基于斜切角衬底的Ⅲ族氧化物薄膜制备方法及其外延片技术

本公开提供一种基于斜切角衬底的III族氧化物薄膜制备方法及其外延片，制备方法包括：在具有斜切角的连续台阶形衬底(1)上外延缓冲层(2)；在缓冲层(2)上制备外延层(3)；其中，外延层(3)为单晶III族氧化物薄膜，缓冲层(2)和衬底(1)异质，缓冲层(2)和外延层(3)同质。通过在具有斜切角的连续原子级台阶形衬底上外延缓冲层，可以促使反应源的吸附原子在台阶边缘处生长，形成一致取向的生长模式，得到完整的单晶缓冲层薄膜，进而在单晶缓冲层薄膜上同质外延出高质量的单晶外延层薄膜。本方法工艺兼容性强，降低了生产高质量单晶III族氧化物薄膜的成本，便于对其进行推广使用。便于对其进行推广使用。便于对其进行推广使用。

【技术实现步骤摘要】
基于斜切角衬底的III族氧化物薄膜制备方法及其外延片


[0001]本公开涉及半导体
，尤其涉及一种基于斜切角衬底的III族氧化物薄膜制备方法及其外延片。

技术介绍

[0002]Ga2O3及其同系氧化物是新一代超宽禁带半导体材料，在电力电子器件、微波器件和深紫外光电器件中有巨大的应用前景。
[0003]现有高质量的Ga2O3薄膜主要依靠同质外延，所需要的高质量单晶 Ga2O3衬底，价格昂贵，不利于大规模量产。同时，同质外延生长，衬底选择单一，限制了Ga2O3薄膜制作异质结器件的应用。而现有的平面异质外延衬底，生长过程中源的气体分子可以在衬底平面上自由扩散，容易产生不同晶体取向的Ga2O3晶体，难以得到完整的高质量单晶薄膜。以及现有衬底材料导电性和导热性差，限制了外延片的在垂直器件中的应用，并影响器件在大电流工作下的性能。同时，衬底与Ga2O3之间的热失配较大，导致缓冲层和外延层中仍存在大量缺陷，难以得到高质量的单晶薄膜。

