一种在金刚石表面异质外延的氧化镓薄膜及其制备方法

1.本发明涉及半导体材料技术领域，特别涉及一种在金刚石表面异质外延的氧化镓薄膜及其制备方法。


背景技术：

2.氧化镓(ga2o3)，作为一种新兴的材料，其超宽的禁带宽度以及超高的baliga优值，深受国内外研究学者的关注，被认为是继sic和gan之后极具应用潜力的半导体材料之一，其中业内最为期待的是其在功率电子器件方面的应用，尤其是在大功率应用场景。近年来，随着技术的不断革新，氧化镓单晶的尺寸在不断增加，同时缺陷密度也在控制不断减小。与碳化硅一样，单晶的衬底由于其存在较多的结构缺陷，直接做器件会使其性能加速退化甚至提前失效。因此，常通过外延生长的方式去获取高质量、低密度缺陷的氧化镓薄膜，继而制作器件。然而，限于当前氧化镓单晶的价格以及同质外延的工艺条件，单晶衬底及同质外延生长不太适用现状，而异质外延相对便宜的衬底以及比较灵活的工艺条件则显得更佳。因此这种方式的氧化镓生长在近些年获得了飞快的发展，国内外也报道了许多关于采用各种沉积方式在不同的衬底上生长氧化镓薄膜的研究，包括物理气相沉积(pvd)、化学气相沉积(cvd)、原子层沉积(ald)沉积技术。
3.氧化镓材料多方面性能都极具优势，在生长制备方面的发展越加纯熟。然而，氧化镓材料也存在天然的不足——极低的热导率(11-27w/m
·
k)，这使得ga2o3基功率器件在应用中，尤其在大功率场景，积聚在器件内部的热量无法快速疏散，进而诱发器件的可靠性问题。因此，氧化镓应用推广亟待解决的瓶颈问题就是其极差的导热特性。当前，国际最前沿创新方法是依靠与高热导材料进行异质集成，以实现对氧化镓基器件的热管理。金刚石，作为自然界中热导率最高的材料(2000-2200w/m
·
k)，是选作氧化镓热沉的绝佳选择。到目前为止，现有报道的技术，有通过机械剥离与离子键合的方式，将氧化镓与金刚石进行集成，这种方法获得的氧化镓/金刚石异质结构，通过一定的工艺处理，可以结合的十分紧凑。然而，这种方式仅适用于研究阶段，却难以在未来的产业化生产中发挥作用。也有报道采用化学气相沉积(cvd)和磁控溅射法，在金刚石上异质外延生长氧化镓薄膜。然而这两种方法虽然可以满足产业化的需求，但是其制备氧化镓薄膜的界面结合力、表面微结构和形貌还有待提高。因此，需要一种新的制备方法，既要满足良好的异质结合能力，也要考虑到未来产业化，并且还得兼备优异的氧化镓薄膜微结构和形貌特征。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明目的在于提供一种在金刚石表面异质外延的氧化镓薄膜及其制备方法，本发明提供的氧化镓薄膜具有优异的厚度均匀性和极其精确的成分控制，并且氧化镓与金刚石界面处的粘合性非常好，不会因金刚石和氧化镓之间较大的材料性质差异而受到影响。
5.为了实现上述目的，本发明提供以下技术方案：一种在金刚石表面异质外延氧化
镓薄膜的制备方法，包括以下步骤：
6.(1)将金刚石表面进行预处理，将其放入原子层沉积的反应腔；
7.(2)将氧源反应前躯体通入反应腔，与金刚石反应形成氧终端金刚石表面；
8.(3)将镓源前驱体通入反应腔，在氧终端金刚石表面生长氧化镓获得氧化镓薄膜。
9.在ga2o3薄膜沉积完成后，本发明还包括将ga2o3/金刚石样片统一放置于n2箱中保护，以防止样品表面受到空气中的污染物或者颗粒的侵染/附着。
10.优选的，步骤(1)所述预处理包括清洗和干燥；所述清洗包括用有机溶剂和去离子水进行清洗；所述干燥为将金刚石放置于充满n2的干燥柜中进行干燥处理。
11.进一步优选的，所述有机溶剂为丙酮和醇溶液；在本发明中，所述清洗具体为：在超声波清洗器中用丙酮和醇溶液清洗金刚石衬底5-10min，然后依照标准的rca清洗工艺对金刚石衬底表面进行清洗，主要是为了去除金刚石衬底表面上的化学污染物和颗粒杂质，随后，利用高纯去离子水对金刚石衬底进行冲洗，去除前道工序残留的化学溶液。
12.优选地，步骤(2)所述氧源反应前躯体选自氧气、臭氧或氧等离子体；所述氧气纯度大于99.995％。
13.优选地，步骤(2)所述将氧源反应前躯体通入反应腔的方式为使用o2plasma脉冲方式通入，所述反应腔腔室压力1-10mbar；所述o
2 plasma激活功率为100-500w，使用1-500个脉冲，每个脉冲1-50s。优选地，步骤(3)所述镓源前驱体为三甲基镓。
14.优选的，所述步骤(2)、(3)中均需通入惰性气体脉冲，以冲洗反应副产物以及多余的前驱体气体。
15.优选地，所述步骤(3)还包括确定生长氧化镓薄膜工艺参数的步骤。
16.进一步优选地，所述确定生长氧化镓薄膜工艺参数的步骤具体包括：
17.s1.选择ald生长ga2o3薄膜的温度窗口，固定三甲基镓和o
