一种在导电型氧化镓衬底上制备同质外延氧化镓薄膜的方法及HVPE设备技术

本发明专利技术提供了一种在导电型氧化镓衬底上制备同质外延氧化镓薄膜的方法及HVPE设备，所述HVPE设备包括HVPE反应室、设置在所述HVPE反应室内的石墨托盘，以及设置在所述石墨托盘上的导电型氧化镓衬底，其中，所述导电型氧化镓衬底的上方对应设置有激光器，所述激光器发出的激光波长为1800

【技术实现步骤摘要】
一种在导电型氧化镓衬底上制备同质外延氧化镓薄膜的方法及HVPE设备


[0001]本专利技术涉及氧化镓薄膜制备
，尤其涉及一种在导电型氧化镓衬底上制备同质外延氧化镓薄膜的方法及HVPE设备。
技术背景
[0002]氧化镓(Ga2O3)作为新兴的第三代宽禁带半导体，具有超宽禁带、高击穿场强等优点。它是一种透明的氧化物半导体材料，由于其优异的物理化学特性、良好的导电型以及发光性能，在功率半导体器件、紫外探测器、气体传感器以及光电子器件领域具有广阔的应用前景。氧化镓有5种晶体结构，分别为斜方六面体(α)、单斜晶系(β)、缺陷尖晶石(γ)、立方体(δ)以及正交晶体(ε)。β
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Ga2O3因为高温下的稳定性，所以逐渐成为近几年来国内外的研究热点，不特殊说明，下面所提到的氧化镓均指的是β
‑
Ga2O3。
[0003]氧化镓主要有以下优点：(1)禁带宽度为4.8～4.9eV，击穿场强高达8MV/cm。巴利加优值是半导体领域的低损失性能指标，而氧化镓的巴利加优值高达3400，大约是SiC的10倍、GaN的4倍。因此，在制造相同耐压的单极功率器件时，元件的导通电阻比SiC、GaN低得多，极大降低器件的导通损耗；(2)可以利用区熔法(Fz)、直拉法(Cz)、导模法(EFG)等熔融法来生长大尺寸、高质量的氧化镓单晶衬底材料，可以从大块单晶中得到氧化镓晶片。相比较SiC和GaN生长技术，更容易获得高质量、低成本的单晶材料；(3)在氧化镓的外延方法中，卤化物气相外延(HVPE)法具有生长速度快、生长薄膜较厚、成本较低等优势。因此，可以利用HVPE设备，在导电型氧化镓衬底上同质外延一层数十微米厚的弱导电型氧化镓薄膜，用于制备高性能的垂直型肖特基二极管(SBD)器件。
[0004]在氧化镓的外延方法中，HVPE技术在生长速度、薄膜厚度、薄膜质量、原位检测和生长成本等方面的综合性能较好，最适合未来的工业化量产。其中对于薄膜的均匀性而言，垂直式HVPE反应器优于水平式，而被广泛使用。针对现有的垂直式HVPE技术特点，在使用垂直式HVPE设备制备氧化镓同质外延薄膜的过程中，期望使氧化镓衬底维持在一个适合生长氧化镓薄膜的均匀的高温状态。现有技术中，有两种方法可以实现氧化镓衬底的加热：(1)通过分布在石英管侧壁的电阻丝，将热量传递给石墨托盘，进而加热石墨托盘上的氧化镓衬底；(2)通过布置在石英管外侧的射频感应线圈，快速加热石英管内部的石墨托盘，进而将热量传递给石墨托盘上的氧化镓衬底。然而，在方法(1)中，由于加热丝的布置使得热量从外壁向反应室内扩散时的温度递减，导致石墨托盘的径向受热是不均匀的，石墨托盘上的衬底自然也受热不均匀；在方法(2)中，由于射频加热具有集肤效应，且在被加热物料的边角处具有集中加热效应，所以在加热石墨托盘的过程中，石墨托盘的受热也是不均匀的，衬底自然也受热不均匀，严重影响制备出来的外延片的质量和厚度均匀性，甚至导致外延层的开裂。
[0005]因此，现有技术还有待于改进和发展。

