本發(fā)明屬于微電子，具體涉及一種多晶金剛石基異質(zhì)外延氧化鎵薄膜及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、作為新興的第三代半導(dǎo)體材料，氧化鎵(ga2o3)材料憑借超寬的禁帶寬度、優(yōu)異的材料特性在半導(dǎo)體領(lǐng)域備受青睞。與傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料(如硅、砷化鎵等)和寬禁帶半導(dǎo)體材料(如碳化硅、氮化鎵等)相比，ga2o3的禁帶寬度更寬，臨界擊穿場(chǎng)強(qiáng)，在高壓、高頻、大功率等領(lǐng)域具有更突出的優(yōu)勢(shì)。

2、在傳統(tǒng)的主流工藝中，由于大尺寸的氧化鎵襯底成本高昂，氧化鎵薄膜都是在藍(lán)寶石、硅、碳化硅等異質(zhì)材料襯底上進(jìn)行外延的。但是對(duì)于散熱要求較高的高頻、大功率器件而言，需要用到導(dǎo)熱性能較好且成本相對(duì)較低的多晶金剛石襯底。因?yàn)槎嗑Ы饎偸r底與氧化鎵之間存在嚴(yán)重的晶格失配，所以在多晶金剛石襯底上氧化鎵成核密度非常低，且位錯(cuò)密度高，很難合并成膜。并且，目前磁控濺射、化學(xué)氣相沉積等常規(guī)技術(shù)都無法在多晶金剛石上得到較高質(zhì)量的氧化鎵薄膜，無法滿足氧化鎵薄膜的制備需求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了解決上述問題，本發(fā)明提供了一種多晶金剛石基異質(zhì)外延氧化鎵薄膜及其制備方法。本發(fā)明要解決的技術(shù)問題通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

2、第一方面，本發(fā)明提供一種多晶金剛石基異質(zhì)外延氧化鎵薄膜，包括：依次層疊的多晶金剛石襯底、氧化鎵成核層、至少一層鎵氧酸根石墨烯層、β-ga2o3外延層；其中，所述氧化鎵成核層和所述鎵氧酸根石墨烯層形成復(fù)合插入層。

3、其中，所述氧化鎵成核層的厚度處于30nm～50nm范圍內(nèi)。

4、其中，每層鎵氧酸根石墨烯層的厚度處于0.25nm～0.35nm范圍內(nèi)。

5、其中，所述鎵氧酸根石墨烯層的層數(shù)的取值范圍為1～10。

6、其中，所述β-ga2o3外延層的厚度處于800nm～1000nm范圍內(nèi)。

7、其中，所述多晶金剛石襯底的厚度處于300μm～500μm范圍內(nèi)。

8、第二方面，本發(fā)明提供一種多晶金剛石基異質(zhì)外延氧化鎵薄膜的制備方法，所述方法包括：在多晶金剛石襯底表面高溫磁控濺射氧化鎵成核層；在所述氧化鎵成核層上制備至少一層鎵氧酸根石墨烯層；在所述至少一層鎵氧酸根石墨烯層上制備β-ga2o3外延層。

9、其中，所述在所述氧化鎵成核層上制備至少一層鎵氧酸根石墨烯層，包括：在所述氧化鎵成核層上，通過濕法轉(zhuǎn)移制備所述至少一層鎵氧酸根石墨烯層。

10、其中，所述在多晶金剛石襯底表面高溫磁控濺射氧化鎵成核層，包括：在真空度為10-4pa，溫度為1090℃～1110℃，氬氧比為80:20，濺射功率為170w～180w，濺射壓強(qiáng)為1.5pa～1.7pa的條件下，在所述多晶金剛石襯底表面磁控濺射所述氧化鎵成核層，濺射時(shí)長為25min～35min，得到30nm～50nm厚的氧化鎵成核層。

11、其中，所述在所述至少一層鎵氧酸根石墨烯層上制備β-ga2o3外延層，包括：在溫度為900℃～950℃，反應(yīng)室壓力為6mtorr～8mtorr，氧化鎵靶材與所述至少一層鎵氧酸根石墨烯層的距離為95mm～110mm的條件下，使用波長為248nm，脈沖重復(fù)頻率為5hz，每脈沖能量為300mj的激光脈沖，在所述至少一層鎵氧酸根石墨烯層上重復(fù)沉積，得到800nm～1000nm厚的所述β-ga2o3外延層。

