Ga2O3/GaN/藍(lán)寶石模板上β-Ga2O3薄膜的生長(zhǎng)

焦 騰， 李賾明， 王 謙， 董 鑫*， 張?jiān)礉?柏 松， 張寶林， 杜國(guó)同

(1. 吉林大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院， 集成光電子學(xué)國(guó)家重點(diǎn)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室， 吉林 長(zhǎng)春 130012;2. 寬禁帶半導(dǎo)體電力電子器件國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 南京電子器件研究所， 江蘇 南京 210016)

1 引 言

隨著現(xiàn)代半導(dǎo)體工業(yè)和微電子工業(yè)的迅速發(fā)展，寬禁帶和超寬禁帶半導(dǎo)體材料已經(jīng)成為國(guó)際研究的熱點(diǎn)。β-Ga2O3是一種新型的超寬禁帶氧化物半導(dǎo)體，禁帶寬度約為4.9 eV[1-3]，在短波光子學(xué)和透明電子學(xué)領(lǐng)域是最具代表性的半導(dǎo)體材料之一。β-Ga2O3的擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度為8 MV/cm，遠(yuǎn)超過(guò)Si、SiC、氮化物和一些氧化物半導(dǎo)體，這使得以該材料制備的功率器件在很高的電壓下仍然能以單極器件的模式工作。此外，β-Ga2O3材料的導(dǎo)通電阻很低，在同樣的擊穿電壓下，氧化鎵單極器件的導(dǎo)通損耗可比SiC和GaN低一個(gè)數(shù)量級(jí)以上。β-Ga2O3的Baliga優(yōu)值約為3 444，是4H-SiC和GaN的數(shù)倍。這些優(yōu)良的性質(zhì)使得β-Ga2O3在日盲紫外探測(cè)器、場(chǎng)效應(yīng)晶體管、各類(lèi)傳感元件以及電致/光致發(fā)光薄膜器件等方面具有巨大的應(yīng)用潛力[4-10]。

在目前已報(bào)道的文獻(xiàn)中[11-22]，β-Ga2O3薄膜制備方法主要可分為同質(zhì)外延和異質(zhì)外延兩大類(lèi)。由于同質(zhì)外延不存在晶格失配與熱失配的問(wèn)題，所以得到的β-Ga2O3薄膜質(zhì)量較高。但目前高質(zhì)量的β-Ga2O3單晶襯底的成本極高，且襯底的熱導(dǎo)率低，散熱性能較差，這些因素都不利于β-Ga2O3基器件的實(shí)際應(yīng)用。與同質(zhì)外延相比，β-Ga2O3薄膜的異質(zhì)外延襯底選擇范圍廣，且成本低、散熱性好，在制備功率器件方面具有極大的應(yīng)用潛力。但該異質(zhì)外延過(guò)程中，襯底和β-Ga2O3之間存在的晶格失配和熱失配，會(huì)導(dǎo)致β-Ga2O3晶體質(zhì)量難以提高，這是目前β-Ga2O3異質(zhì)外延過(guò)程中亟待解決的問(wèn)題。

在本文中，我們將GaN高溫氧化[23-28]和MOCVD工藝相結(jié)合，探索一種提高β-Ga2O3薄膜異質(zhì)外延晶體質(zhì)量的新方法。該方法首先通過(guò)對(duì)GaN/藍(lán)寶石進(jìn)行高溫氧化得到Ga2O3/GaN/藍(lán)寶石模板，再利用MOCVD工藝，在該模板上生長(zhǎng)β-Ga2O3薄膜。本文將主要討論Ga2O3/GaN/藍(lán)寶石模板的高溫氧化、MOCVD工藝參數(shù)等對(duì)β-Ga2O3薄膜質(zhì)量的影響并進(jìn)行理論分析。

2 實(shí) 驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)中使用的GaN薄膜厚度為2 μm，由MOCVD工藝在c面藍(lán)寶石襯底上制備而成[29]。我們將GaN/藍(lán)寶石依次在丙酮、乙醇、去離子水中超聲清洗5 min后，放入由濃鹽酸和去離子水體積比1∶1的混合溶液中浸泡5 min，取出用氮?dú)獯蹈伞Ｈ缓髮悠分萌胧⒅壑校⑹⒅鄯湃胨焦苁礁邷丶訜釥t中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)氧化溫度為950 ℃[30-31]，氧化完成后在氧氣氛圍內(nèi)降至室溫。氧化和降溫過(guò)程中通入高純氧氣的流速均為6 L/h。MOCVD設(shè)備(Emcore-D180，美國(guó))使用三甲基鎵(TMGa，6N)和高純氧氣(5N)作為鎵源和氧源，高純氬氣(6N)作TMGa的載氣。

