一种等离子体热氧化制备氧化镓薄膜的方法技术

一种等离子体热氧化制备氧化镓薄膜的方法，将氮化镓薄膜转移到等离子体增强化学气相沉积装置内，并放置在管式炉加热区中间位置，启动机械泵将管式炉内抽真空，维持管式炉内压强在10～30Pa，之后将管式炉的温度升高到800～900℃；向管式炉内同时输入氩气和氧气，当管式炉内压强稳定在20～100Pa时，打开射频电源产生等离子体，在管式炉内放电稳定后停止通入氩气；待放电再次稳定后，保持管式炉内温度不变，进行热氧化处理；关闭射频电源，停止通入氧气，保持机械泵工作的同时，使管式炉自然冷却到室温。本发明专利技术实现快速、高质量的氧化镓薄膜制备。制备。制备。

【技术实现步骤摘要】
一种等离子体热氧化制备氧化镓薄膜的方法


[0001]本专利技术涉及半导体材料
，尤其涉及一种等离子体热氧化制备氧化镓薄膜的方法。

技术介绍

[0002]由于硅本身的禁带宽度、击穿场强等电学性能限制，经过几十年的技术发展，硅基器件已经显示出不能完全满足产业界对电子器件的需求的颓势。目前第三代半导体，即宽禁带半导体，如氮化镓、碳化硅、金刚石、氧化镓等已经逐渐进入研究者及工业界的兴趣范围内。其中氧化镓禁带宽度为4.9～5.1eV，仅次于金刚石，并且在可见光波段有极高的透过率，在日盲紫外波段有光响应。氧化镓(Ga2O3)主要有五种晶胞结构，分别被命名为α、β、γ、δ、ε，其中β
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Ga2O3最稳定，对其研究也最广，下文中的氧化镓均指β
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Ga2O3。极高的击穿场强、较高的载流子迁移率、良好的热稳定性使氧化镓在制作高功率、高压器件和紫外波段探测方面有很大应用潜力，有望成为继碳化硅、氮化镓等宽禁带半导体之后更有应用前景的半导体材料。
[0003]目前制备氧化镓薄膜的方法主要为从单晶机械剥离、磁控溅射、原子层沉积、金属有机化学气相沉积、脉冲激光沉积、卤化物气相外延和分子束外延等。以上方法虽然制备的氧化镓薄膜性能优良，但设备及原材料昂贵，且部分方式不适合大规模制备。而热氧化生长氧化镓的方法，即在高温下使氮化镓、砷化镓薄膜氧化，价格低廉、适合大规模生长，但制备的薄膜性能没有优势，结晶度低、薄膜中通常有原料晶粒残余，所需温度大于等于900℃且所需氧化时间长，长时间加热耗能大。
专利
技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于解决现有技术中的上述问题，提供一种等离子体热氧化制备氧化镓薄膜的方法，实现利用连续的等离子体放电方法使得氮化镓薄膜在氧气与氩气的气氛条件下，生长出氧化镓薄膜材料。
[0005]为达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0006]一种等离子体热氧化制备氧化镓薄膜的方法，包括以下步骤：
[0007](1)使用以c面蓝宝石为衬底生长的氮化镓薄膜；
[0008](2)使用HCl水溶液对氮化镓进行清洗，之后使用丙酮、无水乙醇、去离子水依次超声波清洗；
[0009](3)将氮化镓薄膜转移到等离子体增强化学气相沉积装置内，并放置在管式炉加热区中间位置，启动机械泵将管式炉内抽真空，维持管式炉内压强在10～30Pa，之后将管式炉的温度升高到800～900℃；
[0010](4)向管式炉内同时输入氩气和氧气，当管式炉内压强稳定在20～100Pa，打开射频电源产生等离子体，在管式炉内放电稳定后停止通入氩气；待放电再次稳定后，保持管式炉内温度不变，进行热氧化处理；
[0011](5)关闭射频电源，停止通入氧气，保持机械泵工作的同时，使管式炉自然冷却到室温。
[0012]所述步骤4中，控制步骤(4)中的热氧化时间和气体通量，可以根据要求获得氧化镓薄膜的厚度。
[0013]所述步骤(4)中，热氧化处理的时间为60～300min。
[0014]所述步骤(4)中，氧气流量为20～60sccm，氩气流量为2～10sccm。
[0015]所述步骤(4)中，放电电流在2.0～3.5A。
[0016]所述步骤(1)中，氮化镓薄膜通过金属有机化学气相沉积方法制备，厚度为700～900nm。
[0017]所述步骤(2)中，HCl水溶液的体积配比为HCl:H2O＝1:1。
[0018]所述等离子体增强化学气相沉积装置包括管式炉、加热系统、真空系统、气体流量控制系统和等离子体发生系统；所述管式炉的一侧接气体流量控制系统，另一侧接真空系统；所述等离子体发生系统由两个安装在管式炉两端的金属电极棒和射频电源组成；所述气体流量控制系统用于控制气体流入管式炉的流量；所述加热系统设于管式炉外周，用于对于管式炉加热。