技术实现思路

[0004](一)要解决的技术问题
[0005]针对于现有的技术问题，本公开提供一种基于斜切角衬底的III族氧化物薄膜制备方法及其外延片，用于至少部分解决以上技术问题。
[0006](二)技术方案
[0007]本公开提供一种基于斜切角衬底的III族氧化物薄膜制备方法，包括：在具有斜切角的连续台阶形衬底1上外延缓冲层2；在缓冲层2上制备外延层3；其中，外延层3为单晶III族氧化物薄膜，缓冲层2和衬底1异质，缓冲层2和外延层3同质。/>[0008]可选地，在具有斜切角的连续台阶形衬底1上外延缓冲层2包括：在衬底1上制备图形化的纳米柱和/或纳米孔，其中，纳米柱和/或纳米孔的直径为10
‑
1000nm，纳米柱和/或纳米孔的深度或高度为10
‑
1000nm。
[0009]可选地，在具有斜切角的连续台阶形衬底1上外延缓冲层2包括：控制缓冲层2的生长速率，在衬底1上生长连续台阶形的缓冲层2或者平整的缓冲层2，其中，缓冲层2的生长速率为0.1nm/h～10μm/h；在缓冲层2 上制备外延层3包括：在缓冲层2上制备连续台阶形的外延层3或者平整的外延层3。
[0010]可选地，在具有0.1～15
°
斜切角的衬底1上外延缓冲层2。
[0011]可选地，外延材料为(B
x
Al
y
Ga1‑
x
‑
y
)2O3或(In
x
Al
y
Ga1‑
x
‑
y
)2O3或(In
x
Ga1‑
x
)
2 O3或(Al
x
Ga1‑
x
)2O3的缓冲层2，其中，0≤x≤1，0≤y≤1；制备材料为(B
x1
Al
y1
Ga1‑
x1
‑
y1
)2O3，(In
x1
Al
y1
Ga1‑
x1
‑
y1
)2O3，(Inx1Ga1‑
x1
)2O3和(Al
x1
Ga1‑
x1
)2O3中的任意一项及其组合为异质结的外延层3，其中，0≤x1≤1，0≤y1≤1。
[0012]可选地，在具有斜切角的连续台阶形衬底1上外延缓冲层2包括：对衬底1进行合金
化和/或掺杂处理。
[0013]可选地，在具有斜切角的连续台阶形衬底1上外延缓冲层2包括：采用有机源或金属气体与氧源气体反应外延缓冲层2，其中，先通入有机源或金属气体1秒～60分钟后，再通入氧源气体。
[0014]可选地，采用气态三甲基铝和/或三甲基镓和/或三甲基铟和/或三乙基铝和/或三乙基镓和/或三乙基铟和/或硼酸三乙酯(TEB)和/或金属铝和/ 或金属Ga和/或金属In与氧气和/或水蒸气和/或一氧化二氮反应来外延缓冲层2。
[0015]可选地，在具有斜切角的连续台阶形GaN或AlN或SiC或MgO或 NiO或ZnO或Si衬底上外延缓冲层2。
[0016]本公开另一方面提供一种基于斜切角衬底的III族氧化物薄膜外延片，包括：依次叠加的衬底1，缓冲层2和外延层3；其中，衬底1为具有斜切角的连续台阶形衬底，外延层3为单晶III族氧化物薄膜，缓冲层2和衬底1异质，缓冲层2和外延层3同质。
[0017](三)有益效果
[0018]本公开提供一种基于斜切角衬底的III族氧化物薄膜制备方法，通过在具有斜切角的连续原子级台阶形衬底上外延缓冲层，可以促使反应源的吸附原子在台阶边缘处生长，形成一致取向的生长模式，得到完整的单晶缓冲层薄膜，进而在单晶缓冲层薄膜上同质外延出高质量的单晶外延层薄膜。本方法工艺兼容性强，降低了生产高质量单晶III族氧化物薄膜的成本，便于对其进行推广使用。
[0019]通过控制缓冲层的生长速率可以控制缓冲层的表面形貌，进而获得台阶流式的外延层或者是平整的外延层，为单晶III族氧化物薄膜在不同器件中的应用提供了更多可能性。
[0020]通过使用导电的衬底，有利于外延片在垂直器件中的应用；使用导热性良好的衬底，有利于外延片在大功率器件中的应用并提升器件性能和使用寿命。同时衬底的导热性好，可以减少生长时衬底不同区域的热不均匀性，有利于得到均匀性更好的薄膜。
[0021]通过使用与III族氧化物热失配更小的斜切角衬底，抑制台阶边缘处成核生长的多重旋转晶畴，减少缓冲层和外延层中的缺陷，获得更高的晶体质量。
[0022]GaN、AlN等衬底可以通过合金化(例如用Al或In取代一部分Ga) 和/或掺杂(如掺杂Mg或Si等)等处理，调整其热膨胀系数，进一步减小与薄膜材料之间的热失配，减少缓冲层和衬底界面处的缺陷，得到更高质量的III族氧化物薄膜。
[0023]通过使用具有特殊结构的斜切角衬底，如在GaN、AlN、SiC、MgO、 NiO、ZnO等斜切角衬底上做图形化的纳米柱和/或纳米孔，可以与斜切角衬底的台阶形成协同作用，进一步释放应力并减少缺陷，得到更高质量的薄膜。
附图说明
[0024]通过以下参照附图对本公开实施例的描述，本公开的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
[0025]图1示意性示出了根据本公开实施例的基于斜切角衬底的III族氧化物薄膜制备方法流程图；
[0026]图2示意性示出了根据本公开实施例的衬底原子级台阶结构图；
[0027]图3示意性示出了根据本公开实施例的外延生长气体控制曲线图；
[0028]图4示意性示出了根据本公开实施例的基于斜切角衬底的III族氧化物薄膜结构图；
[0029]图5示意性示出了根据本公开另一实施例的基于斜切角衬底的III族氧化物薄膜结构图。
[0030]【附图标记说明】
[本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于斜切角衬底的III族氧化物薄膜制备方法，其特征在于，包括：在具有斜切角的连续台阶形衬底(1)上外延缓冲层(2)；在所述缓冲层(2)上制备外延层(3)；其中，所述外延层(3)为单晶III族氧化物薄膜，所述缓冲层(2)和所述衬底(1)异质，所述缓冲层(2)和所述外延层(3)同质。2.根据权利要求1所述的基于斜切角衬底的III族氧化物薄膜制备方法，其特征在于，所述在具有斜切角的连续台阶形衬底(1)上外延缓冲层(2)包括：在所述衬底(1)上制备图形化的纳米柱和/或纳米孔，其中，所述纳米柱和/或纳米孔的直径为10
‑
1000nm，所述纳米柱和/或纳米孔的深度或高度为10
‑
1000nm。3.根据权利要求1所述的基于斜切角衬底的III族氧化物薄膜制备方法，其特征在于，所述在具有斜切角的连续台阶形衬底(1)上外延缓冲层(2)包括：控制所述缓冲层(2)的生长速率，在所述衬底(1)上生长连续台阶形的所述缓冲层(2)或者平整的所述缓冲层(2)，其中，所述缓冲层(2)的生长速率为0.1nm/h～10μm/h；所述在所述缓冲层(2)上制备外延层(3)包括：在所述缓冲层(2)上制备连续台阶形的所述外延层(3)或者平整的所述外延层(3)。4.根据权利要求1所述的基于斜切角衬底的III族氧化物薄膜制备方法，其特征在于，在具有0.1～15
°
斜切角的所述衬底(1)上外延所述缓冲层(2)。5.根据权利要求1所述的基于斜切角衬底的III族氧化物薄膜制备方法，其特征在于，外延材料为(B
x
Al
y
Ga1‑
x
‑
y
)2O3或(In
x
Al
y
Ga1‑
x
‑
y
)2O3或(In
x
Ga1‑
x
)2O3或(Al
x
Ga
l
‑
x
)2O3的所述缓冲层(2...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙海定，方师，汪丹浩，梁方舟，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：