我們通過(guò)原子力顯微鏡(AFM，Veeco，Plainview，NY，美國(guó))觀測(cè)氧化得到的Ga2O3薄膜的表面狀態(tài)，X射線衍射儀(XRD，Rigaku TTRIII，日本)測(cè)試β-Ga2O3薄膜的晶體質(zhì)量，場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(FESEM，JSM-7610，日本)觀察樣品的表面和斷面形貌。

3 結(jié)果與討論

3.1 Ga2O3/GaN/藍(lán)寶石模板的AFM照片分析

為了優(yōu)化形成高質(zhì)量Ga2O3/GaN/藍(lán)寶石模板表面所需要的氧化時(shí)間，我們?nèi)?個(gè)相同的GaN/藍(lán)寶石樣品，分別標(biāo)記為A～E，并在950 ℃下分別氧化5，10，15，20，25 min，之后對(duì)樣品進(jìn)行AFM測(cè)試，并將AFM照片在圖片中線位置進(jìn)行橫向掃描，得到的結(jié)果如圖1所示。

從圖1中可以看出，當(dāng)GaN開(kāi)始氧化后，表面首先出現(xiàn)Ga2O3顆粒，樣品A表面Ga2O3顆粒直徑(顆粒的直徑于圖1(f)內(nèi)標(biāo)注)約為0.62 μm。從樣品A～D的AFM照片中可以發(fā)現(xiàn)，隨著氧化時(shí)間的增加，GaN表面Ga2O3顆粒數(shù)目、顆粒直徑逐漸增加，GaN表面逐漸被Ga2O3顆粒覆蓋。樣品D表面Ga2O3顆粒直徑已達(dá)到0.9 μm且基本被Ga2O3覆蓋。樣品A～D的表面粗糙度由1.39增加至3.31。當(dāng)氧化時(shí)間達(dá)到25 min時(shí)，樣品E表面已全部被Ga2O3薄層覆蓋，同時(shí)表面粗糙度和顆粒直徑都下降。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因主要是樣品E表面已經(jīng)完全被氧化，此時(shí)如果繼續(xù)增加氧化時(shí)間，對(duì)表面的影響較小。所以整層Ga2O3薄層的形成更利于薄層表面均勻性的提高。但通過(guò)與文獻(xiàn)報(bào)道的結(jié)果對(duì)比[32-34]，我們發(fā)現(xiàn)利用該方法獲得的β-Ga2O3薄膜與其他外延方法制備的β-Ga2O3薄膜質(zhì)量仍有較大差距，因此我們將在Ga2O3/GaN/藍(lán)寶石模板上以MOCVD工藝?yán)^續(xù)生長(zhǎng)β-Ga2O3薄膜，通過(guò)優(yōu)化生長(zhǎng)條件來(lái)吸收氧化層中大量的缺陷與位錯(cuò)，進(jìn)而提高β-Ga2O3薄膜的晶體質(zhì)量。

圖1 (a)～(e)不同氧化時(shí)間下樣品A～E的AFM照片；(f)樣品A～E的AFM橫向掃描圖。

3.2 β-Ga2O3薄膜的X射線衍射圖分析

圖2 不同生長(zhǎng)溫度下樣品E1～E4的XRD圖譜

Fig.2 XRD patterns of samples E1-E4 under different growth temperature

3.3 β-Ga2O3薄膜的場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡照片分析

為了進(jìn)一步表征薄膜的表面形貌，我們對(duì)樣品E1～E4表面進(jìn)行FESEM測(cè)試，測(cè)試得到的照片如圖3所示。從圖3中可以看到，樣品E1表面形態(tài)較差，存在局部深黑色缺陷區(qū)域。樣品E2～E4的表面形貌良好，均勻無(wú)裂痕，并且可以觀察到單斜狀態(tài)的六面體形態(tài)的結(jié)晶顆粒。結(jié)晶顆粒之間具有明顯邊界，且隨著生長(zhǎng)溫度的升高，結(jié)晶顆粒減小，密度增加。這是因?yàn)樵?50 ℃的生長(zhǎng)溫度下，反應(yīng)原子獲得的能量較低，運(yùn)動(dòng)速度較慢，影響了原子向相應(yīng)晶格位置的運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致β-Ga2O3薄膜質(zhì)量較低。而通過(guò)升高生長(zhǎng)溫度，可以有效地增加原子的動(dòng)能，提高β-Ga2O3薄膜的晶體質(zhì)量。

