本發(fā)明涉及半導(dǎo)體材料制造工藝，尤其涉及一種基于低氧含量氧化鎵緩沖層的氧化鎵薄膜及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、氧化鎵是一種帶隙在4.5～4.9ev的寬帶隙半導(dǎo)體，因其具有較寬的帶隙，所以其在可見(jiàn)光波段具有80％以上的透過(guò)率，而其在深紫外波段，尤其是其吸收邊的250nm具有很強(qiáng)的光吸收特性。其還具有擊穿電場(chǎng)大，穩(wěn)定性高，介電常數(shù)小等優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)在5g通信，紫外探測(cè)，太陽(yáng)能電池，新能源汽車等領(lǐng)域中展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。

2、氧化鎵薄膜因其二維特性能較好的將其應(yīng)用在器件上，而氧化鎵薄膜的成膜質(zhì)量很大程度的影響了氧化鎵薄膜器件的性能。目前生長(zhǎng)氧化鎵薄膜的方法主要分為同質(zhì)外延生長(zhǎng)和異質(zhì)外延生長(zhǎng)，同質(zhì)外延生長(zhǎng)雖然不存在晶格失配等問(wèn)題，能得到質(zhì)量較高的薄膜，但是大尺寸的單晶氧化鎵制備較為困難且成本高昂，且氧化鎵因其本身的物理特性較難形成p型摻雜的半導(dǎo)體。綜上，都會(huì)影響同質(zhì)外延生長(zhǎng)的氧化鎵薄膜在實(shí)際中的應(yīng)用。而異質(zhì)外延生長(zhǎng)主要在硅，石英，藍(lán)寶石襯底上，相較于藍(lán)寶石，硅襯底具有優(yōu)秀的熱導(dǎo)率，且大尺寸的硅襯底工藝較為成熟，成本較低，且利于氧化鎵基器件與硅基器件的集成，而石英因?yàn)槠淇梢?jiàn)光和紫外高透明度，使其作為光電探測(cè)器的襯底具有優(yōu)勢(shì)。但是硅或者石英與氧化鎵存在較大的晶格失配和熱失配，在制備氧化鎵薄膜過(guò)程中容易產(chǎn)生界面間的層錯(cuò)。專利公開(kāi)號(hào)cn107785241b公開(kāi)了一種在硅襯底上制備β-氧化鎵薄膜的方法，在硅襯底上生長(zhǎng)β-氧化鎵納米柱陣列作為緩沖層。但是此方法操作步驟繁瑣，涉及多次化學(xué)反應(yīng)和高溫退火，對(duì)環(huán)境不友好，危險(xiǎn)性大。目前si襯底上制備的氧化鎵薄膜質(zhì)量較差，不僅不能形成結(jié)晶性較好的β-ga2o3，甚至有時(shí)會(huì)出現(xiàn)在高溫退火過(guò)程中薄膜開(kāi)裂的問(wèn)題。此外，現(xiàn)有技術(shù)中公開(kāi)了一種采用氮化鋁作為緩沖層制備氧化鎵薄膜的技術(shù)方案，但該方案也存在熱膨脹系數(shù)和晶格適配度低的問(wèn)題，易造成薄膜在退火過(guò)程中開(kāi)裂，且在退火過(guò)程中還會(huì)導(dǎo)致al、n元素?fù)饺胙趸壉∧?，影響其性質(zhì)。

3、綜上，本領(lǐng)域技術(shù)人員亟待開(kāi)發(fā)一種基于低氧含量氧化鎵緩沖層的氧化鎵薄膜及其制備方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)存在的成本高、效率底、方法復(fù)雜及襯底與薄膜存在晶格失配或熱失配的問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種基于低氧含量氧化鎵緩沖層的氧化鎵薄膜及其制備方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)存在的成本高、效率底、方法復(fù)雜及襯底與薄膜存在晶格失配或熱失配的問(wèn)題。

