一种氧化物缓冲层的外延结构及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种氧化物缓冲层的外延结构及其制备方法，所述外延结构由下至上依次包括衬底层、非晶三元氧化物缓冲层和氧化镓结晶层；所述非晶三元氧化物缓冲层的化学结构为(Al

【技术实现步骤摘要】
一种氧化物缓冲层的外延结构及其制备方法


[0001]本专利技术属于射频技术半导体材料领域，尤其涉及一种氧化物缓冲层的外延结构及其制备方法。

技术介绍

[0002]作为一种超宽禁带半导体材料，氧化镓被期待在高功率应用中有比传统半导体材料如硅、碳化硅、氮化镓等更好的应用。但氧化镓超低的电子迁移率尤其阻止了其在功率射频领域的相关应用。
[0003]2018年C.Sung等人开发了一种异质界面可调二维电子气的极性ε
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Ga2O3的外延技术(参见“Epitaxial engineering of polarε
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Ga2O
3 for tunable two
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dimensional electron gas at the heterointerface”，Applied Physics Letters第112卷第162101期)，随后2018年T.Daisuke等人开发了一种2020年L.Stefano等人开发了一种用于新型高电子迁移率晶体管的GaN/Ga2O3和Ga2O3/GaN异质结构的外延生长方法(参见“Epitaxial Growth of GaN/Ga2O
3 and Ga2O3/GaN Heterostructures for Novel High Electron Mobility Transistors”，Journal of Crystal Growth第534卷第125511期)，以上研究成果表明，氧化镓的ε/κ相型态具备制作高电子浓度的二维电子气的能力，具备应用在射频领域的可能。
[0004]CN1024156721A陶瓷衬底的正装结构的氮化镓基芯片包括陶瓷衬底、缓冲层和氮化镓基外延层，陶瓷衬底包括，氮化铝陶瓷衬底、氧化铝陶瓷衬底、碳化硅陶瓷衬底、氮化硼陶瓷衬底、氧化锆陶瓷衬底、氧化镁陶瓷衬底。缓冲层的结构包括，低温氮化铝层、成份分层结构、高温氮化铝层、中间媒介层、它们的组合。成份分层结构包括，氮化镓
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铝镓氮
‑
氮化铝(Al
x
Ga1‑
x
N)，其中0≤x≤1，中间媒介层有单层或多层结构，中间媒介层包括，金属元素铝、钛、钒、铬、钪、锆、铪、钨、铊、镉、铟、金、上述金属元素的组合、上述金属元素的合金、上述金属的氮化物；所述氮化镓基芯片采用氮化镓
‑
铝镓氮
‑
氮化铝多层结构，电子传输能力尚有提升空间。
[0005]CN109860023A公开了一种氮化镓晶体管及其制造方法，所述方法包括：提供衬底；在所述衬底上形成成核层；以及在所述成核层上形成外延层，所述外延层用于形成晶体管，其中，所述外延层为II
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V族化合物层，所述成核层通过氩离子溅射高温气相沉积工艺形成，并且包含与所述外延层相同的第一元素，所述氮化镓晶体管采用包含与外延层相应元素的成核层提高晶体管的可靠性和良率；但是所述晶体管中仅含有氮化镓，电子迁移效率有待提高。
[0006]因此，需要研究一种新的高质量氧化物缓冲层结构的薄膜的生长方法，以有效消除应力，得到高质量ε/κ
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Ga2O3薄膜。