圖3 樣品 E1～E4的表面FESEM照片

為確定薄膜厚度和斷面形貌，我們對(duì)樣品E1～E4進(jìn)行斷面FESEM測(cè)試，測(cè)試得到的照片如圖4所示。從圖4可以看到，藍(lán)寶石襯底、GaN和Ga2O3薄膜之間的界面非常清晰。而由GaN氧化的Ga2O3和以MOCVD工藝制備的β-Ga2O3薄膜之間卻未發(fā)現(xiàn)明顯的邊界。這說(shuō)明我們將GaN/Ga2O3間的異質(zhì)外延有效地轉(zhuǎn)化為了β-Ga2O3的同質(zhì)外延。β-Ga2O3薄膜上表面較光滑，這說(shuō)明以MOCVD工藝制備的β-Ga2O3薄膜具有良好的均勻性，實(shí)驗(yàn)達(dá)到了我們的預(yù)期效果。

圖4 樣品E1～E4的斷面FESEM照片

Fig.4 Cross-sectional FESEM view photo of samples E1-E4

為了更加清晰地觀察β-Ga2O3薄膜形態(tài)，我們將樣品E2斷面FESEM照片做了局部放大，放大后照片如圖5所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，Ga2O3層總厚度約為400 nm。由于GaN氧化表面形成的Ga2O3薄膜很薄，與生長(zhǎng)的薄膜相比可以忽略，所以我們可以得到MOCVD工藝生長(zhǎng)β-Ga2O3薄膜的速率約為400 nm/30 min，這與我們?cè)O(shè)備的生長(zhǎng)速率相吻合。

圖5 E2樣品局部放大FESEM截面圖片

Fig.5 Enlarged cross-sectional FESEM section photo of sample E2

3.4 β-Ga2O3薄膜質(zhì)量對(duì)比

為了驗(yàn)證Ga2O3/GaN/藍(lán)寶石模板上制備的β-Ga2O3薄膜是否具有更好的晶體質(zhì)量，我們對(duì)樣品E2與在藍(lán)寶石襯底和GaN/藍(lán)寶石模板上MOCVD工藝制備的β-Ga2O3薄膜進(jìn)行了XRD測(cè)試與對(duì)比。其中，在藍(lán)寶石襯底和GaN/藍(lán)寶石模板上通過(guò)MOCVD工藝制備β-Ga2O3薄膜的工藝條件是我們之前實(shí)驗(yàn)的優(yōu)化條件。測(cè)試結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同襯底或模板上制備β-Ga2O3薄膜的XRD圖譜

Fig.6 XRD patterns of β-Ga2O3films grown on different substrates or templates

4 結(jié) 論

我們將GaN高溫氧化和MOCVD工藝兩種方法相結(jié)合生長(zhǎng)了β-Ga2O3薄膜。實(shí)驗(yàn)首先通過(guò)GaN高溫氧化25 min，獲得Ga2O3薄層，進(jìn)而制成Ga2O3/GaN/藍(lán)寶石模板，然后通過(guò)MOCVD工藝在Ga2O3/GaN/藍(lán)寶石模板上繼續(xù)生長(zhǎng)β-Ga2O3薄膜。對(duì)樣品表面形態(tài)、晶體質(zhì)量等進(jìn)行了測(cè)試與分析。結(jié)果表明，GaN高溫氧化得到的Ga2O3薄膜表面粗糙，質(zhì)量較差，而通過(guò)800 ℃以上的MOCVD工藝在Ga2O3/GaN/藍(lán)寶石模板上生長(zhǎng)得到的β-Ga2O3薄膜表現(xiàn)為單晶態(tài)，表面均勻，無(wú)裂痕，其晶體質(zhì)量?jī)?yōu)于在藍(lán)寶石襯底和GaN/藍(lán)寶石模板上制備的β-Ga2O3薄膜。該方法成功地將β-Ga2O3薄膜在藍(lán)寶石襯底或GaN/藍(lán)寶石模板上的異質(zhì)外延轉(zhuǎn)化為了Ga2O3/GaN/藍(lán)寶石模板上的同質(zhì)外延，有效地減小了β-Ga2O3薄膜和藍(lán)寶石、GaN之間較大的晶格失配和熱失配，更加有利于提高β-Ga2O3薄膜的晶體質(zhì)量。但這種方法獲得的β-Ga2O3薄膜質(zhì)量仍存在提升空間，主要是因?yàn)镚aN/藍(lán)寶石模板經(jīng)高溫氧化形成的Ga2O3薄膜質(zhì)量不高。該問(wèn)題也將在今后的實(shí)驗(yàn)中不斷優(yōu)化。本研究探索了一種制備高質(zhì)量β-Ga2O3薄膜的新工藝，為GaN基器件性能的提高提供了一種新思路。