阅读说明：本技术 一种具有低密度氧空位缺陷的氧化镓外延材料的制备方法 (Preparation method of gallium oxide epitaxial material with low-density oxygen vacancy defects ) 是由 胡继超 李丹 李连碧 臧源 王曦 蒲红斌 于 2020-04-15 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种具有低密度氧空位缺陷的氧化镓外延材料的制备方法,首先将金属镓源放入石英舟内,石英舟放入双温区石英管式炉内温区1中；然后将清洗、吹干后的衬底放在衬底托上,将载有衬底片的衬底托放入石英管式炉内温区2中；将反应腔抽真空,抽真空后腔体压强为1pa；向石英反应腔内通入作为载气的惰性气体；同时加热管式炉内温区1中载有金属镓源的石英舟和温区2中的衬底；通过设置升温时间使温区1的工作温度和温区2中的工作温度同时达到相应设置的温度,打开氧气气路,让惰性气体携带氧气进入石英反应管,在衬底上沉积氧化镓薄膜,完成氧化镓薄膜制备,本发明解决了现有技术中存在的氧化镓材料中极易出现氧空位缺陷的问题。(The invention discloses a preparation method of a gallium oxide epitaxial material with low-density oxygen vacancy defects, which comprises the following steps of firstly, putting a metal gallium source into a quartz boat, and putting the quartz boat into a double-temperature-zone quartz tube type furnace inner temperature zone 1; then the cleaned and dried substrate is placed on a substrate holder, and the substrate holder carrying the substrate slice is placed in a temperature zone 2 in the quartz tube furnace; vacuumizing the reaction cavity, wherein the pressure of the cavity is 1pa after vacuumizing; introducing inert gas serving as carrier gas into the quartz reaction chamber; simultaneously heating a quartz boat loaded with a metal gallium source in a temperature zone 1 in the heat pipe furnace and a substrate in the temperature zone 2; the method comprises the steps of setting the temperature rise time to enable the working temperature of the temperature area 1 and the working temperature of the temperature area 2 to reach the correspondingly set temperatures at the same time, opening the oxygen gas circuit, enabling inert gas to carry oxygen into the quartz reaction tube, depositing a gallium oxide film on a substrate, and completing preparation of the gallium oxide film.)

一种具有低密度氧空位缺陷的氧化镓外延材料的制备方法

技术领域

本发明属于半导体器件技术领域，具体涉及一种具有低密度氧空位缺陷的氧化镓外延材料的制备方法。

背景技术

当波段为200-280nm的日盲紫外光穿过大气层时，由于其光子目标信号会和臭氧层发生强烈的反应而被吸收殆尽，因此该波段的紫外光在大气层中几乎是不存在的。基于日盲紫外光在大气中近乎零背景信号的优点，工作于该波段的日盲紫外探测器具有虚警率低的特点，在高压输电线检测、气象预警、火灾预警等民用领域和导弹识别跟踪、舰载通讯等军事领域具有重要的应用前景。氧化镓(Ga₂O₃)作为一种新型的直接带隙宽禁带半导体材料，其禁带宽度为4.9eV，对应的吸收波长为253nm，在深紫外光区具有高光电响应特性，在深紫外日盲光电探测器领域具有巨大的应用潜力。

然而，由于氧化镓材料中氧空位的形成能较低，氧化镓材料中极易出现氧空位缺陷。作为深能级施主杂质，氧空位的出现会使氧化镓材料静态介电常数ε₀有所减小，在可见光区的吸收作用增强，吸收系数变大。因此，在氧化镓的实际应用中，氧空位会直接影响氧化镓基紫外探测器的瞬态响应、电极接触等特性。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有低密度氧空位缺陷的氧化镓外延材料的制备方法，解决了现有技术中存在的氧化镓材料中极易出现氧空位缺陷的问题。

本发明所采用的技术方案是，一种具有低密度氧空位缺陷的氧化镓外延材料的制备方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1、将金属镓源放入石英舟内，石英舟放入双温区石英管式炉内温区1中；

