Ga2O3/GaN/藍寶石模板上β-Ga2O3薄膜的生長

焦 騰， 李賾明， 王 謙， 董 鑫*， 張源濤， 柏 松， 張寶林， 杜國同

(1. 吉林大學 電子科學與工程學院， 集成光電子學國家重點聯合實驗室， 吉林 長春 130012;2. 寬禁帶半導體電力電子器件國家重點實驗室， 南京電子器件研究所， 江蘇 南京 210016)

1 引 言

隨著現代半導體工業和微電子工業的迅速發展，寬禁帶和超寬禁帶半導體材料已經成為國際研究的熱點。β-Ga2O3是一種新型的超寬禁帶氧化物半導體，禁帶寬度約為4.9 eV[1-3]，在短波光子學和透明電子學領域是最具代表性的半導體材料之一。β-Ga2O3的擊穿電場強度為8 MV/cm，遠超過Si、SiC、氮化物和一些氧化物半導體，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材料的導通電阻很低，在同樣的擊穿電壓下，氧化鎵單極器件的導通損耗可比SiC和GaN低一個數量級以上。β-Ga2O3的Baliga優值約為3 444，是4H-SiC和GaN的數倍。這些優良的性質使得β-Ga2O3在日盲紫外探測器、場效應晶體管、各類傳感元件以及電致/光致發光薄膜器件等方面具有巨大的應用潛力[4-10]。

在目前已報道的文獻中[11-22]，β-Ga2O3薄膜制備方法主要可分為同質外延和異質外延兩大類。由于同質外延不存在晶格失配與熱失配的問題，所以得到的β-Ga2O3薄膜質量較高。但目前高質量的β-Ga2O3單晶襯底的成本極高，且襯底的熱導率低，散熱性能較差，這些因素都不利于β-Ga2O3基器件的實際應用。與同質外延相比，β-Ga2O3薄膜的異質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用潛力。但該異質外延過程中，襯底和β-Ga2O3之間存在的晶格失配和熱失配，會導致β-Ga2O3晶體質量難以提高，這是目前β-Ga2O3異質外延過程中亟待解決的問題。

在本文中，我們將GaN高溫氧化[23-28]和MOCVD工藝相結合，探索一種提高β-Ga2O3薄膜異質外延晶體質量的新方法。該方法首先通過對GaN/藍寶石進行高溫氧化得到Ga2O3/GaN/藍寶石模板，再利用MOCVD工藝，在該模板上生長β-Ga2O3薄膜。本文將主要討論Ga2O3/GaN/藍寶石模板的高溫氧化、MOCVD工藝參數等對β-Ga2O3薄膜質量的影響并進行理論分析。

2 實 驗

本實驗中使用的GaN薄膜厚度為2 μm，由MOCVD工藝在c面藍寶石襯底上制備而成[29]。我們將GaN/藍寶石依次在丙酮、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，取出用氮氣吹干。然后將樣品置入石英舟中，并將石英舟放入水平管式高溫加熱爐中進行實驗，實驗氧化溫度為950 ℃[30-31]，氧化完成后在氧氣氛圍內降至室溫。氧化和降溫過程中通入高純氧氣的流速均為6 L/h。MOCVD設備(Emcore-D180，美國)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。

我們通過原子力顯微鏡(AFM，Veeco，Plainview，NY，美國)觀測氧化得到的Ga2O3薄膜的表面狀態，X射線衍射儀(XRD，Rigaku TTRIII，日本)測試β-Ga2O3薄膜的晶體質量，場發射掃描電子顯微鏡(FESEM，JSM-7610，日本)觀察樣品的表面和斷面形貌。

3 結果與討論

3.1 Ga2O3/GaN/藍寶石模板的AFM照片分析

為了優化形成高質量Ga2O3/GaN/藍寶石模板表面所需要的氧化時間，我們取5個相同的GaN/藍寶石樣品，分別標記為A～E，并在950 ℃下分別氧化5，10，15，20，25 min，之后對樣品進行AFM測試，并將AFM照片在圖片中線位置進行橫向掃描，得到的結果如圖1所示。

