一种基于光波导效应的氧化镓薄膜及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种基于光波导效应的氧化镓薄膜及其制备方法，该制备方法通过限定薄膜中晶体的形态来提升氧化镓薄膜在特定入射光频段透射率的方法。包括如下步骤：第一步，采用磁控溅射的射频模式，保持本底真空、工作压力、溅射功率、时长、气氛工艺参数为特定值，利用薄膜结构与溅射温度之间的强烈依赖关系，设定最优溅射温度，溅射制备出截面有明显纳米柱结构的氧化镓薄膜。的氧化镓薄膜。的氧化镓薄膜。

【技术实现步骤摘要】
一种基于光波导效应的氧化镓薄膜及其制备方法


[0001]本专利技术属于半导体
，具体涉及一种基于光波导效应的氧化镓薄膜及其制备方法。

技术介绍

[0002]氧化镓(Ga2O3)因具有超大禁带宽度(4.9eV)、高化学稳定性和物理稳定性而正得到极广泛的讨论和研究。Ga2O3对应的吸收波长为253nm，在可见光波段有良好透光性，因此，应用Ga2O3薄膜作为发光二极管顶层的高透光钝化层，具有突出的产业化潜能。
[0003]制备高质量Ga2O3薄膜主要可采用化学气相沉积(CVD)、激光脉冲沉积(PLD)、分子束外延(MBE)、金属有机物化学气相外延(MOCVD)和磁控溅射(MS)等方法。在沉积氧化物薄膜的不同制备方法中，磁控溅射技术成熟、速度快、成本低、无污染，且适用于大面积成膜制备，是工业过程首选方法之一。溅射沉积的Ga2O3薄膜为非晶态，现有技术的核心思路是：溅射之后，须再经由退火工艺，力求找到较佳的退火温度、退火时间、退火气氛，目的在于将非晶态氧化镓薄膜最大程度地转化为单晶β
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Ga2O3薄膜，以增大其透射率。而由非晶至单晶的转变通常需要高温800℃～1100℃，且需要退火保持高温的时间一般为60分钟至90分钟。高温有利于氧化镓由非晶转化为单晶，但与之相矛盾的另一个同时发生的变化是：长时间的高温又使得氧化镓里面的氧原子丢失，导致薄膜中氧空位增加，致使对应薄膜光学穿透率下降。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种基于光波导效应的氧化镓薄膜及其制备方法，以解决现有技术中氧化镓薄膜制备过程中由于长时间高温易于使得薄膜光学穿透率下降的问题。本专利技术基于射频磁控溅射系统，利用氧化镓薄膜在温度调制作用下的“成膜化”过程中所堆叠成的纳米柱结构，对于长波、中波紫外线(uv
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a、uv
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b)和蓝光波段的入射光产生了光波导效应，以此来获得更高的光透射率。溅射制备后，再配合快速热退火工艺参数的调整，对于氧化镓纳米柱光波导结构进行固化和优化，实现进一步提升透光性的目标。
[0005]为达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案予以实现：
[0006]一种基于光波导效应的氧化镓薄膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0007]步骤1，通过磁控溅射方法在衬底上制备氧化镓过程薄膜，磁控溅射过程中溅射温度为200～400℃；溅射过程中使用氩气和氧气的混合气体作为工作气氛；
[0008]步骤2，将制备出的氧化镓过程薄膜进行退火处理，退火温度为100～200℃，退火时间为2s～30s，退火气氛为氮气和一氧化二氮混合气，退火后制得氧化镓薄膜；所述氧化镓薄膜由二维排列的纳米柱组成。
[0009]本专利技术的进一步改进在于：
[0010]优选的，步骤1中，磁控溅射前对衬底依次通过水、丙酮、水、无水乙醇和水进行超
声波清洗；所述衬底位为双抛(0001)面蓝宝石衬底。
[0011]优选的，步骤1中，磁控溅射温度为350℃。
[0012]优选的，步骤1中，磁控溅射工作压力为0.8Pa，溅射时长为20min；磁控溅射的功率为200W。
[0013]优选的，步骤1中，溅射的工作气氛中，氧气含量的体积占比为2.5％，其余为氩气。
[0014]优选的，所述退火温度为140℃，退火时间为3～5s。
[0015]优选的，步骤2中，退火气氛中氮气体积占比为95％，一氧化二氮体积占比为5％。
[0016]一种通过上述任意一项制备方法制得的基于光波导效应的氧化镓薄膜，所述氧化镓薄膜由二维排列的纳米柱组成，所述纳米柱的长度方向垂直于二维排列平面。
