氧化镓外延结构及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种氧化镓外延结构及其制备方法。所述制备方法包括：提供半导体外延片，其表面的第一外延层含有Ga；在第一温度下，置入刻蚀气氛中进行刻蚀，形成微纳米结构层；在第二温度下，对半导体外延片进行H2热处理；在含氧气氛中及在第三温度下，进行退火处理；在经过上述处理的半导体外延片上生长氧化镓层。本发明专利技术提供的制备方法能够获得高质量的氧化镓外延结构；此外，对半导体外延片的要求较低，完全适用于一些表面具有一定缺陷的报废半导体外延片，能够实现衬底的二次利用，极大地降低生产成本，提高了企业产品的价格竞争力。提高了企业产品的价格竞争力。提高了企业产品的价格竞争力。

【技术实现步骤摘要】
氧化镓外延结构及其制备方法


[0001]本专利技术涉及半导体
，尤其涉及一种氧化镓外延结构及其制备方法。

技术介绍

[0002]氧化镓(Ga2O3)材料比GaN材料的禁带宽度还要大，并且具有较强的化学稳定性和热稳定性，这一特征展示出了巨大的应用潜力，被认为是未来电力电子学和光电领域应用中最具有前景的超宽带隙半导体材料之一，在耐辐射、高集成度、较大工作电压和高频率设备方面具有很广阔的应用前景，而形成高质量的氧化镓层成为其应用的关键。目前氧化镓层一般是在异质衬底上外延得到的，但是衬底和氧化镓层之间存在大的晶格失配，导致氧化镓层表面形貌差、晶粒尺寸小、位错缺陷多等特点，最终薄膜的质量较差，极大地影响半导体器件的成品率和可靠性，限制了Ga2O3材料的应用。
[0003]例如，现有技术中的常规MOCVD外延生长Ga2O3外延结构的方法中，为了提高结晶质量，需要对生长后的外延片进行MOCVD反应室之外的高温炉内的退火处理，一般需要将外延片从反应室取出、高温退火，并重复多次生长，延长了外延生长周期，消耗大量的人力和物力资源，同时外延片转移过程难免造成污染，进而影响了外延片的质量。
[0004]与此同时，GaN基第三代半导体材料禁带宽度大，具有击穿电场高、热导率高、电子饱和速率高、抗辐射能力强等优越性质，广泛应用于制备高频、高功率、耐高温的微电子器件，实现发光波长覆盖整个可见光波段的光电子器件，在航空航天军事领域以及日常照明与显示等商业领域具有巨大的应用前景。
[0005]随着半导体应用领域不断扩大，各企业纷纷扩大外延片产能和外延片研发投入的同时都会存在大量的规格外产品造成外延片报废，比如波长均匀性、表面缺陷等，尤其是目前正在广泛开发的大尺寸外延片，衬底成本所占比例越来越高，如何实现规格外的外延片回收再利用是降低外延片生产成本的关键，是各企业迫切希望解决的难题。
[0006]总结而言，现有技术中，一方面难以稳定、低成本地获得较高质量的Ga2O3外延结构，另一方面大量的GaN基外延片未得到充分利用。

