采用预铺Ga层在金刚石上外延β-Ga2O3薄膜的制备方法及结构

采用预铺ga层在金刚石上外延
β-ga2o3薄膜的制备方法及结构
技术领域
1.本发明属于半导体器件技术领域，涉及一种采用预铺ga层在金刚石上外延β-ga2o3薄膜的制备方法及结构。


背景技术：

2.随着半导体大功率以及射频功率器件的发展，进一步对于半导体材料提出更高的指标要求。新材料的出现才能显著解决现有材料体系无法解决的指标瓶颈。为获得高击穿电压和良好的散热，进一步获得大的功率密度和低的射频损耗，β-ga2o3半导体材料由于有大的ebr，因而能够为高击穿电压，低导通电阻等参数提供有效的支撑。但是由于较差的散热特性以及低质量的异质外延层质量，对于同质衬底的依赖严重限制其制造成本。采用高热导率的金刚石作为衬底，以显著提升外延层的散热。
3.由于金刚石衬底本身存在氧气和氢气的刻蚀效应，即在外延材料的生长过程中，材料表面若接触氧气，则会产生较多刻蚀坑。
4.因此无法通过正常手段实现金刚石和氧化镓二者的异质外延。在外延β-ga2o3的过程中，氧气作为反应源，不可避免与衬底材料接触。


