[发明专利]一种高质量氧化镓薄膜及其同质外延生长方法

说明书

一种高质量氧化镓(Ga₂O₃)薄膜及其同质外延生长方法，属于半导体薄膜材料制备技术领域。依次由β‑Ga₂O₃单晶衬底、低温Ga₂O₃薄膜层、温度渐变Ga₂O₃薄膜层和高温Ga₂O₃薄膜层组成。各Ga₂O₃薄膜层均由高温MOCVD工艺外延生长得到。低温Ga₂O₃薄膜层以β‑Ga₂O₃单晶为衬底，避免了衬底和薄膜的晶格失配，同时插入温度渐变Ga₂O₃薄膜层能够降低单晶衬底中缺陷对薄膜的影响，并抑制薄膜外延生长过程中缺陷的产生，进而有效提高薄膜晶体质量。本发明解决了高质量Ga₂O₃薄膜材料的外延生长问题，克服了目前Ga₂O₃异质与同质外延生长晶体质量差，影响Ga₂O₃基功率器件性能的问题，为今后Ga₂O₃基功率器件的制备打下坚实的基础。

技术领域

本发明属于半导体薄膜材料制备制备技术领域，具体涉及一种高质量氧化镓(Ga₂O₃)薄膜及其同质外延生长方法。

背景技术

氧化镓(Ga₂O₃)是一种直接带隙宽禁带半导体材料，禁带宽度为4.2～5.3eV(不同晶体结构，光学各向异性的表现)，最稳定相为单斜晶系β-Ga₂O₃结构。相比于其他主流半导体材料，β-Ga₂O₃(以下简称为Ga₂O₃)具有诸多独特的物理性质：第一，Ga₂O₃拥有约4.9eV的超大带隙，具有优异的化学和热稳定性以及很高的紫外可见光透过率，同时该材料很容易获得优良的n型导电性，可以同时满足透明导电电极所需的良好电导率和高光学透过率的要求。另外，由于该材料的带隙较大，导致其具有较大的击穿电场强度(理论值可达到8MV/cm)，为商业化半导体Si的20倍以上，也比常见的宽禁带半导体SiC和GaN高出1倍以上。第二，除了具有耐高压特性以外，β-Ga₂O₃的导通电阻理论值很低，这使得β-Ga₂O₃基单极器件在相同电压下的导通损耗会比SiC和GaN器件低一个数量级以上，进而能够显著提高MOSFET等器件的工作效率。上述优点使得Ga₂O₃基器件在高压电子器件领域具有广阔的研究开发前景。

由于Ga₂O₃薄膜的异质外延生长技术目前还不成熟，衬底与薄膜间晶格失配和热失配仍难以克服，这导致异质外延生长的Ga₂O₃薄膜的晶体质量提升较为困难，从而严重限制了Ga₂O₃基器件的发展与应用。而对于在Ga₂O₃单晶衬底上的同质外延生长，虽然单晶衬底与Ga₂O₃薄膜间不存在晶格失配与热失配的问题，但由于目前Ga₂O₃单晶衬底的质量不高，加之Ga₂O₃外延生长工艺的不成熟，所获得的Ga₂O₃薄膜晶体质量仍然不理想。基于上述问题，本发明提出一种高质量Ga₂O₃薄膜的同质外延生长方法。

发明内容