技术实现思路

[0007]针对现有技术存在的薄膜的表面应力无法消除，影响半导体材料质量等问题，本
专利技术提出了一种氧化物缓冲层的外延结构及其制备方法，通过一种缓冲层结构，控制工艺生长参数，获得高质量的ε/κ
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Ga2O3结晶薄膜。
[0008]为达此目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0009]第一方面，本专利技术提供了一种氧化物缓冲层的外延结构，所述外延结构由下至上依次包括衬底层、非晶三元氧化物缓冲层和氧化镓结晶层；所述非晶三元氧化物缓冲层的整体化学结构为(Al
x
Ga1‑
x
)2O3，其中0＜x＜1。
[0010]一般在电子功率元器件中所采用的半导体材料通常为单晶，或在某一晶向上有单一取向的晶体，如此可以避免晶界带来的各向异性等其他材料物性方面的不同。ε/κ
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Ga2O3由于是属于近似六方结构的正交晶系结晶体，且没有同质衬底，与异质衬底之间存在着较大差异的晶格失配和对称性的不同，导致其容易产生各种不同方向的晶筹。但是至今不易得到结晶质量高的ε/κ
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Ga2O3薄膜材料；同时，ε/κ相氧化镓是Ga2O3的亚稳态，但稳定性与其最稳定的β相接近，在特定生长条件窗口外，ε/κ
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Ga2O3结晶薄膜中经常混入β
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Ga2O3结晶，但是至今难以使ε/κ
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Ga2O3结晶薄膜不受工艺条件影响而重复性良好地生长。本专利技术提供一种三元氧化物缓冲层外延结构，调节上述晶格失配问题，从而能够实现质量好，长速快，可重复性高的结构及其制备方法。
[0011]优选地，所述非晶三元氧化物缓冲层的厚度为100
‑
50000nm，例如可以是100nm、200nm、500nm、800nm、1000nm、2000nm、5000nm、8000nm或10000nm，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
[0012]优选地，所述氧化镓结晶层的厚度为1
‑
10μm，例如可以是1μm、2μm、3μm、5μm、8μm、9μm或10μm，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
[0013]优选地，所述衬底层的厚度为400
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800μm，例如可以是400μm、500μm、600μm、700μm或800μm，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
[0014]优选地，所述衬底层包括蓝宝石衬底、碳化硅衬底、氮化镓衬底或硅衬底中的任意一种或至少两种的组合，其中典型但非限制性的组合为蓝宝石衬底和碳化硅衬底的组合、蓝宝石衬底和硅衬底的组合、蓝宝石衬底和氮化镓衬底的组合、氮化镓衬底和碳化硅衬底的组合等，但并不仅限于所列举的组合，该范围内其他未列举的组合同样适用，优选为蓝宝石衬底、碳化硅衬底和氮化镓衬底。
[0015]优选地，所述氧化镓结晶层中包括ε相氧化镓和/或κ相氧化镓。
[0016]优选地，所述氧化镓结晶层中氧化镓的晶体结构包括六方晶体结构和/或近似六方的正交相晶体结构。
[0017]优选地，所述氧化镓结晶层中的氧化镓晶体具有同一晶体取向。
[0018]优选地，所述非晶三元氧化物缓冲层为铝组分由高到低渐变的单层结构或由高铝组分层和低铝组分层组成的多层结构。
[0019]优选地，所述单层结构的结构式为(Al
x
Ga1‑
x
)2O3，铝组分沿垂直生长方向由1渐变为x，其中x为0
‑
0.1，例如可以是0、0.01、0.02、0.05、0.08或0.1，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种氧化物缓冲层的外延结构，其特征在于，所述外延结构由下至上依次包括衬底层、非晶三元氧化物缓冲层和氧化镓结晶层；所述非晶三元氧化物缓冲层的整体化学结构为(Al
x
Ga1‑
x
)2O3，其中0＜x＜1。2.根据权利要求1所述的氧化物缓冲层的外延结构，其特征在于，所述非晶三元氧化物缓冲层的厚度为100