2、為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供以下技術(shù)方案：

3、本發(fā)明提供了一種基于低氧含量氧化鎵緩沖層的氧化鎵薄膜的制備方法，包括以下步驟：

4、1)在氬氣氣氛下，在襯底表面采用氧化鎵作為靶材進(jìn)行磁控濺射，得到帶有低氧含量氧化鎵緩沖層的襯底；

5、2)在氧氣及氬氣的混合氣氛下，在帶有低氧含量氧化鎵緩沖層的襯底的低氧含量氧化鎵緩沖層的表面采用氧化鎵作為靶材進(jìn)行磁控濺射，得到氧化鎵薄膜；

6、3)對(duì)步驟2)制備得到的氧化鎵薄膜進(jìn)行退火處理，得到基于低氧含量氧化鎵緩沖層的氧化鎵薄膜。

7、優(yōu)選的，步驟1)中所述的磁控濺射的參數(shù)如下：

8、射頻電源的功率為20～120w，稀有氣體的流速為20～50sccm，工作氣壓為5～15mtorr，襯底的旋轉(zhuǎn)速率為10～30rad/min。

9、優(yōu)選的，步驟1)中所述襯底為si襯底或sio2襯底。

10、優(yōu)選的，步驟1)中所述的低氧含量氧化鎵緩沖層的厚度為10～400nm。

11、優(yōu)選的，步驟2)中所述磁控濺射的參數(shù)如下：

12、稀有氣體的流速為20～50sccm，氧氣的流速為0～8sccm，工作氣壓為5～15mtorr，其中氧氣的流速不為0；

13、射頻電源的功率為20～120w，襯底的轉(zhuǎn)速為10～30rad/min。

14、優(yōu)選的，步驟2)中所述的氧化鎵薄膜得厚度為10～1000nm。

15、優(yōu)選的，步驟3)中所述的退火處理的溫度為900～1100℃，升溫速率為0.5～20℃/min，保溫時(shí)間為0.5～4h。

16、優(yōu)選的，步驟3)中所述的退火處理的氣氛包括空氣、氧氣、氮?dú)夂蜌鍤庵械囊环N或幾種。

17、本發(fā)明還提供了一種由上述制備方法制備得到的基于低氧含量氧化鎵緩沖層的氧化鎵薄膜。

18、本發(fā)明至少具有如下有益效果：

19、通過(guò)單一磁控濺射方法制備合適厚度的緩沖層薄膜和氧化鎵薄膜，并且通過(guò)生長(zhǎng)緩沖層薄膜的方法減少了在高溫退火過(guò)程中熱失配和晶格失配對(duì)氧化鎵薄膜結(jié)晶性能的影響，得到了較高質(zhì)量的氧化鎵薄膜。

技術(shù)特征：

1.一種基于低氧含量氧化鎵緩沖層的氧化鎵薄膜的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于低氧含量氧化鎵緩沖層的氧化鎵薄膜的制備方法，其特征在于，步驟1)中所述的磁控濺射的參數(shù)如下：

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于低氧含量氧化鎵緩沖層的氧化鎵薄膜的制備方法，其特征在于，步驟1)中所述襯底為si襯底或sio2襯底。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于低氧含量氧化鎵緩沖層的氧化鎵薄膜的制備方法，其特征在于，步驟1)中所述的低氧含量氧化鎵緩沖層的厚度為10～400nm。

5.根據(jù)權(quán)利要求2～4任意一項(xiàng)所述的一種基于低氧含量氧化鎵緩沖層的氧化鎵薄膜的制備方法，其特征在于，步驟2)中所述磁控濺射的參數(shù)如下：

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種基于低氧含量氧化鎵緩沖層的氧化鎵薄膜的制備方法，其特征在于，步驟2)中所述的氧化鎵薄膜得厚度為10～1000nm。

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種基于低氧含量氧化鎵緩沖層的氧化鎵薄膜的制備方法，其特征在于，步驟3)中所述的退火處理的溫度為900～1100℃，升溫速率為0.5～20℃/min，保溫時(shí)間為0.5～4h。

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種基于低氧含量氧化鎵緩沖層的氧化鎵薄膜的制備方法，其特征在于，步驟3)中所述的退火處理的氣氛包括空氣、氧氣、氮?dú)夂蜌鍤庵械囊环N或幾種。

9.權(quán)利要求1～8任意一項(xiàng)所述的一種基于低氧含量氧化鎵緩沖層的氧化鎵薄膜的制備方法制備得到的基于低氧含量氧化鎵緩沖層的氧化鎵薄膜。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提供了一種基于低氧含量氧化鎵緩沖層的氧化鎵薄膜及其制備方法，涉及半導(dǎo)體材料制造工藝技術(shù)領(lǐng)域。所述氧化鎵薄膜的制備方法包括以下步驟：在稀有氣體氣氛下，在襯底表面采用氧化鎵作為靶材進(jìn)行磁控濺射，得到帶有低氧含量氧化鎵緩沖層的襯底；在氧氣及稀有氣體的混合氣氛下，在帶有低氧含量氧化鎵緩沖層的襯底的低氧含量氧化鎵緩沖層的表面采用氧化鎵作為靶材進(jìn)行磁控濺射，得到氧化鎵薄膜；對(duì)氧化鎵薄膜進(jìn)行退火處理，得到基于低氧含量氧化鎵緩沖層的氧化鎵薄膜。本發(fā)明先在襯底上制備低氧含量的氧化鎵緩沖層再制備氧化鎵薄膜，減少了在高溫退火過(guò)程中熱失配和晶格失配對(duì)氧化鎵薄膜結(jié)晶性能的影響。

技術(shù)研發(fā)人員：趙莉娟,杜宇超
受保護(hù)的技術(shù)使用者：上海大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/9