技术实现思路

[0006]鉴于上述现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种在导电型氧化镓衬底上制备同质外延氧化镓薄膜的方法及HVPE设备，旨在解决现有技术在导电型氧化镓衬底上制备的氧化镓外延片质量及厚度均匀性较差的问题。
[0007]本专利技术的技术方案如下：
[0008]一种在导电型氧化镓衬底上制备同质外延氧化镓薄膜的HVPE设备，包括HVPE反应室、设置在所述HVPE反应室内的石墨托盘，以及设置在所述石墨托盘上的导电型氧化镓衬底，其中，所述导电型氧化镓衬底的上方对应设置有激光器，所述激光器发出的激光波长为1800
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2200nm，且所述激光器发出的激光光斑覆盖对应导电型氧化镓衬底的整个顶部。
[0009]所述在导电型氧化镓衬底上制备同质外延氧化镓薄膜的HVPE设备，其中，所述石墨托盘上设置至少一个导电型氧化镓衬底，每个导电型氧化镓衬底的上方均对应设置有一个激光器。
[0010]所述在导电型氧化镓衬底上制备同质外延氧化镓薄膜的HVPE设备，其中，所述激光器上设置有扩束器。
[0011]一种基于HVPE设备在导电型氧化镓衬底上制备同质外延氧化镓薄膜的方法，其中，包括步骤：
[0012]将导电型氧化镓衬底放入到石墨托盘上，关闭HVPE反应室；
[0013]打开激光器使导电型氧化镓衬底温度升高至高于外延氧化镓薄膜生长温度20
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200℃，进行30
‑
300min的热处理；
[0014]调节激光器功率将导电型氧化镓衬底温度降至500
‑
1300℃的外延薄膜生长温度；
[0015]利用惰性气体将含Cl气体流过金属Ga，在300
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1000℃下产生GaCl作为镓源，然后输送到所述HVPE反应室；
[0016]利用惰性气体将n型掺杂源输送到所述HVPE反应室中；
[0017]最后利用惰性气体将氧源输送到所述HVPE反应室中，在所述导电型氧化镓衬底上生成同质外延弱导电型氧化镓薄膜。
[0018]所述在导电型氧化镓衬底上制备同质外延氧化镓薄膜的方法，其中，所述惰性气体为氮气、氦气和氩气中的一种或多种。
[0019]所述在导电型氧化镓衬底上制备同质外延氧化镓薄膜的方法，其中，利用惰性气体将含Cl气体流过金属Ga的步骤中，惰性气体的流量为100
‑
1000sccm，含Cl气体的流量为50
‑
500sccm。
[0020]所述在导电型氧化镓衬底上制备同质外延氧化镓薄膜的方法，其中，所述n型掺杂源为SiCl4或SnCl4。
[0021]所述在导电型氧化镓衬底上制备同质外延氧化镓薄膜的方法，其中，在所述导电型氧化镓衬底上生成同质外延弱导电型氧化镓薄膜的过程中，根据厚度监测系统，实时反馈同质外延弱导电型氧化镓薄膜的生长速度和厚度，调节镓源、n型掺杂源和氧源流量，使同质外延弱导电型氧化镓薄膜的生长速度控制在1
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10微米/小时。
[0022]所述在导电型氧化镓衬底上制备同质外延氧化镓薄膜的方法，其中，还包括步骤：
[0023]当同质外延弱导电型氧化镓薄膜的厚度达到20
‑
80微米时，依次切断氧源、n型掺杂源和镓源的供应，控制导电型氧化镓衬底以20
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200℃/小时的降温速率冷却至室温后取
样，关闭激光器。
[0024]有益效果：本专利技术提供了一种在导电型氧化镓衬底上制备同质外延氧化镓薄膜的方法及HVPE设备，所述导电型氧化镓衬底的上方对应设置有激光器，所述激光器发出的激光波长为1800
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2200nm，且所述激光器发出的激光光斑覆盖对应导电型氧化镓衬底的整个顶部。本专利技术通过所述激光器以激光加热的方法直接加热HVPE反应室内的导电型氧化镓衬底，使导电型氧化镓衬底均匀受热，制备出高质量、厚度均匀的弱导电型氧化镓同质本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种在导电型氧化镓衬底上制备同质外延氧化镓薄膜的HVPE设备，包括HVPE反应室、设置在所述HVPE反应室内的石墨托盘，以及设置在所述石墨托盘上的导电型氧化镓衬底，其特征在于，所述导电型氧化镓衬底的上方对应设置有激光器，所述激光器发出的激光波长为1800
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2200nm，且所述激光器发出的激光光斑覆盖对应导电型氧化镓衬底的整个顶部。2.根据权利要求1所述在导电型氧化镓衬底上制备同质外延氧化镓薄膜的HVPE设备，其特征在于，所述石墨托盘上设置至少一个导电型氧化镓衬底，每个导电型氧化镓衬底的上方均对应设置有一个激光器。3.根据权利要求1所述在导电型氧化镓衬底上制备同质外延氧化镓薄膜的HVPE设备，其特征在于，所述激光器上设置有扩束器。4.一种基于权利要求1
‑
3任一所述HVPE设备在导电型氧化镓衬底上制备同质外延氧化镓薄膜的方法，其特征在于，包括步骤：将导电型氧化镓衬底放入到石墨托盘上，关闭HVPE反应室；打开激光器使导电型氧化镓衬底温度升高至高于外延氧化镓薄膜生长温度20
‑
200℃，进行30
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300min的热处理；调节激光器功率将导电型氧化镓衬底温度降至500
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1300℃的外延薄膜生长温度；利用惰性气体将含Cl气体流过金属Ga，在300
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1000℃下产生GaCl作为镓源，然后输送到所述HVPE反应室；利用惰性气体将n型掺杂源输送到所述HVP...

【专利技术属性】
技术研发人员：齐红基，陈端阳，赛青林，
申请(专利权)人：杭州富加镓业科技有限公司，
类型：发明
国别省市：