一种提高单晶金刚石表面β-氧化镓薄膜结合力的方法技术

本发明专利技术提供了一种单晶提高金刚石表面β

【技术实现步骤摘要】
一种提高单晶金刚石表面
β
‑
氧化镓薄膜结合力的方法


[0001]本专利技术属于金刚石表面薄膜制备
，尤其涉及一种提高单晶金刚石表面β
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氧化镓薄膜结合力的方法。

技术介绍

[0002]β
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氧化镓(β
‑
Ga2O3)是一种透明的直接带隙半导体材料，禁带宽度达到了4.9eV，具有高达8MV/cm的击穿场强、较好的热稳定性和化学稳定性，从而在高频高功率器件、紫外探测器、气敏传感器等各种半导体器件中具有重要的应用前景。然而，极低的热导率(0.14W/cm
·
K)导致β
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Ga2O3器件工作过程中会产生严重的自热效应，影响器件的性能与使用寿命。
[0003]研究表明，金刚石作为一种热导率极高(不低于16W/cm
·
K)的散热衬底材料能够有效改善半导体器件的自热效应，提高器件的稳定性，并且已经在GaN等半导体材料中得到了应用。然而，晶格常数和热膨胀系数的较大差异导致了金刚石与β
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Ga2O3结合困难，目前常用的一个方法是键合工艺，即将两者表面抛光至较低粗糙度，以实现化学键之间的结合。然而，键合所带来的较高的成本和苛刻的环境要求限制了其大规模的工业应用。另一个思路是在一种材料表面异质生长另一种材料，然而，无论是金刚石生长还是β相Ga2O3的形成均超过了600℃，对于常见的薄膜制备技术如磁控溅射法在金刚石上制备β
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Ga2O3薄膜，在变温的过程中由于晶格常数和热膨胀系数的不同会导致膜基结合力较差，β
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Ga2O3薄膜与金刚石之间很容易出现裂缝甚至脱落；同时，β
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Ga2O3薄膜在多晶金刚石表面通过晶界扩散，实现较好的结合，但单晶金刚石由于无晶界等缺陷，β
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Ga2O3薄膜难以实现结合，一般会直接脱落。因此，将单晶金刚石散热衬底应用于β
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Ga2O3薄膜及器件的报道很少，相关的制备方法仍需拓展、并进行深入的实验研究。

