[发明专利]一种通过掺杂铁降低结晶温度的氧化镓薄膜制备方法

说明书

本发明提出一种通过掺杂铁降低结晶温度的氧化镓薄膜制备方法，使用铁掺杂的氧化镓陶瓷靶材，通过激光分子束外延方法，在衬底温度为425～575℃的生长条件下，制备氧化镓薄膜。本发明还提出所述氧化镓薄膜制备方法制备得到的薄膜。本发明的有益效果在于：通过掺杂铁元素，解决了使用激光分子束外延技术在低温下制备的β‑Ga₂O₃薄膜不易结晶的问题。通过铁元素掺杂，可以有效提高氧化镓薄膜的绝缘性，以用作氧化镓基场效应晶体管中的栅层结构，提高与沟道层结构的晶格匹配度，减少位错及界面效应，提高器件的性能。本薄膜制备技术，操作步骤简单、成本低廉，靶材可重复性利用率高，制备的薄膜表面均匀、成膜致密、结晶性好。

技术领域

本发明属于半导体材料领域，具体涉及一种氧化镓薄膜材料的制备方法。

背景技术

半导体材料与器件的发展，前后出现了三次飞跃。首先，从20世纪50年代开始，以硅和锗为代表的第一代元素半导体材料在微电子领域取得突破性进展，成为集成电路、半导体器件及太阳能电池的基础材料。然而，由于硅的禁带宽度窄、击穿电场较低，限制了其在高频、高功率器件和光电子领域的发展，同时随着集成度的提高，器件进一步的微型化，硅基半导体达到了性能和器件结构的极限。20世纪90年代以来，以砷化镓和磷化铟为代表的第二代化合物半导体材料开始崭露头角，它们比硅材料有更大的禁带宽度和更高的电子迁移率，所以传输信号的速度很快，适用于做高频信号传输的器件。21世纪伊始，以碳化硅和氮化镓为主的第三代宽禁带半导体材料，因其具有禁带宽度大、击穿场强高、热导率大、介电常数小等优点受到了广泛研究，近年来越来越受到关注。

随着深紫外光电器件以及高频大功率器件越来越被人们所重视，拥有更宽带隙(大于4eV)的半导体材料不断成为关注的研究热点。氧化镓(Ga₂O₃)的禁带宽度在4.9eV左右，是天然的深紫外材料，在日盲、耐高压、耐高温、低损耗、高频、高功率等器件应用方面具有巨大的潜力，是近年来颇为看好的一种新型半导体材料。至今为止，Ga₂O₃被确认的晶格结构有6种，分别为α-Ga₂O₃,β-Ga₂O₃,γ-Ga₂O₃,δ-Ga₂O₃,ε-Ga₂O₃和κ-Ga₂O₃，他们之间可以互相转化，其中β-Ga₂O₃在温区450℃以上被认为是最稳定的结构。β-Ga₂O₃不易被化学腐蚀，并且机械强度高，在高温下性能稳定，因此其制备的器件可以在恶劣的环境下依旧能稳定工作。β-Ga₂O₃具有较大的击穿电场强度8MV/cm，达到Si的20多倍，也相当于宽禁带半导体SiC和GaN的两倍以上。在相同的耐压下比较时，β-Ga₂O₃制造的单极元件，其导通电阻理论上可以降至使用SiC材料的1/10，使用GaN材料的1/3。除了耐高压特性外，β-Ga₂O₃还具有低功耗的特性，其巴利加优值为3443(Si的值为单位1)，相对较大，是常见的SiC(巴利加优值为340)的10倍，是GaN(巴利加优值为870)的4倍。基于β-Ga₂O₃的耐高压和低功耗的特点,使其在高温、高频、大功率晶体管有着广泛的应用前景。