從圖1中可以看出，當GaN開始氧化后，表面首先出現Ga2O3顆粒，樣品A表面Ga2O3顆粒直徑(顆粒的直徑于圖1(f)內標注)約為0.62 μm。從樣品A～D的AFM照片中可以發現，隨著氧化時間的增加，GaN表面Ga2O3顆粒數目、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。當氧化時間達到25 min時，樣品E表面已全部被Ga2O3薄層覆蓋，同時表面粗糙度和顆粒直徑都下降。出現這種現象的原因主要是樣品E表面已經完全被氧化，此時如果繼續增加氧化時間，對表面的影響較小。所以整層Ga2O3薄層的形成更利于薄層表面均勻性的提高。但通過與文獻報道的結果對比[32-34]，我們發現利用該方法獲得的β-Ga2O3薄膜與其他外延方法制備的β-Ga2O3薄膜質量仍有較大差距，因此我們將在Ga2O3/GaN/藍寶石模板上以MOCVD工藝繼續生長β-Ga2O3薄膜，通過優化生長條件來吸收氧化層中大量的缺陷與位錯，進而提高β-Ga2O3薄膜的晶體質量。

圖1 (a)～(e)不同氧化時間下樣品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薄膜的場發射掃描電子顯微鏡照片分析

為了進一步表征薄膜的表面形貌，我們對樣品E1～E4表面進行FESEM測試，測試得到的照片如圖3所示。從圖3中可以看到，樣品E1表面形態較差，存在局部深黑色缺陷區域。樣品E2～E4的表面形貌良好，均勻無裂痕，并且可以觀察到單斜狀態的六面體形態的結晶顆粒。結晶顆粒之間具有明顯邊界，且隨著生長溫度的升高，結晶顆粒減小，密度增加。這是因為在750 ℃的生長溫度下，反應原子獲得的能量較低，運動速度較慢，影響了原子向相應晶格位置的運動，導致β-Ga2O3薄膜質量較低。而通過升高生長溫度，可以有效地增加原子的動能，提高β-Ga2O3薄膜的晶體質量。

圖3 樣品 E1～E4的表面FESEM照片

為確定薄膜厚度和斷面形貌，我們對樣品E1～E4進行斷面FESEM測試，測試得到的照片如圖4所示。從圖4可以看到，藍寶石襯底、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薄膜之間卻未發現明顯的邊界。這說明我們將GaN/Ga2O3間的異質外延有效地轉化為了β-Ga2O3的同質外延。β-Ga2O3薄膜上表面較光滑，這說明以MOCVD工藝制備的β-Ga2O3薄膜具有良好的均勻性，實驗達到了我們的預期效果。

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，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。從圖中可以發現，Ga2O3層總厚度約為400 nm。由于GaN氧化表面形成的Ga2O3薄膜很薄，與生長的薄膜相比可以忽略，所以我們可以得到MOCVD工藝生長β-Ga2O3薄膜的速率約為400 nm/30 min，這與我們設備的生長速率相吻合。

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薄膜質量對比

為了驗證Ga2O3/GaN/藍寶石模板上制備的β-Ga2O3薄膜是否具有更好的晶體質量，我們對樣品E2與在藍寶石襯底和GaN/藍寶石模板上MOCVD工藝制備的β-Ga2O3薄膜進行了XRD測試與對比。其中，在藍寶石襯底和GaN/藍寶石模板上通過MOCVD工藝制備β-Ga2O3薄膜的工藝條件是我們之前實驗的優化條件。測試結果如圖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 論

我們將GaN高溫氧化和MOCVD工藝兩種方法相結合生長了β-Ga2O3薄膜。實驗首先通過GaN高溫氧化25 min，獲得Ga2O3薄層，進而制成Ga2O3/GaN/藍寶石模板，然后通過MOCVD工藝在Ga2O3/GaN/藍寶石模板上繼續生長β-Ga2O3薄膜。對樣品表面形態、晶體質量等進行了測試與分析。結果表明，GaN高溫氧化得到的Ga2O3薄膜表面粗糙，質量較差，而通過800 ℃以上的MOCVD工藝在Ga2O3/GaN/藍寶石模板上生長得到的β-Ga2O3薄膜表現為單晶態，表面均勻，無裂痕，其晶體質量優于在藍寶石襯底和GaN/藍寶石模板上制備的β-Ga2O3薄膜。該方法成功地將β-Ga2O3薄膜在藍寶石襯底或GaN/藍寶石模板上的異質外延轉化為了Ga2O3/GaN/藍寶石模板上的同質外延，有效地減小了β-Ga2O3薄膜和藍寶石、GaN之間較大的晶格失配和熱失配，更加有利于提高β-Ga2O3薄膜的晶體質量。但這種方法獲得的β-Ga2O3薄膜質量仍存在提升空間，主要是因為GaN/藍寶石模板經高溫氧化形成的Ga2O3薄膜質量不高。該問題也將在今后的實驗中不斷優化。本研究探索了一種制備高質量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。