[发明专利]一种半导体结晶膜的制备方法及其半导体结晶膜

说明书

本发明提供了一种在蓝宝石衬底上制备高质量ε相氧化镓半导体结晶膜的方法。该方法是利用化学气相沉积，在蓝宝石衬底上沉积氧化镓半导体结晶膜。上述ε相氧化镓半导体结晶膜由成核层和主体层构成，其中成核层是纯ε相氧化镓结晶膜或者ε相与β相混合的氧化镓结晶膜，主体层是纯ε相氧化镓半导体结晶膜。上述成核层的生长温度低于主体层的生长温度，上述主体层可以含有、也可以不含掺杂剂。本发明解决了异质衬底上生长ε‑Ga₂O₃缺陷密度高的问题，获得了高质量ε‑Ga₂O₃结晶膜，极大拓展了氧化镓半导体材料应用范围。

技术领域

本发明属于半导体薄膜材料领域，主要涉及一种具有半导体功能的ε-Ga₂O₃结晶膜的制备方法及制备得到的结晶膜。

背景技术

采用禁带宽度宽的半导体材料来制作功率电子器件，能够有效提高器件的工作效率和耐高压性能。Ga₂O₃具有4.7～5.4eV的超宽禁带宽度，相应的Baliga品质因子远高于目前商用化的Si(1.1eV)、4H-SiC(3.3eV)和GaN(3.4eV)等材料。因此，将Ga₂O₃半导体材料应用于电子器件，尤其是大功率电子器件，将具有比Si、SiC和GaN更好的器件性能。

Ga₂O₃具有β、ε、α、γ、δ五种相，其中β相是稳定相，ε相次之，α相又次之。目前，能够用于功率电子器件的高质量Ga₂O₃薄膜的制备方法，得到了广泛研究。A.J.Green(IEEEElectron Device Letters 37,902-905)研究了一种β相Ga₂O₃薄膜同质外延制备方法，但是，β-Ga2O3薄膜的制备需采用氧化镓同质衬底，成本高昂，且所制备的器件散热问题严重。专利申请文件CN106415845A公开了一种结晶性优异的层叠结构体和迁移率良好的上述层叠结构体的半导体装置，但是该专利申请文件所获得的氧化镓为α-Ga₂O₃薄膜，而α-Ga₂O₃存在稳定性不如β-Ga₂O₃和ε-Ga₂O₃的问题。

如果能实现高质量ε-Ga₂O₃薄膜的制备，则可以有效克服目前β-Ga₂O₃和α-Ga₂O₃薄膜制备技术中存在的问题，但目前高质量ε-Ga₂O₃薄膜的制备面临两方面问题。一方面，由于氧化镓的最稳定相是β-Ga₂O₃，因此采用不合理的制备方式往往获得纯β相Ga₂O₃或者β相和ε相混合的Ga₂O₃，而不是纯ε相Ga₂O₃；专利CN103469173B和CN103489967B公开了一种氧化镓外延膜的制备方法及氧化镓外延膜，采用三甲基镓或三乙基镓作为镓源，以气态含氧物质作为氧源，进而制备氧化镓外延膜，但其仅能制得β-Ga₂O₃，无法获得纯相ε-Ga₂O₃。另一方面，由于缺乏同质衬底，目前ε相Ga₂O₃只能通过生长在异质衬底上，而异质生长往往引入大量缺陷。

因此，目前急需一种适用于ε-Ga₂O₃异质外延生长的方案，用以解决异质衬底上生长ε-Ga₂O₃缺陷密度高的问题，以获得高质量的ε-Ga₂O₃半导体结晶膜。

发明内容