一种蓝宝石衬底生长纯相Ga2O3薄膜的方法及日盲紫外探测器技术

本申请涉及半导体材料的技术领域，具体公开了一种蓝宝石衬底生长纯相Ga2O3薄膜的方法及日盲紫外探测器，该方法包括以下步骤：通过磁控溅射方法在蓝宝石衬底上沉积得到纯相Ga2O3薄膜，磁控溅射参数为：衬底温度为500

【技术实现步骤摘要】
一种蓝宝石衬底生长纯相Ga2O3薄膜的方法及日盲紫外探测器
[0001]

[0002]本申请涉及半导体材料的
，更具体地说，它涉及一种蓝宝石衬底生长纯相Ga2O3薄膜的方法及日盲紫外探测器。

技术介绍

[0003]日盲紫外探测器不受太阳光背景的影响，可以实现全天候工作，具有灵敏度高、虚警率低等特点。基于宽禁带半导体材料的紫外光探测器件的优点主要体现在体积小、重量轻、增益高、响应快、噪声低、耐冲击、抗振动以及不受磁场影响等，特别适用于装备集成。
[0004]要实现日盲紫外光的探测，要求器件的核心半导体材料的禁带宽度要大于4.4 eV(对应探测波长280 nm)。但是目前基于SiC、GaN和ZnO的宽禁带半导体紫外探测器都无法实现日盲探测，容易被太阳光所干扰，对弱信号的处理能力比较弱。而氧化镓（Ga2O3）的禁带宽度为4.9
‑
5.3eV，比传统的半导体材料的禁带宽度（Si:1.1 eV，InP:1.3 eV，SiC:3.2 eV，GaN:3.4 eV）更宽，正处于日盲探测区域而备受关注。
[0005]众所周知，氧化镓有五种晶体结构：α, β, γ, ε和δ，当然近年来，有研究者发现了一种“变形六边结构”的过渡相，称之为κ相。在这些晶体结构中，β
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Ga2O3最受关注，研究也最多，在生物测试、臭氧空洞监测、航天航空等探测器件以及高功率、高耐压器件方面有广泛的应用。另一种受关注的晶型是热力学亚稳相α
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Ga2O3。
[0006]α
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Ga2O3薄膜的生长方法主要有mist
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CVD、低压CVD、卤化物气相外延法和分子束外延法。但是基于上述技术生长的Ga2O3薄膜材料中往往包含其他晶型或扭曲的结构，因此均是多晶或非纯相晶体。
[0007]尽管在外延薄膜和衬底之间事先插入缓冲层α
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Fe2O3后，可在缓冲层的基层上生长纯相的α
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Ga2O3薄膜，但是缓冲层的生长厚度很难控制，而且生长条件与α
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Ga2O3也不相同，如果是在同一反应腔同时完成缓冲层的生长，还会对靶材造成污染。
[0008]相对而言，在蓝宝石衬底上直接外延生长纯相α
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Ga2O3薄膜的研究对于本领域具有重要的意义，但是由于α
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Ga2O3为热力学亚稳相，在一定条件下会转化成β相的晶体等原因，导致当前蓝宝石衬底上虽然成功长成了α
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Ga2O3薄膜，但多为混合相结构，纯度很低，难以满足器件的研发需求。