2 plasma的脉冲时间，分别在50-300℃下沉积相同循环数的氧化镓薄膜，椭偏仪结合xrr测量表征薄膜厚度，并计算得到生长速率，寻找ald温度窗口；
18.s2.选择温度窗口内的温度作为生长温度，然后改变三甲基镓前驱体脉冲时间，并固定o
2 plasma的脉冲时间，以此探索镓源的饱和曲线，选择该前驱体的最佳脉冲时间；
19.s3.选择温度窗口内的温度作为生长温度，然后改变o
2 plasma的持续时间，并固定三甲基镓的脉冲时间，以此探索o
2 plasma的饱和曲线，选择o2plasma的最佳持续时间；
20.s4.以上述步骤得到的最佳的温度和前驱体脉冲时间为工艺参数，生长不同循环周期的ga2o3薄膜，厚度测试验证其是否具有随生长循环数呈线性增加的关系，并根据结果对生长工艺参数进行微调，以寻找最佳的工艺参数。
21.进一步优选地，步骤s2所述三甲基镓前驱体脉冲时间的持续时间为10-100ms。
22.进一步优选地，步骤s3所述o
2 plasma的持续时间为1-30s。
23.进一步优选地，步骤s4所述循环周期为100-5000个周期。
24.进一步优选的，所述最佳的工艺参数为：ald生长ga2o3薄膜的温度为150-250℃，o
2 plasma的最佳持续时间为10-20s，tmga通入时间20-40ms。
25.本发明还提供了上述技术方案所述制备方法制备得到的在金刚石表面异质外延氧化镓薄膜。
26.有益技术效果：本发明提供了一种在氧终端金刚石表面异质外延的氧化镓薄膜及
其制备方法，本发明采用原子层沉积技术，首先制备氧终端金刚石衬底表面，然后在氧终端金刚石衬底表面沉积氧化镓薄膜。本发明首选制备氧终端金刚石衬底表面，有利于氧化镓更好的与金刚石衬底相结合，此外，所采用的原子层沉积技术，是连续的表面反应，对生长物具有原子级的控制；由于其自限制性和自饱和性，氧化镓可以在金刚石衬底表面一层一层的堆叠，因此，获得的氧化镓薄膜具有优异的厚度均匀性和极其精确的成分控制；与此同时，原子层沉积是在低温条件下进行，由此，氧化镓与金刚石界面处的粘合性非常好，不会因金刚石和氧化镓之间较大的材料性质差异而受到影响。
具体实施方式
27.为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
28.实施例1
29.一种在金刚石上异质外延氧化镓薄膜的制备
30.(1)将金刚石在超声波清洗器中用丙酮和醇溶液彻底洗涤衬底5-10分钟；紧接着，依照标准的rca清洗工艺，对金刚石衬底表面进行清洗，随后，利用高纯去离子水对金刚石衬底进行冲洗，去除前道工序残留的化学溶液，最后，将金刚石基片放置于充满n2的干燥柜中进行干燥处理后，将其放入原子层沉积的反应腔；
31.(2)将纯度为99.995％的o2使用o
2 plasma脉冲方式通入反应腔，反应腔腔室压力1mbar；所述o
2 plasma激活功率为200w，使用100个脉冲，每个脉冲20s，o2与金刚石反应形成氧终端金刚石表面；
32.(3)将三甲基镓前驱体通入反应腔，设置生长氧化镓薄膜的工艺参数为：生长温度为200℃，o
2 plasma通入时间15s，tmga通入时间30ms，在此工艺参数下循环1000个循环，获得2寸金刚石衬底氧化镓薄膜厚度为90-100nm，均匀性＜2％，粗糙度＜1nm，可见光透过率＞80％，折射率1.85(632.8nm)，带隙4.7ev。
33.实施例2
34.一种在金刚石上异质外延氧化镓薄膜的制备
35.(1)将金刚石在超声波清洗器中用丙酮和醇溶液彻底洗涤衬底5-10分钟；紧接着，依照标准的rca清洗工艺，对金刚石衬底表面进行清洗，随后，利用高纯去离子水对金刚石衬底进行冲洗，去除前道工序残留的化学溶液，最后，将金刚石基片放置于充满n2的干燥柜中进行干燥处理后，将其放入原子层沉积的反应腔；
36.(2)将纯度为99.995％的o2使用o
2 plasma脉冲方式通入反应腔，反应腔腔室压力10mbar；所述o
2 plasma激活功率为500w，使用500个脉冲，每个脉冲50s，o2与金刚石反应形成氧终端金刚石表面；
37.(3)将三甲基镓前驱体通入反应腔，设置生长氧化镓薄膜的工艺参数为：生长温度为250℃，o
2 plasma通入时间20s，tmga通入时间40ms，在此工艺参数下循环1000个循环，获得2寸金刚石衬底氧化镓薄膜厚度为90-100nm，均匀性＜2％，粗糙度＜1nm，可见光透过率＞80％，折射率1.85(632.8nm)，带隙4.7ev。
38.实施例3
39.一种在金刚石上异质外延氧化镓薄膜的制备