技术实现思路

[0004]为了克服现有技术中β
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Ga2O3薄膜易从单晶金刚石表面脱落的问题，为低热导率的β
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Ga2O3薄膜及器件提供高热导的金刚石热沉的同时，通过两步水热法有效提高单晶金刚石与β
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Ga2O3之间的膜基结合力，解决两者结合时由于晶格常数和热膨胀系数的较大差异导致β
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Ga2O3薄膜与单晶金刚石分离的问题，本专利技术提出了一种提高单晶金刚石表面β
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Ga2O3薄膜结合力的方法。
[0005]为实现上述目的，本专利技术提供了一种提高单晶金刚石表面β
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Ga2O3薄膜结合力的方法，β
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Ga2O3薄膜通过两步水热法在经刻蚀的金刚石表面合成：使用等离子体刻蚀金刚石表面，将金刚石刻蚀处理的表面朝上放入第一GaOOH前驱体溶液中，进行第一次水热反应，反应结束后，将金刚石取出，放入第二GaOOH前驱体溶液中，进行第二次水热反应，反应结束后，烘干，进行退火后处理。
[0006]本专利技术使用两步水热法在单晶金刚石衬底上制备了β
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Ga2O3薄膜：单晶金刚石衬底首先通过等离子刻蚀处理表面，随后在高温水浴环境下播种，然后在合适的温度和时间下在反应釜中生长GaOOH薄膜，最后通过高温退火得到单晶金刚石衬底上的β
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Ga2O3薄膜。在此
基础上，通过掩膜/光刻等工艺进一步制备β
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Ga2O3器件。本专利技术将器件用β
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Ga2O3薄膜与高热导率的单晶金刚石热沉结合，能够有效改善β
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Ga2O3器件由于极低的热导率所导致的自热效应，提高器件的性能和稳定性。本专利技术有效提高了单晶金刚石与β
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Ga2O3之间的膜基结合力，解决了两者结合时由于晶格常数和热膨胀系数的较大差异导致β
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Ga2O3薄膜与单晶金刚石衬底之间出现裂缝或者掉落的问题。
[0007]进一步地，等离子体刻蚀单晶金刚石表面的方法如下：将单晶金刚石使用丙酮、酒精清洗后，进行等离子体刻蚀。
[0008]更进一步地，等离子体刻蚀在微波等离子体化学气相沉积设备(MPCVD设备)中进行，使用等离子体刻蚀金刚石表面的目的是在金刚石表面形成倒金字塔型凹坑，以提高膜基结合力。
[0009]进一步地，刻蚀过程中气压与功率的比值在5:1～2:1之间，功率为3～5KW，等离子体为氩气，刻蚀时间为15min～1h。
[0010]进一步地，所述第一GaOOH前驱体溶液的配制方法如下：将含有镓源的化学药品溶解于去离子水和乙醇的混合溶液中，均匀搅拌后得到第一GaOOH前驱体溶液。加入乙醇的目的是降低溶液的表面张力，以促进前驱体GaOOH在衬底上分布更加均匀，有效增加形核位点。去离子水与乙醇的体积比为2:1～10:1。
[0011]进一步地，所述含有镓源的化学药品为硝酸镓；
[0012]第一GaOOH前驱体溶液的浓度为0.03～0.2mol/L。在此浓度范围内，浓度高会导致GaOOH前驱膜太厚，影响其透过率；反之，浓度低易导致GaOOH前驱膜不连续，影响半导体导电性能，所以本专利技术限定第一GaOOH前驱体溶液的浓度为0.03～0.2mol/L，优选为0.03mol/L或0.1mol/L。
[0013]进一步地，第一次水热反应的温度为90～100℃，保温时间为20～60min。第一次水热反应优选在恒温水浴锅中进行，在此步骤中，利用高温促进前驱体GaOOH粒子析出，帮助金刚石表面形核。
[0014]进一步地，所述第二GaOOH前驱体溶液的配制方法如下：将含有镓源的化学药品溶解于去离子水中，均匀搅拌后得到第二GaOOH前驱体溶液。
[0015]进一步地，所述含有镓源的化学药品为但硝酸镓，优选为水合硝酸镓；
[0016]第二GaOOH前驱体溶液的浓度为0.03～0.2mol/L。
[0017]进一步地，第二次水热反应的温度为60～90℃，保温时间为60min～240min。第二次水热反应优选在含有聚四氟乙烯内胆的反应釜中进行。
[0018]进一步地，退火的温度为650～900℃，退火保温时间为60min～180min，优选在800℃氩气气氛退火120min。高温退火的目的是使GaOOH在～200℃分解为Ga2O3，并在高温下由非晶相向β相晶体转变。退火气氛为防止金刚石氧化的稀有气体，如氩气。
[0019]本专利技术刻蚀有β
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Ga2O3薄膜的单晶金刚石可制备各种半导体器件，各种半导体器件如紫外探测器、二极管、场效应晶体管等均在所制备的β
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Ga2O3薄膜上通过掩膜/光刻工艺所制备得到。
[0020]与现有技术相比，本专利技术具有如下优点和技术效果：
[0021]本专利技术提供了本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种提高单晶金刚石表面β
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氧化镓薄膜结合力的方法，其特征在于，使用等离子体刻蚀单晶金刚石表面，将单晶金刚石刻蚀处理的表面朝上放入第一GaOOH前驱体溶液中，进行第一次水热反应，反应结束后，将单晶金刚石取出，放入第二GaOOH前驱体溶液中，进行第二次水热反应，反应结束后，烘干，进行退火后处理。2.根据权利要求1所述一种提高单晶金刚石表面β
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氧化镓薄膜结合力的方法，其特征在于，等离子体刻蚀金刚石表面的方法如下：将金刚石使用丙酮、酒精清洗后，进行等离子体刻蚀。3.根据权利要求2所述一种提高单晶金刚石表面β
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氧化镓薄膜结合力的方法，其特征在于，刻蚀过程中气压与功率的比值在5:1～2:1之间，功率为3～5KW，等离子体为氩气，刻蚀时间为15min～1h。4.根据权利要求1所述一种提高单晶金刚石表面β
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氧化镓薄膜结合力的方法，其特征在于，所述第一GaOOH前驱体溶液的配制方法如下：将含有镓源的化学药品溶解于去离子水和乙醇的混合溶液中，均匀搅拌后得到第一GaOOH前驱体溶液。5.根据权利要求4所述一种提高单晶金刚石表面β
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氧化镓薄膜结合力的方法，其特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：王永胜，于盛旺，陈子豪，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：