技术实现思路

[0009]为了在蓝宝石衬底上长成纯相Ga2O3薄膜，满足器件需求，本申请提供一种蓝宝石衬底生长纯相Ga2O3薄膜的方法及日盲紫外探测器。
[0010]第一方面，本申请提供的一种蓝宝石衬底生长纯相Ga2O3薄膜的方法，采用如下的技术方案：一种蓝宝石衬底生长纯相Ga2O3薄膜的方法，通过磁控溅射方法在蓝宝石衬底上沉
积得到纯相Ga2O3薄膜，磁控溅射参数为：衬底温度为500
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800℃，所述蓝宝石衬底选用（0006）、（300）、（012）取向的蓝宝石晶片中的任意一种或几种。
[0011]通过采用上述技术方案，选用（0006）、（300）、（012）取向的蓝宝石晶片作为衬底，通过磁控溅射方法，再配合对于衬底温度的控制，使得选用上述取向的蓝宝石晶片上最终分别生长出纯相的Ga2O3薄膜，得到高纯度Ga2O3薄膜。
[0012]可选的，当磁控溅射的衬底温度为650
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800℃、蓝宝石的（0006）面作为衬底时，蓝宝石衬底上外延生长（01）取向的纯相β
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Ga2O3薄膜。
[0013]可选的，当磁控溅射的衬底温度为500
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800℃、蓝宝石的（300）面作为衬底时，蓝宝石衬底上外延生长（300）取向的纯相α
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Ga2O3薄膜。
[0014]可选的，当磁控溅射的衬底温度为700
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750℃、蓝宝石的（012）面作为衬底时，蓝宝石衬底上外延生长（012）取向的纯相α
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Ga2O3薄膜。
[0015]通过采用上述技术方案，本申请可以在（300）取向蓝宝石衬底上能够生长出均匀分布的（300）取向的α
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Ga2O3薄膜，在（012）取向蓝宝石衬底上能够生长出均匀分布的相同取向的α
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Ga2O3薄膜，在（0006）面上外延生长出纯相的（01）取向的β
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Ga2O3薄膜，晶格的匹配度高，晶格间结合紧密，外延层不易脱落。最终实现了以结晶度更高、价格更低的（0006）、（300）、（012）取向的蓝宝石为衬底，纯相Ga2O3薄膜的外延生长。且获得的Ga2O3薄膜的纯相度高，而且获得纯相α
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Ga2O3和β
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Ga2O3薄膜的过程更简单。
[0016]可选的，当磁控溅射的衬底温度为675℃、蓝宝石的（0006）面作为衬底时，蓝宝石衬底上外延生长出（01）取向的纯相β
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Ga2O3薄膜，且沉积速率为162nm/h，纯相β
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Ga2O3薄膜的粗糙度为2.20nm。
[0017]可选的，当磁控溅射的衬底温度为775℃、蓝宝石的（300）面作为衬底时，蓝宝石衬底上外延生长出（300）取向的纯相α
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Ga2O3薄膜，且沉积速率为395nm/h，纯相α
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Ga2O3薄膜的粗糙度为1.79nm。
[0018]可选的，当磁控溅射的衬底温度为700℃、蓝宝石的（012）面作为衬底时，蓝宝石衬底上外延生长出（012）取向的纯相α
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Ga2O3薄膜，且沉积速率为171nm/h，纯相α
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Ga2O3薄膜的粗糙度为2.67nm。
[0019]通过采用上述技术方案，选用上述衬底温度和不同晶面的蓝宝石衬底可以得到纯相Ga2O3薄膜，而且其沉积速率和最终得到薄膜的粗糙度两者均处于较佳参数。
[0020]可选的，所述蓝宝石衬底为蓝宝石晶片经过前处理步骤操作后得到，所述前处理步骤包括依次进行的超声浸泡清洗和酸液热浸泡清洗。
[0021]通过采用上述技术方案，蓝宝石衬底首先进行超声浸泡清洗，去除衬底表面的杂质，然后再进行酸液热浸泡清洗，进一步去除衬底表面的杂质和氧化物，更重要的是对于蓝宝石衬底具有一定的“软化”作用，在蓝宝石衬底表面形成更有利于Ga2O3键合的表层，使得磁控溅射形成的Ga2O3外延层的结晶性更加优良。
[0022]可选的，所述前处理的具体操作为：超声浸泡清洗：将蓝宝石晶片依次在丙酮、无水乙醇、去离子水中分别超声浸泡10
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20min后，用干燥的氮气吹干；酸液热浸泡清洗：将经过超声浸泡清洗后的蓝宝石晶片在H2SO4和H3PO4的酸性混合溶液中本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种蓝宝石衬底生长纯相Ga2O3薄膜的方法，其特征在于，通过磁控溅射方法在蓝宝石衬底上沉积得到纯相Ga2O3薄膜，磁控溅射参数为：衬底温度为500
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800℃，所述蓝宝石衬底选用（0006）、（300）、（012）取向的蓝宝石晶片中的任意一种或几种。2.根据权利要求1所述的一种蓝宝石衬底生长纯相Ga2O3薄膜的方法，其特征在于：当磁控溅射的衬底温度为650
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800℃、蓝宝石的（0006）面作为衬底时，蓝宝石衬底上外延生长出（01）取向的纯相β
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Ga2O3薄膜。3.根据权利要求1所述的一种蓝宝石衬底生长纯相Ga2O3薄膜的方法，其特征在于：当磁控溅射的衬底温度为500
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800℃、蓝宝石的（300）面作为衬底时，蓝宝石衬底上外延生长出（300）取向的纯相α
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Ga2O3薄膜。4.根据权利要求1所述的一种蓝宝石衬底生长纯相Ga2O3薄膜的方法，其特征在于：当磁控溅射的衬底温度为700
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750℃、蓝宝石的（012）面作为衬底时，蓝宝石衬底上外延生长出（012）取向的纯相α
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Ga2O3薄膜。5.根据权利要求1所述的一种蓝宝石衬底生长纯相Ga2O3薄膜的方法，其特征在于：当磁控溅射的衬底温度为675℃、蓝宝石的（0006）面作为衬底时，蓝宝石衬底上外延生长出（01）取向的纯相β
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Ga2O3薄膜，且沉积速率为162nm/h，纯相β
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Ga2O3薄膜的粗糙度为2.20nm；或，当磁控溅射的衬底温度为775℃、蓝宝石的（300）面作为衬底时，蓝宝石衬底上外延生长出（300）取向的纯相α
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Ga2O3薄膜，且沉积速率为395nm/h，纯相α
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Ga2O3薄膜的粗糙度为1.79nm；或，当磁控溅射的衬底温度为700℃、蓝宝石的（012）面作为衬底时，蓝宝石衬底上外延生长出（012）取向的纯相α
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Ga2O3薄膜，且沉积速率为171nm/h，纯相α
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Ga2O3薄膜的粗糙度为2.67nm。6.根据权利要求1所述的一种蓝宝石衬底生...

【专利技术属性】
技术研发人员：孟冬冬，葛坤鹏，陈旭，陈政委，赵德刚，
申请(专利权)人：北京铭镓半导体有限公司，
类型：发明
国别省市：