技术实现要素：

5.为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种采用预铺ga层在金刚石上外延β-ga2o3薄膜的制备方法及结构。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
6.本发明实施例提供了一种采用预铺ga层在金刚石上外延β-ga2o3薄膜的制备方法，包括以下步骤：
7.制备衬底层；
8.在所述衬底层上制备预铺ga层；
9.在所述预铺ga层上制备薄膜层。
10.在本发明的一个实施例中，所述衬底层包括金刚石衬底层。
11.在本发明的一个实施例中，所述薄膜层包括β-ga2o3薄膜层。
12.在本发明的一个实施例中，制备衬底层，包括：
13.清洗所述金刚石衬底层；
14.利用mocvd设备对所述金刚石衬底层进行退火处理。
15.在本发明的一个实施例中，利用mocvd对所述金刚石衬底层进行退火处理，包括：
16.将清洗后的所述金刚石衬底层放入mocvd反应室中，设置氮气流量为500-2000sccm，温度为600-900℃，将所述金刚石衬底层热退火15-30min。
17.在本发明的一个实施例中，在所述衬底层上制备预铺ga层，包括：
18.利用mocvd设备在所述金刚石衬底层上制备预铺ga层。
19.在本发明的一个实施例中，利用mocvd设备对所述金刚石衬底层进行退火处理，包括：
20.在mocvd反应室中，调整tega流量为20-60sccm，生长温度为600-900℃，生长压力控制在35-50torr，在所述金刚石衬底层上生长3-5min的预铺ga层。
21.在本发明的一个实施例中，在所述预铺ga层上制备薄膜层，包括：
22.在mocvd反应室中，设置tega的流量、生长温度和生长压力与生长所述预铺ga层时相同，且设置氧气流量为2000-2600sccm，以在所述预铺ga层上生长60-90min的β-ga2o3薄膜层。
23.在本发明的一个实施例中，所述预铺ga层的厚度为5-10nm。
24.本发明的另一个实施例提供的一种采用预铺ga层在金刚石上外延β-ga2o3薄膜的结构，由上述任一项实施例所述的制备方法制备而成，所述结构包括：
25.衬底层；
26.预铺ga层，所述预铺ga层位于所述衬底层上；
27.薄膜层，所述薄膜层位于所述预铺ga层上。
28.与现有技术相比，本发明的有益效果：
29.本发明解决了高温下无法在金刚石衬底层上外延β-ga2o3的问题。本发明通过引入预铺ga层，极大减少了氧气对衬底的刻蚀作用。同时显著提升外延β-ga2o3层质量，降低了外延β-ga2o3层的位错与缺陷，显著提高氧化镓外延层的热导率，对后续的氧化镓异质外延与大功率以及高频电力电子器件提供了良好的材料性能支撑。
30.通过以下参考附图的详细说明，本发明的其它方面和特征变得明显。但是应当知道，该附图仅仅为解释的目的设计，而不是作为本发明的范围的限定，这是因为其应当参考附加的权利要求。还应当知道，除非另外指出，不必要依比例绘制附图，它们仅仅力图概念地说明此处描述的结构和流程。
附图说明
31.图1为本发明实施例提供的一种采用预铺ga层在金刚石上外延β-ga2o3薄膜的制备方法的流程示意图；
32.图2a-图2c为本发明实施例提供的一种采用预铺ga层在金刚石上外延β-ga2o3薄膜的制备方法的过程示意图；
33.图3为本发明实施例提供的一种采用预铺ga层在金刚石上外延β-ga2o3薄膜的结构的示意图。
具体实施方式
34.下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
35.实施例一
36.请参见图1、图2a-图2c，图1为本发明实施例提供的一种采用预铺ga层在金刚石上外延β-ga2o3薄膜的制备方法的流程示意图，图2a-图2c为本发明实施例提供的一种采用预铺ga层在金刚石上外延β-ga2o3薄膜的制备方法的过程示意图。本发明提供一种采用预铺ga层在金刚石上外延β-ga2o3薄膜的制备方法，该制备方法包括以下步骤：
37.步骤1、制备衬底层1，如图2a所示。
38.优选地，衬底层1包括金刚石衬底层。
39.在一个具体实施例中，步骤1可以包括步骤1.1-步骤1.2，其中：
40.步骤1.1、清洗金刚石衬底层。
41.步骤1.2、利用mocvd(metal-organic chemical vapor deposition，金属有机化合物化学气相沉淀)设备对金刚石衬底层进行退火处理。
42.具体地，将清洗后的所述金刚石衬底层放入mocvd反应室中，设置氮气流量为500-2000sccm，温度为600-900℃，将所述金刚石衬底层热退火15-30min。
43.优选地，氮气流量为1050sccm。
44.优选地，温度为800℃。
45.步骤2、在衬底层1上制备预铺ga层2，如图2b所示。
46.优选地，预铺ga层2的厚度为5-10nm，过薄的预铺ga层2足以提供原子成核位点，而过厚的预铺ga层2的生长则会导致腔体流场紊乱，同时对后续生长造成不利影响。
47.在一个具体实施例中，步骤2可以具体包括：
48.利用mocvd设备在金刚石衬底层上制备预铺ga层2。
49.进一步地，利用mocvd设备在金刚石衬底层上制备预铺ga层2，包括：
50.在mocvd反应室中，调整tega(三乙基镓)流量为20-60sccm，生长温度为600-900℃，生长压力控制在35-50torr，在金刚石衬底层上生长3-5min的预铺ga层2。tega流量和通入时间的改变，则不足以获得高质量的预铺层，同时减少压力和温度的改变，与后续生长条件一致，能够保证生长过程的连续性。
51.优选地，tega流量为40sccm。
52.优选地，生长温度为800℃。
53.优选地，生长压力为40torr。
54.步骤3、在预铺ga层2上制备薄膜层3，如图2c所示。
55.优选地，薄膜层3包括β-ga2o3薄膜层。
56.在一个具体实施例中，步骤3可以具体包括：
57.在mocvd反应室中，设置tega的流量、生长温度和生长压力与生长预铺ga层2时相同，由此保证生长过程的连续性，减小对其他参数的扰动。且设置氧气流量为2300sccm，以在预铺ga层2上生长60min的β-ga2o3薄膜层。
58.优选地，氧气流量为2300sccm。
59.优选地，生长时间为60min。
60.本发明首先在金刚石衬底层上短时间预铺ga层，之后进一步继续生长β-ga2o3单晶薄膜。本发明在高温条件下生长β-ga2o3前关闭氧气通路，预通ga源，将金刚石衬底层与氧气隔绝，从而显著降低氧气的刻蚀作用，提高β-ga2o3外延层质量。从而，通过预铺ga层的处理降低了氧源对衬底的刻蚀作用，实现了金刚石衬底层与β-ga2o3薄膜之间的过渡与生长，进而解决了无法直接在金刚石衬底层上异质外延氧化镓薄膜的问题。
61.本发明解决了高温下无法在金刚石衬底层上外延β-ga2o3的问题。本发明通过引入预铺ga层，极大减少了氧气对衬底的刻蚀作用。同时显著提升外延β-ga2o3层质量，降低了外延β-ga2o3层的位错与缺陷，显著提高氧化镓外延层的热导率，对后续的氧化镓异质外延与大功率以及高频电力电子器件提供了良好的材料性能支撑。
62.实施例二
63.本实施例在实施例一所提供的采用预铺ga层在金刚石上外延β-ga2o3薄膜的制备方法的基础上，给出如下一种实施例，该实施例，制作采用800℃生长的β-ga2o3薄膜层，该制备方法具体包括：
64.步骤1，对金刚石衬底层进行标准清洗，如图2a所示。
65.1a)将金刚石衬底层先后放入丙酮、乙醇和去离子水中超声清洗10min；
66.1b)将清洗后的金刚石衬底层用高纯氮气吹干。
67.步骤2，对金刚石衬底层进行热退火处理。
68.具体地，将清洗后的金刚石衬底层放入mocvd反应室中，设置反应室温度为800℃，n2流量为1050sccm，热退火处理15min。
69.步骤3，外延生长5min的预铺ga层，如图2b所示。
70.具体地，设置mocvd反应室温度为800℃，生长压力为40torr，tega流量为40sccm，在金刚石衬底层上外延生长5min的预铺ga层。
71.步骤4，通入氧气，如图2c所示。
72.具体地，保持其他的生长参数不改变，设置氧气流量为2300sccm，继续生长60min的β-ga2o3薄膜层。
73.实施例三
74.请参见图3，图3为本发明实施例提供的一种采用预铺ga层在金刚石上外延β-ga2o3薄膜的结构的示意图。本发明在上述实施例的基础上还提供一种采用预铺ga层在金刚石上外延β-ga2o3薄膜的结构，该采用预铺ga层在金刚石上外延β-ga2o3薄膜的结构是由上述实施例所述的采用预铺ga层在金刚石上外延β-ga2o3薄膜的制备方法制备而成，该结构包括：
75.衬底层1；
76.预铺ga层2，预铺ga层2位于衬底层1上；
77.薄膜层3，薄膜层3位于预铺ga层2上。
78.优选地，衬底层1包括金刚石衬底层。
79.优选地，预铺ga层2的厚度为5-10nm。
80.优选地，薄膜层3包括β-ga2o3薄膜层。
81.本发明解决了高温下无法在金刚石衬底层上外延β-ga2o3的问题。本发明通过引入预铺ga层，极大减少了氧气对衬底的刻蚀作用。同时显著提升外延β-ga2o3层质量，降低了外延β-ga2o3层的位错与缺陷，显著提高氧化镓外延层的热导率，对后续的氧化镓异质外延与大功率以及高频电力电子器件提供了良好的材料性能支撑。
82.在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
83.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特数据点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特数据点
可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。
84.以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。