40.(1)将金刚石在超声波清洗器中用丙酮和醇溶液彻底洗涤衬底5-10分钟；紧接着，依照标准的rca清洗工艺，对金刚石衬底表面进行清洗，随后，利用高纯去离子水对金刚石衬底进行冲洗，去除前道工序残留的化学溶液，最后，将金刚石基片放置于充满n2的干燥柜中进行干燥处理后，将其放入原子层沉积的反应腔；
41.(2)将纯度为99.995％的o2使用o
2 plasma脉冲方式通入反应腔，反应腔腔室压力1mbar；所述o
2 plasma激活功率为100w，使用100个脉冲，每个脉冲10s，o2与金刚石反应形成氧终端金刚石表面；
42.(3)将三甲基镓前驱体通入反应腔，设置生长氧化镓薄膜的工艺参数为：生长温度为150℃，o
2 plasma通入时间10s，tmga通入时间20ms，在此工艺参数下循环1000个循环，获得2寸金刚石衬底氧化镓薄膜厚度为90-100nm，均匀性＜2％，粗糙度＜1nm，可见光透过率＞80％，折射率1.85(632.8nm)，带隙4.7ev。
43.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种在金刚石表面异质外延氧化镓薄膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将金刚石表面进行预处理，将其放入原子层沉积的反应腔；(2)将氧源反应前躯体通入反应腔，与金刚石反应形成氧终端金刚石表面；(3)将镓源前驱体通入反应腔，在氧终端金刚石表面生长氧化镓获得氧化镓薄膜。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述氧源反应前躯体选自氧气、臭氧或氧等离子体；所述氧气纯度大于99.995％。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述将氧源反应前躯体通入反应腔的方式为使用o
2 plasma脉冲方式通入，所述反应腔腔室压力1-10mbar；所述o
2 plasma激活功率为100-500w，使用1-500个脉冲，每个脉冲1-50s。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)所述镓源前驱体为三甲基镓。5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)还包括确定生长氧化镓薄膜工艺参数的步骤。6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述确定生长氧化镓薄膜工艺参数的步骤具体包括：s1.选择ald生长ga2o3薄膜的温度窗口，固定三甲基镓和o
2 plasma的脉冲时间，分别在50-300℃下沉积相同循环数的氧化镓薄膜，椭偏仪结合xrr测量表征薄膜厚度，并计算得到生长速率，寻找ald温度窗口；s2.选择温度窗口内的温度作为生长温度，然后改变三甲基镓前驱体脉冲时间，并固定o
2 plasma的脉冲时间，以此探索镓源的饱和曲线，选择该前驱体的最佳脉冲时间；s3.选择温度窗口内的温度作为生长温度，然后改变o
2 plasma的持续时间，并固定三甲基镓的脉冲时间，以此探索o
2 plasma的饱和曲线，选择o2plasma的最佳持续时间；s4.以上述步骤得到的最佳的温度和前驱体脉冲时间为工艺参数，生长不同循环周期的ga2o3薄膜，厚度测试验证其是否具有随生长循环数呈线性增加的关系，并根据结果对生长工艺参数进行微调，以寻找最佳的工艺参数。7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤s2所述三甲基镓前驱体脉冲时间的持续时间为10-100ms。8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤s3所述o
2 plasma的持续时间为1-30s。9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤s4所述循环周期为100-5000个周期。10.权利要求1～9任一项所述制备方法制备得到的在金刚石表面异质外延的氧化镓薄膜。

技术总结
本发明提供了一种在金刚石表面异质外延的氧化镓薄膜及其制备方法，属于半导体材料技术领域。本发明采用原子层沉积技术，首先制备氧终端金刚石衬底表面，然后在氧终端金刚石衬底表面沉积氧化镓得到氧化镓薄膜。本发明获得的氧化镓薄膜具有优异的厚度均匀性和极其精确的成分控制，与此同时，采用的原子层沉积方法是在低温条件下进行，由此，氧化镓与金刚石界面处的粘合性非常好，不会因金刚石和氧化镓之间较大的材料性质差异而受到影响。之间较大的材料性质差异而受到影响。


技术研发人员：马宏平 顾林
受保护的技术使用者：复旦大学
技术研发日：2023.05.22
技术公布日：2023/8/9