技术实现思路

[0007]针对现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种氧化镓外延结构及其制备方法，利用GaN基外延片，尤其是利用规格外的GaN基外延片来获得高质量的Ga2O3外延结构。
[0008]为实现前述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案包括：
[0009]第一方面，本专利技术提供一种氧化镓外延结构的制备方法，包括：
[0010]S1、提供半导体外延片，所述半导体外延片包括衬底和生长在衬底上的第一外延层，所述第一外延层含有Ga；
[0011]S2、将所述半导体外延片置入刻蚀气氛中，在第一温度下对所述第一外延层进行刻蚀，以将所述第一外延层部分去除，并在所述半导体外延片表面形成微纳米结构层，所述微纳米结构层包括含镓微纳米颗粒；
[0012]S3、在第二温度下，对经过步骤S2处理的所述半导体外延片进行H2热处理；
[0013]S4、在含氧气氛中及在第三温度下，对经过步骤S3处理的所述半导体外延片进行退火处理；
[0014]S5、在经过步骤S4处理的所述半导体外延片上生长氧化镓层。
[0015]进一步地，步骤S1中，所述半导体外延片为报废的半导体外延片，其中的第一外延层为具有缺陷的报废外延层。本专利技术中，优选可以采用报废的半导体外延片进行氧化镓外延结构的生长，这样既可以获得高质量的氧化镓外延结构，同时又利用了报废的半导体外延片，实现了废物利用，本专利技术中，所指的缺陷是指诸如一些厚度超规格、表面形貌不良、外延层性能不达标等等影响外延层的功能的缺陷。
[0016]进一步地，步骤S2中，所述刻蚀气氛中刻蚀气体与载气的体积比在1∶100以下；所述第一温度为1050
‑
1350℃，第二温度为1070
‑
1150℃，第三温度为400
‑
600℃。本专利技术中，所使用的刻蚀气氛相比于常规的氮化镓刻蚀工艺，其刻蚀气体的含量显著更低，因此可以实现对第一外延层刻蚀后形成均匀分布且具有致密性的金属镓/外延层微纳米颗粒，为后续的氧化镓层的生长提供良好的基础。
[0017]进一步地，所述刻蚀气体包括H2，和/或，所述载气包括N2。
[0018]进一步地，步骤S3～步骤S5是在同一外延生长设备内连续进行的。
[0019]进一步地，所述制备方法还包括：
[0020]S6、在含氧气氛中及在第四温度下，对步骤S5中生长的氧化镓层进行退火处理，所述第四温度为600
‑
900℃。
[0021]进一步地，所述制备方法还包括：
[0022]在执行步骤S2之前，预先在200～300℃对所述半导体外延片进行烘烤，以至少去除所述半导体外延片表面的水氧及有机杂质。
[0023]第二方面，本专利技术还提供一种氧化镓外延结构，包括：
[0024]第一外延层，为III
‑
V族化合物半导体层，包含镓；
[0025]微纳米结构层，包括氧化镓微纳米晶粒，所述氧化镓微纳米晶粒原位形成于所述III
‑
V族化合物半导体层表面，所述氧化镓微纳米晶粒的粒径为100
‑
500nm，间距为0.5
‑
1μm；
[0026]第二外延层，包括氧化镓层，所述氧化镓层生长在所述微纳米结构层上。
[0027]进一步地，所述氧化镓外延结构还包括衬底，所述III
‑
V族化合物半导体层生长在所述衬底上。
[0028]进一步地，所述III
‑
V族化合物半导体层的材质包括氮化镓。
[0029]基于上述技术方案，与现有技术相比，本专利技术的有益效果至少包括：
[0030]本专利技术提供的氧化镓外延结构的制备方法对第一外延层刻蚀产生的微纳米结构层，其中的含镓微纳米颗粒在经过氢气热处理以及含氧气氛的退火处理后能够转化为氧化镓微纳米结构，该氧化镓微纳米结构一方面具有高粘附性、高致密性以及高均匀性，提供了优良的生长基底，另一方面能够显著提升外延生长氧化镓层时的侧向外延能力，并降低位错密度，进而能够获得高质量的氧化镓外延结构；
[0031]此外，由于微纳米结构层是刻蚀产生的，缺陷被刻蚀去除，并不影响后续的工艺，因此本专利技术提供的制备方法对半导体外延片的要求较低，完全适用于一些表面具有一定缺
陷的报废半导体外延片，能够实现衬底的二次利用，极大地降低生产成本，提高了企业产品的价格竞争力。
[0032]上述说明仅是本专利技术技术方案的概述，为了能够使本领域技术人员能够更清楚地了解本申请的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本专利技术的较佳实施例并配合详细附图说明如后。
附图说明
[0033]图1是本专利技术一典型实施案例提供的氧化镓外延结构的氧化镓外延层的表面金相显微照片；
[0034]图2是本专利技术另一典型实施案例提供的氧化镓外延结构的氧化镓外延层的表面金相显微照片本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种氧化镓外延结构的制备方法，其特征在于，包括：S1、提供半导体外延片，所述半导体外延片包括衬底和生长在衬底上的第一外延层，所述第一外延层含有Ga；S2、将所述半导体外延片置入刻蚀气氛中，在第一温度下对所述第一外延层进行刻蚀，以将所述第一外延层部分去除，并在所述半导体外延片表面形成微纳米结构层，所述微纳米结构层包括含镓微纳米颗粒；S3、在第二温度下，对经过步骤S2处理的所述半导体外延片进行H2热处理；S4、在含氧气氛中及在第三温度下，对经过步骤S3处理的所述半导体外延片进行退火处理；S5、在经过步骤S4处理的所述半导体外延片上生长氧化镓层。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述半导体外延片为报废的半导体外延片，其中的第一外延层为具有缺陷的报废外延层。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤S2中，所述刻蚀气氛中刻蚀气体与载气的体积比在1∶100以下；所述第一温度为1050
‑
1350℃，第二温度为1070
‑
1150℃，第三温度为400
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600℃。4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述刻蚀气体包括H2，和/或，所述载气包括N2。5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤S3～步骤S5是在同一外延...

【专利技术属性】
技术研发人员：闫其昂，王国斌，
申请(专利权)人：江苏第三代半导体研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：