[0017]优选的，所述氧化镓薄膜的厚度为237～257nm。
[0018]优选的，所述氧化镓薄膜在400nm～500nm蓝光波段范围内的平均光透射率＞97％。
[0019]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：
[0020]本专利技术提供了一种基于光波导效应的氧化镓薄膜的制备方法，该制备方法通过限定薄膜中晶体的形态来提升氧化镓薄膜在特定入射光频段透射率的方法。包括如下步骤：第一步，采用磁控溅射的射频模式，保持本底真空、工作压力、溅射功率、时长、气氛工艺参数为特定值，利用薄膜结构与溅射温度之间的强烈依赖关系，设定最优溅射温度，溅射制备出截面有明显纳米柱结构的氧化镓薄膜。第二步，再经由退火处理步骤：使用快速热处理炉对制备好的截面有纳米柱结构的氧化镓薄膜进行快速热退火处理，使得纳米柱结构更紧实固化，退火后得到最终的高透光氧化镓薄膜。本专利技术利用氧化镓“成膜化”之前出现的纳米柱结构，用最利于纳米柱结构生长的温度进行溅射，再采用快速热退火对纳米柱进行固化和优化，提升纳米柱腔内对于特定入射光的光波导效应，实现了对特定入射光的高透射率的氧化镓薄膜的制备。本专利技术的工艺实现方法简易、稳定。还可通过改变退火参数(温度、时间、气氛)来调整对于入射光的高透射频段，具备灵活性。
[0021]本专利技术不以生成单晶氧化镓薄膜来作为提升透光率的手段，而是创新地利用在射频溅射过程中氧化镓薄膜结构变化与溅射温度之间的强烈关系，基于特定溅射温度下，在氧化镓“成膜化”过程中，由氧化镓颗粒纵向堆叠所形成的“纳米柱”结构对于特定波段入射光产生光波导效应来实现增强特定频段入射光的透射率的目的。溅射之后，再有目的地在结合快速热退火，仅保需几十秒的较低温度，并非实现由非晶向单晶的转化，而是将溅射生成的氧化镓纳米柱结构进行固化和优化，使得柱结构更致密，柱腔内光波导效应更强，进一步提升对于特定波段入射光的透射率。
[0022]本专利技术还公开了一种基于光波导效应的氧化镓薄膜，该氮化镓薄膜由紧密结合的柱状晶组成，柱和柱之间结合致密，柱腔内的缺陷和悬挂键少，晶粒在纵向垒积成致密柱状，对于入射光波段为400nm～500nm的蓝光波段，透射率高。
附图说明
[0023]图1不同溅射温度下Ga2O3薄膜SEM截面形貌(快速热退火前)；
[0024]其中，(a)图为室温溅射；(b)图为100℃溅射；(c)图为200℃溅射；(d)图为250℃溅射；(e)图为300℃溅射；(f)图为350℃溅射；(g)图为400℃溅射；(h)图为500℃溅射；(i)图
为600℃溅射。
[0025]图2两种溅射温度下柱状结构在退火前和退火后变化的SEM截面形貌对比；
[0026]其中，(a)图为250℃溅射未退火；(b)图为250℃溅射并退火；(c)图为350℃溅射未退火；(d)350℃溅射并退火；
[0027]图3Ga2O3薄膜截面柱状生长变化模型分析图；
[0028]图4薄膜生长机制模型；
[0029]图5Ga2O3薄膜介质光波导模型图；
[0030]图6本专利技术的实施步骤图；
[0031]图7不同溅射温度下400nm～500nm波段Ga2O3薄膜透射率图。
具体实施方式
[0032]下面结合附图和具本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于光波导效应的氧化镓薄膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，通过磁控溅射方法在衬底上制备氧化镓过程薄膜，磁控溅射过程中溅射温度为200～400℃；溅射过程中使用氩气和氧气的混合气体作为工作气氛；步骤2，将制备出的氧化镓过程薄膜进行退火处理，退火温度为100～200℃，退火时间为2s～30s，退火气氛为氮气和一氧化二氮混合气，退火后制得氧化镓薄膜；所述氧化镓薄膜由二维排列的纳米柱组成。2.根据权利要求1所述的一种基于光波导效应的氧化镓薄膜的制备方法，其特征在于，步骤1中，磁控溅射前对衬底依次通过水、丙酮、水、无水乙醇和水进行超声波清洗；所述衬底位为双抛(0001)面蓝宝石衬底。3.根据权利要求1所述的一种基于光波导效应的氧化镓薄膜的制备方法，其特征在于，步骤1中，磁控溅射温度为350℃。4.根据权利要求1所述的一种基于光波导效应的氧化镓薄膜的制备方法，其特征在于，步骤1中，磁控溅射工作压力为0.8Pa，溅射时长为20min；磁控溅射的功率为200W。...

【专利技术属性】
技术研发人员：韦素芬，刘毅，李明逵，柴智，陈杰，黄保勋，许嘉巡，连水养，
申请(专利权)人：厦门芯矽望集成电路技术有限公司，
类型：发明
国别省市：