[0019]所述管式炉采用石英材质。
[0020]所述真空系统由一级机械泵组成，可将管式炉内抽至真空度20Pa以下。
[0021]相对于现有技术，本专利技术技术方案取得的有益效果是：
[0022]1、本专利技术使用低温等离子体技术加速氧化镓生长。等离子体使得反应快速进行，与传统的热氧化法相比，可以降低反应温度和减少制备时间。
[0023]2、本专利技术所制备氧化镓薄膜拥有更优越的结晶质量。等离子体拥有更高的反应活性，制备的氧化镓薄膜粗糙度更低、晶粒尺寸更大且结晶均匀。
[0024]3、本专利技术使用的设备单一，设备造价低，操作简单，且产品质量更好。
附图说明
[0025]图1为本专利技术等离子体增强化学气相沉积装置的结构示意图；
[0026]图2为实施例1制备的氧化镓薄膜截面扫描电子显微镜图；
[0027]图3为对比例1制备的氧化镓薄膜截面扫描电子显微镜图；
[0028]图4为实施例1和对比例1制备的氧化镓薄膜X射线衍射图；
[0029]图5为实施例1和对比例1制备的氧化镓薄膜原子力显微镜图；
[0030]图6为实施例2制备的氧化镓薄膜截面扫描电子显微镜图；
[0031]图7为实施例3制备的氧化镓薄膜截面扫描电子显微镜图。
具体实施方式
[0032]为了使本专利技术所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚、明白，以下结合附图和实施例，对本专利技术做进一步详细说明。
[0033]如图1所示，本专利技术所述等离子体增强化学气相沉积装置包括石英材质的管式炉、加热炉、真空泵、气体流量控制系统和等离子体发生系统；
[0034]所述管式炉的一侧设有进气管接气体流量控制系统，用于控制氧气和氩气流入管
式炉的流量，管式炉的另一侧接真空泵将废气排出；所述等离子体发生系统由两个安装在管式炉两端的金属电极和射频电源组成；所述加热炉设于管式炉外周，用于对于管式炉加热；氮化镓
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蓝宝石衬底放置在石英舟内，石英舟置于管式炉的中央。具体地，所述真空泵采用一级机械泵，可将管式炉内抽至真空度20Pa以下。
[0035]一种等离子体热氧化制备氧化镓薄膜的方法，包括以下步骤：
[0036](1)使用以c面蓝宝石为衬底生长的氮化镓薄膜；氮化镓薄膜通过金属有机化学气相沉积方法制备，厚度为700～900nm；
[0037](2)使用HCl水溶液对氮化镓进行清洗，之后使用丙酮、无水乙醇、去离子水依次超声波清洗；HCl水溶液的体积配比为HCl:H2O＝1:1；
[0038](3)将氮化镓薄膜转移到等离子体增强化学气相沉积装置内，并放置在管式炉加热区中间位置，启动机械泵将管式炉内抽真空，维持管式炉内压强在10～30Pa，之后将管式炉的温度升高到800～900℃；管式炉升温速度可为10～20℃/min；
[0039](4)向管式炉内同时输入氩气和氧气，当管式炉内压强稳定在20～100Pa，打开射频电源产生等离子体，在管式炉内放电稳定后停止通入氩气；待放电再次稳定后，保持管式炉内温度不变，进行热氧化处本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种等离子体热氧化制备氧化镓薄膜的方法，其特征在于包括以下步骤：(1)使用以c面蓝宝石为衬底生长的氮化镓薄膜；(2)使用HCl水溶液对氮化镓进行清洗，之后使用丙酮、无水乙醇、去离子水依次超声波清洗；(3)将氮化镓薄膜转移到等离子体增强化学气相沉积装置内，并放置在管式炉加热区中间位置，启动机械泵将管式炉内抽真空，维持管式炉内压强在10～30Pa，之后将管式炉的温度升高到800～900℃；(4)向管式炉内同时输入氩气和氧气，当管式炉内压强稳定在20～100Pa，打开射频电源产生等离子体，在管式炉内放电稳定后停止通入氩气；待放电再次稳定后，保持管式炉内温度不变，进行热氧化处理；(5)关闭射频电源，停止通入氧气，保持机械泵工作的同时，使管式炉自然冷却到室温。2.根据权利要求1所述的一种等离子体热氧化制备氧化镓薄膜的方法，其特征在于：控制步骤(4)中的热氧化时间和气体通量，可以根据要求获得氧化镓薄膜的厚度。3.根据权利要求1所述的一种等离子体热氧化制备氧化镓薄膜的方法，其特征在于：所述步骤(4)中，热氧化处理的时间为60～300min。4.根据权利要求1所述的一种等离子体热氧化制备氧化镓薄膜的方法，其特征在于：所述步骤(4)中，氧气流量为20～60sccm，氩气流量为2～10sc...

【专利技术属性】
技术研发人员：程其进，肖博翰，苏童，艾子康，沈禹衡，
申请(专利权)人：厦门大学，
类型：发明
国别省市：