12、本發(fā)明具有如下有益技術(shù)效果：針對(duì)現(xiàn)有的制備工藝無法直接在多晶金剛石襯底上生長高質(zhì)量的氧化鎵薄膜，無法滿足氧化鎵薄膜的制備需求的問題，本發(fā)明提出了一種多晶金剛石基異質(zhì)外延氧化鎵薄膜，該薄膜包括依次層疊的多晶金剛石襯底、氧化鎵成核層、至少一層鎵氧酸根石墨烯層、β-ga2o3外延層；其中，所述氧化鎵成核層和所述鎵氧酸根石墨烯層形成復(fù)合插入層。通過在多晶金剛石襯底上堆疊氧化鎵成核層，可以起到提供氧化鎵薄膜成核點(diǎn)和修正氧化鎵薄膜中晶格的作用，以及通過在氧化鎵成核層堆疊至少一層鎵氧酸根石墨烯層，可以有效阻擋氧化鎵成核層堆砌產(chǎn)生的位錯(cuò)，以降低后續(xù)堆疊的β-ga2o3外延層的位錯(cuò)密度，同時(shí)，提供一個(gè)富鎵氧面，以極大增加β-ga2o3成核的幾率?；诒景l(fā)明提出的技術(shù)方案，可以直接在多晶金剛石襯底上外延生長β-ga2o3，并有效提高β-ga2o3外延層的質(zhì)量。

13、以下將結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明。

技術(shù)特征：

1.一種多晶金剛石基異質(zhì)外延氧化鎵薄膜，其特征在于，包括：依次層疊的多晶金剛石襯底(1)、氧化鎵成核層(2)、至少一層鎵氧酸根石墨烯層(3)、β-ga2o3外延層(4)；

2.根據(jù)所述權(quán)利要求1所述的多晶金剛石基異質(zhì)外延氧化鎵薄膜，其特征在于，所述氧化鎵成核層(2)的厚度處于30nm～50nm范圍內(nèi)。

3.根據(jù)所述權(quán)利要求1所述的多晶金剛石基異質(zhì)外延氧化鎵薄膜，其特征在于，每層鎵氧酸根石墨烯層(3)的厚度處于0.25nm～0.35nm范圍內(nèi)。

4.根據(jù)所述權(quán)利要求1所述的多晶金剛石基異質(zhì)外延氧化鎵薄膜，其特征在于，所述鎵氧酸根石墨烯層(3)的層數(shù)的取值范圍為1～10。

5.根據(jù)所述權(quán)利要求1所述的多晶金剛石基異質(zhì)外延氧化鎵薄膜，其特征在于，所述β-ga2o3外延層(4)的厚度處于800nm～1000nm范圍內(nèi)。

6.根據(jù)所述權(quán)利要求1所述的多晶金剛石基異質(zhì)外延氧化鎵薄膜，其特征在于，所述多晶金剛石襯底(1)的厚度處于300μm～500μm范圍內(nèi)。

7.一種多晶金剛石基異質(zhì)外延氧化鎵薄膜的制備方法，其特征在于，所述方法包括：

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的多晶金剛石基異質(zhì)外延氧化鎵薄膜的制備方法，其特征在于，所述在所述氧化鎵成核層(2)上制備至少一層鎵氧酸根石墨烯層(3)，包括：

9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的多晶金剛石基異質(zhì)外延氧化鎵薄膜的制備方法，其特征在于，所述在多晶金剛石襯底(1)表面高溫磁控濺射氧化鎵成核層(2)，包括：

10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的多晶金剛石基異質(zhì)外延氧化鎵薄膜的制備方法，其特征在于，所述在所述至少一層鎵氧酸根石墨烯層(3)上制備β-ga2o3外延層(4)，包括：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明適用于微電子領(lǐng)域，提供了一種多晶金剛石基異質(zhì)外延氧化鎵薄膜，包括：依次層疊的多晶金剛石襯底1、氧化鎵成核層2、至少一層鎵氧酸根石墨烯層3、β?Ga<subgt;2</subgt;O<subgt;3</subgt;外延層4。通過在多晶金剛石襯底1上堆疊氧化鎵成核層2，可以起到提供氧化鎵薄膜成核點(diǎn)和修正氧化鎵薄膜中晶格的作用，以及通過在氧化鎵成核層2堆疊至少一層鎵氧酸根石墨烯層3，可以有效阻擋氧化鎵成核層2堆砌產(chǎn)生的位錯(cuò)，以降低后續(xù)堆疊的β?Ga<subgt;2</subgt;O<subgt;3</subgt;外延層4的位錯(cuò)密度，提供一個(gè)富鎵氧面，以極大增加β?Ga<subgt;2</subgt;O<subgt;3</subgt;成核的幾率?；诒景l(fā)明提出的技術(shù)方案，可以直接在多晶金剛石襯底1上外延生長β?Ga<subgt;2</subgt;O<subgt;3</subgt;，并有效提高β?Ga<subgt;2</subgt;O<subgt;3</subgt;外延層4的質(zhì)量。

技術(shù)研發(fā)人員：寧靜,張亞寧,張進(jìn)成,武海迪,白玲,楊芷純,王東,馬佩軍,郝躍
受保護(hù)的技術(shù)使用者：西安電子科技大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/10