步骤2：将清洗、吹干后的衬底放在衬底托上，将载有衬底片的衬底托放入石英管式炉内温区2中；将反应腔抽真空，抽真空后腔体压强为1pa；

步骤3：向石英反应腔内通入作为载气的惰性气体；

步骤4：同时加热管式炉内温区1中载有金属镓源的石英舟和温区2中的衬底；通过设置升温时间使温区1的工作温度和温区2中的工作温度同时达到相应设置的温度，温区1中金属镓源的工作温度为550℃～650℃；温区2中衬底的工作温度为700℃-1050℃；

步骤5：当石英管内温区1中反应舟的工作温度和温区2中衬底的工作温度达到设定温度时，打开氧气气路，让惰性气体携带氧气进入石英反应管；设定生长时间，在衬底上沉积氧化镓薄膜；

步骤6：当氧化镓薄膜生长结束后，关闭氧源气路，保持温区1、温区2温度和惰性气体流量不变一段时间；

步骤7：保持时间结束后，重复步骤5和步骤6，然后关气降温，完成氧化镓薄膜制备。

本发明的特点还在于，

步骤1中金属镓源为金属镓颗粒，纯度为99.99％-99.99999％。

步骤2中衬底为硅、蓝宝石、碳化硅、氮化镓、氧化镓或金刚石中的一种。

步骤2中金属镓源和衬底之间的距离设置为为5-25cm。

步骤3中惰性气体为氩气、氮气、氦气、氖气中的一种或几种的任意混合气体。

步骤5中惰性气体携带的氧气纯度为99.999％-99.99999％，氧气的流量控制为5～100sccm，生长时间设为10s～300s。

步骤6中保持温区1、温区2的温度和惰性气体流量不变时间为60s-600s。

本发明的有益效果是，一种具有低密度氧空位缺陷的氧化镓外延材料的制备方法，采用双温区高温管式炉，设备结构简单，金属镓源和衬底的温度可分别精确设定；本发明中，通过采用在高温下间断式对氧气调节的生长工艺，在可以获得高结晶氧化镓薄膜的同时，可以使氧化镓薄膜中氧空位缺陷密度得到降低。与现有为降低氧空位缺陷密度而采取的退火等后处理工艺方法相比，本发明提出了一种在氧化镓外延生长的同时降低缺陷密度的方法，工艺上更为简便，具适合大规模工业生产。

附图说明

图1是本发明中具有低氧空位缺陷密度的氧化镓薄膜外延生长工艺流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明一种具有低密度氧空位缺陷的氧化镓外延材料的制备方法，流程图如图1所示，具体按照以下步骤实施：

步骤1、将金属镓源放入石英舟内，金属镓源为金属镓颗粒，纯度为99.99％-99.99999％，石英舟放入双温区石英管式炉内温区1中；

步骤2：将清洗、吹干后的衬底放在衬底托上，将载有衬底片的衬底托放入石英管式炉内温区2中；将反应腔抽真空，抽真空后腔体压强为1pa，其中，衬底为硅、蓝宝石、碳化硅、氮化镓、氧化镓或金刚石中的一种，金属镓源和衬底之间的距离设置为为5-25cm；

步骤3：向石英反应腔内通入作为载气的惰性气体，惰性气体为氩气、氮气、氦气、氖气中的一种或几种的任意混合气体；

步骤4：同时加热管式炉内温区1中载有金属镓源的石英舟和温区2中的衬底；通过设置升温时间使温区1的工作温度和温区2中的工作温度同时达到相应设置的温度，温区1中金属镓源的工作温度为550℃～650℃；温区2中衬底的工作温度为700℃-1050℃；

步骤5：当石英管内温区1中反应舟的工作温度和温区2中衬底的工作温度达到设定温度时，打开氧气气路，让惰性气体携带氧气进入石英反应管；设定生长时间，在衬底上沉积氧化镓薄膜，惰性气体携带的氧气纯度为99.999％-99.99999％，氧气的流量控制为5～100sccm，生长时间设为10s～300s；