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50000nm；优选地，所述氧化镓结晶层的厚度为1
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10μm；优选地，所述衬底层的厚度为400
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800μm；优选地，所述衬底层包括蓝宝石衬底、碳化硅衬底、氮化镓衬底或硅衬底中的任意一种或至少两种的组合，优选为蓝宝石衬底、碳化硅衬底和氮化镓衬底；优选地，所述氧化镓结晶层中包括ε相氧化镓和/或κ相氧化镓；优选地，所述氧化镓结晶层中氧化镓的晶体结构包括六方晶体结构和/或近似六方的正交相晶体结构；优选地，所述氧化镓结晶层中的氧化镓晶体具有同一晶体取向；优选地，所述非晶三元氧化物缓冲层为铝组分由高到低渐变的单层结构或由高铝组分层和低铝组分层组成的多层结构。优选地，所述单层结构的结构式为(Al
x
Ga1‑
x
)2O3，铝组分沿垂直生长方向由1渐变为x，其中x为0
‑
0.1；优选地，所述多层结构包括至少两种周期层交替形成的多缓冲层结构，每个缓冲层由至少两个周期层组成，每个周期层由一层高铝组分层和一层低铝组分层组成；优选地，所述高铝组分层的厚度为100
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1000nm；优选地，所述低铝组分层的厚度为1
‑
100nm；优选地，所述高铝组分层的结构式为(Al
x
Ga1‑
x
)2O3，其中x为0.3
‑
0.8；优选地，所述低铝组分层的结构式为(Al
x
Ga1‑
x
)2O3，其中x为0
‑
0.2；优选地，所述周期层的个数为2
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100；优选地，单个所述缓冲层中周期层的个数为2
‑
20。3.一种根据权利要求1或2所述的氧化物缓冲层的外延结构的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：在衬底上依次使用有机金属源材料与含氧气体制备整体化学结构为(Al
x
Ga1‑
x
)2O3，其中0＜x＜1的非晶三元氧化物缓冲层，再形成氧化镓结晶层，得到所述外延结构。4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述衬底包括蓝宝石衬底、碳化硅衬底、氮化镓衬底或硅衬底中的任意一种，优选为蓝宝石衬底、碳化硅衬底或氮化镓衬底中的任意一种；优选地，所述有机金属源材料包括三甲基铝、三乙基铝、三甲基镓或三乙基镓中的任意一种或至少两种的组合；优选地，所述含氧气体包括氧气、水或一氧化二氮中的任意一种或至少两种的组合，优选为氧气。5.根据权利要求3或4所述的制备方法，其特征在于，所述制备非晶三元氧化物缓冲层的方法包括化学沉积方法和/或物理沉积方法，优选为化学沉积方法；优选地，所述化学沉积方法包括化学气相沉积法；
优选地，所述物理沉积方法包括磁控溅射法或脉冲激光沉积法。6.根据权利要求3
‑
5任一项所述的制备方法，其特征在于，所述化学气相沉积法包括以下步骤：(1)衬底在化学气相沉淀反应腔内升温升压至第一生长温度和第一生长压力，通入三甲基铝和三乙基镓，进行非晶三元氧化物缓冲层生长，然后停止通入三甲基铝和三乙基镓，在含氧气体气氛下升温至退火温度；(2)降温至第二生长温度和第二生长压力后通入三甲基镓和/或三乙基镓，与含氧气体进行氧化镓结晶层生长，然后停止通入三甲基镓和/或三乙基镓，在含氧气体保护下冷却至室温，得到所述外延结构。7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述衬底先进行预处理；优选地，所述预处理包括化学预处理或物理预处理；优选地，所述化学预处理包括衬底在升温升压后，在化学气相沉淀反应腔内通入三甲基铝；优选地，所述化学预处理中通入三甲基铝的时间为0.16
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0.25min；优选地，所述物理预处理包括衬底在升温升压前进行磁控溅射；优选地，所述磁控溅射包括衬底在磁控溅射反应腔内溅射铝或氧化铝靶材后，再共溅射铝与氧化镓靶材；优选地，所述溅射铝靶材的时间为0.2
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0.4min；优选地，所述共溅射的厚度为0.15
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0....

【专利技术属性】
技术研发人员：张楚昂，
申请(专利权)人：北京航天广通科技有限公司分公司，
类型：发明
国别省市：