β‑Ga₂O₃生长速率在100nm/h至10µm/h之间的范围内。

技术领域

本发明涉及在高压和电力电子领域和/或在国防工业和国防工业中的导弹跟踪系统中以及在能量转换中用于日盲型光电探测器的半导体材料，具体涉及一种生长β-Ga₂O₃晶体的方法。

更具体地说，本发明涉及一种在化学气相沉积领域中通过具体使用低压化学气相沉积(LPCVD)法来生长高质量异质外延β-Ga₂O₃晶体的方法。

背景技术

已知单斜氧化镓(β-Ga₂O₃)晶体具有低热导率(10-30W/m.K.)。因此，厚度为0.5-1mm的层在热传导方面造成很大问题。另一方面，电子器件中所需的器件层厚度约为10-20微米。因此，为了克服现有技术中的这一问题，至关重要的是能够在具有高热导率的基板上异质外延生长10-20微米的β-Ga₂O₃层而不损害晶体的质量。

考虑到现有技术水平，在各种研究机构中β-Ga₂O₃仍处于研究和开发阶段，其作为材料的潜力仍有待于通过实验来揭示。事实上，没有商业化的设备生产。目前，对氧化镓(β-Ga₂O₃)的兴趣正在增加，因为它最近已经以高质量的晶锭形式获得。事实上，基于约4.8eV的宽带宽所提供的优势，预期其具有比其竞品更高的击穿电压。其行业竞品及其基本材料参数见表1。

所有高质量的基于β-Ga₂O₃的电子器件都是通过在同质外延的，即可叠加的基板上的生长工艺生产的。在现有技术中，β-Ga₂O₃薄膜的主要生长技术集中在通过利用特别是氢化物气相外延(HVPE)、分子束外延(MBE)和金属有机气相外延(MOVPE)在商业上可获得的Ga₂O₃基板上的同质外延。

尽管已经在不同的基板上进行了几项研究，但这些研究与目标晶体质量相去甚远。换句话说，β-Ga₂O₃层是通过薄膜技术在从晶锭切割的β-Ga₂O₃基板上生长的。这意味着热导率为10-30W/mK的β-Ga₂O₃层不能直接用于高功率应用。β-Ga₂O₃的热导率值比GaN和SiC竞品低10-20倍，并且它应该至少具有与其竞品相同的热导率水平才能够与其同行竞争。为此，这些研究规定通过称为基板减薄的高成本且有风险的工艺或通过激光切割基板并随后将其粘附到具有高导热性的载体上，将基板分解到器件区。然而，这增加了成本，因此是不希望的方法。

因此，可以看出现有技术中可用的解决方案不足以解决现有问题。