步骤6：当氧化镓薄膜生长结束后，关闭氧源气路，保持温区1、温区2温度和惰性气体流量不变一段时间，保持温区1、温区2的温度和惰性气体流量不变时间为60s-600s；

步骤7：保持时间结束后，重复步骤5和步骤6，然后关气降温，完成氧化镓薄膜制备。

实施例1

本发明一种具有低密度氧空位缺陷的氧化镓外延材料的制备方法，如图1所示，具体按照以下步骤实施：

将纯度为99.999％金属镓源放入石英舟内，石英舟放入双温区石英管式炉内温区1中。

对N型单晶β-Ga₂O₃衬底进行清洗，清洗后用氮气吹干待用，其中，清洗流程为：使用清洗液-丙酮-酒精-去离子水逐步对样品进行清洗。将清洗、吹干后的衬底放在衬底托上，将载有衬底片的衬底托放入管式炉内温区2中。将金属镓源和衬底之间的距离设置为为20cm。将反应腔抽真空，抽真空后腔体压强为1pa；

向石英反应腔内通入流量为200sccm的氩气，反应室压强为330Pa，同时加热管式炉内温区1中载有金属镓源的石英舟和温区2中的衬底；温区1中金属镓源的工作温度为600℃；温区2中衬底的工作温度为800℃

到达工作温度后，向反应腔内通入纯度为99.99999％的氧气，氧气流量控制为10sccm；设定生长时间t1为60s，保持时间t2为60s，总生长时间为60min，在N型单晶β-Ga₂O₃衬底上沉积氧化镓薄膜。

实施例2

本发明一种具有低密度氧空位缺陷的氧化镓外延材料的制备方法，如图1所示，具体按照以下步骤实施：

将纯度为99.999％金属镓源放入石英舟内，石英舟放入双温区石英管式炉内温区1中。

对N型单晶4H-SiC衬底进行清洗，清洗后用氮气吹干待用，其中，清洗流程为：使用清洗液-丙酮-酒精-去离子水逐步对样品进行清洗。将清洗、吹干后的衬底放在衬底托上，将载有衬底片的衬底托放入管式炉内温区2中。将金属镓源和衬底之间的距离设置为为25cm。将反应腔抽真空，抽真空后腔体压强为1pa；

向石英反应腔内通入流量为100sccm的氩气，反应室压强为130Pa，同时加热管式炉内温区1中载有金属镓源的石英舟和温区2中的衬底；温区1中金属镓源的工作温度为600℃；温区2中衬底的工作温度为900℃

到达工作温度后，向反应腔内通入纯度为99.99999％的氧气，氧气流量控制为10sccm；设定生长时间t1为60s，保持时间t2为60s，总生长时间为120min，在4H-SiC衬底上沉积氧化镓薄膜。

实施例3

本发明一种具有低密度氧空位缺陷的氧化镓外延材料的制备方法，如图1所示，具体按照以下步骤实施：

将纯度为99.999％金属镓源放入石英舟内，石英舟放入双温区石英管式炉内温区1中。

对蓝宝石衬底进行清洗，清洗后用氮气吹干待用，其中，清洗流程为：使用清洗液-丙酮-酒精-去离子水逐步对样品进行清洗。将清洗、吹干后的衬底放在衬底托上，将载有衬底片的衬底托放入管式炉内温区2中。将金属镓源和衬底之间的距离设置为为25cm。将反应腔抽真空，抽真空后腔体压强为1pa；

向石英反应腔内通入流量为100sccm的氩气，反应室压强为130Pa，同时加热管式炉内温区1中载有金属镓源的石英舟和温区2中的衬底；温区1中金属镓源的工作温度为600℃；温区2中衬底的工作温度为950℃

到达工作温度后，向反应腔内通入纯度为99.99999％的氧气，氧气流量控制为10sccm；设定生长时间t1为60s，保持时间t2为60s，总生长时间为120min，在蓝宝石衬底上沉积氧化镓薄膜。