[发明专利]单晶氧化镓衬底基片表面原子级台阶结构的制备方法

说明书

本发明公开了一种单晶氧化镓衬底基片表面原子级台阶结构的制备方法，该方法包括超声波清洗、高纯氮气吹干、平放于退火炉中的退火陶瓷承载盘上，通入保护气体氧气，排除退火炉内的空气、分段升温、退火处理和降温出炉等步骤。本发明工艺设计合理，可操作性强，可成功的在衬底基片表面制作出原子级台阶结构，可有效改善衬底基片的表面形貌，可提高其表面氮化镓薄膜外延生长的质量和效率。

技术领域

本发明属于微电子技术领域，涉及半导体单晶材料衬底基片的表面处理技术，特别是一种单晶氧化镓衬底基片表面原子级台阶结构的制作方法。

背景技术

半导体单晶氧化镓(β-Ga₂O₃)材料击穿场强高、禁带宽度达4.9eV、与氮化镓(GaN)的晶格失配率仅为8.5％，且兼具蓝宝石(Al₂O₃)的透光性和碳化硅(SiC)的导电性等优良特性，满足发光二极管或激光二极管的垂直电流结构对衬底材料高透明度和导电性的需求，使得氧化镓(β-Ga₂O₃)成为代替蓝宝石(Al₂O₃)和碳化硅(SiC)理想的氮化镓同质衬底材料。有利于突破氮化镓(GaN)外延薄膜与衬底材料物理性能匹配方面缺陷的限制，促进其在更大范围内的应用推广。

高质量的衬底表面不但有助于提高外延薄膜的生长效率，还可以有效提升外延薄膜的生长质量，因此衬底基片表面结晶度和表面微结构的规律控制变得越来越重要。并且不同材料的半导体，由于其物理性质明显不同，因此加工方法存在较大的区别。

而目前为止还没有关于氧化镓衬底基片化学机械抛光过后表面原子级结构形态重建方法的相关报告。

因此，对于单晶氧化镓衬底基片表面原子级台阶结构的制作方法的研究，显得尤为迫切！本发明鉴于此需求，经大量退火实验筛选，优选出一种单晶氧化镓衬底基片表面原子级台阶结构的制作方法。

发明内容

发明目的：本发明的目的是为了克服现有技术中，单晶氧化镓衬底基片化学机械抛光后，没有对衬底基片表面进行原子级台阶结构化处理，直接用于氮化镓外延薄膜的生长，生长的效率和质量难以进一步提高，提出一种单晶氧化镓衬底基片表面原子级台阶结构的制备方法。

技术方案：为了实现以上目的，本发明所采用的主要技术方案为：

一种单晶氧化镓衬底基片表面原子级台阶结构的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：单晶氧化镓衬底基片的化学机械抛光处理

步骤2：超声波清洗

依次使用丙酮，硫酸与双氧水的混合溶液，去离子水，对单晶氧化镓衬底基片表面进行超声波清洗，去除衬底基片表面的有机物、杂质颗粒；

步骤3：超声波清洗完成后，采用高纯氮气吹干衬底基片表面；

步骤4，将清洗吹干后的单晶氧化镓衬底基片，按顺序整齐平放于退火陶瓷承载盘上，将经过化学机械抛光处理的光滑表面向上，并使各单晶氧化镓衬底基片之间无重叠，关闭退火炉炉门，缓慢通入保护气体氧气，排除退火炉内的空气，确保退火在氧气氛围中进行，结束后关闭导气阀；

步骤5，分段升温退火处理：第一阶段将退火炉内的温度以不高于每小时200℃的速度升温至300～600℃，保温1.5～2h；第二阶段将退火炉内的温度以不高于每小时130℃的速度将退火炉内的温度升温至600～800℃，继续保温2～3h；第三阶段将退火炉内的温度以不高于每小时100℃的速度将退火炉内的温度升温至900～1000℃，再次保温3～4h；第四阶段将退火炉内的温度以每小时15～20℃的速度将退火炉内的温度升温至1100～1200℃，转入最终成形退火保温状态，保温5～6h，使得衬底基片表面材料生成规则间隔和台阶结构排列；每次升温过程持续均匀，增强并促进化学机械抛光处理后的衬底基片表面材料迁移；