Ga2O3/GaN/蓝宝石模板上β-Ga2O3薄膜的生长

焦 腾， 李赜明， 王 谦， 董 鑫*， 张源涛， 柏 松， 张宝林， 杜国同

(1. 吉林大学 电子科学与工程学院， 集成光电子学国家重点联合实验室， 吉林 长春 130012;2. 宽禁带半导体电力电子器件国家重点实验室， 南京电子器件研究所， 江苏 南京 210016)

1 引 言

随着现代半导体工业和微电子工业的迅速发展，宽禁带和超宽禁带半导体材料已经成为国际研究的热点。β-Ga2O3是一种新型的超宽禁带氧化物半导体，禁带宽度约为4.9 eV[1-3]，在短波光子学和透明电子学领域是最具代表性的半导体材料之一。β-Ga2O3的击穿电场强度为8 MV/cm，远超过Si、SiC、氮化物和一些氧化物半导体，这使得以该材料制备的功率器件在很高的电压下仍然能以单极器件的模式工作。此外，β-Ga2O3材料的导通电阻很低，在同样的击穿电压下，氧化镓单极器件的导通损耗可比SiC和GaN低一个数量级以上。β-Ga2O3的Baliga优值约为3 444，是4H-SiC和GaN的数倍。这些优良的性质使得β-Ga2O3在日盲紫外探测器、场效应晶体管、各类传感元件以及电致/光致发光薄膜器件等方面具有巨大的应用潜力[4-10]。

在目前已报道的文献中[11-22]，β-Ga2O3薄膜制备方法主要可分为同质外延和异质外延两大类。由于同质外延不存在晶格失配与热失配的问题，所以得到的β-Ga2O3薄膜质量较高。但目前高质量的β-Ga2O3单晶衬底的成本极高，且衬底的热导率低，散热性能较差，这些因素都不利于β-Ga2O3基器件的实际应用。与同质外延相比，β-Ga2O3薄膜的异质外延衬底选择范围广，且成本低、散热性好，在制备功率器件方面具有极大的应用潜力。但该异质外延过程中，衬底和β-Ga2O3之间存在的晶格失配和热失配，会导致β-Ga2O3晶体质量难以提高，这是目前β-Ga2O3异质外延过程中亟待解决的问题。

在本文中，我们将GaN高温氧化[23-28]和MOCVD工艺相结合，探索一种提高β-Ga2O3薄膜异质外延晶体质量的新方法。该方法首先通过对GaN/蓝宝石进行高温氧化得到Ga2O3/GaN/蓝宝石模板，再利用MOCVD工艺，在该模板上生长β-Ga2O3薄膜。本文将主要讨论Ga2O3/GaN/蓝宝石模板的高温氧化、MOCVD工艺参数等对β-Ga2O3薄膜质量的影响并进行理论分析。

2 实 验

本实验中使用的GaN薄膜厚度为2 μm，由MOCVD工艺在c面蓝宝石衬底上制备而成[29]。我们将GaN/蓝宝石依次在丙酮、乙醇、去离子水中超声清洗5 min后，放入由浓盐酸和去离子水体积比1∶1的混合溶液中浸泡5 min，取出用氮气吹干。然后将样品置入石英舟中，并将石英舟放入水平管式高温加热炉中进行实验，实验氧化温度为950 ℃[30-31]，氧化完成后在氧气氛围内降至室温。氧化和降温过程中通入高纯氧气的流速均为6 L/h。MOCVD设备(Emcore-D180，美国)使用三甲基镓(TMGa，6N)和高纯氧气(5N)作为镓源和氧源，高纯氩气(6N)作TMGa的载气。

我们通过原子力显微镜(AFM，Veeco，Plainview，NY，美国)观测氧化得到的Ga2O3薄膜的表面状态，X射线衍射仪(XRD，Rigaku TTRIII，日本)测试β-Ga2O3薄膜的晶体质量，场发射扫描电子显微镜(FESEM，JSM-7610，日本)观察样品的表面和断面形貌。

3 结果与讨论

3.1 Ga2O3/GaN/蓝宝石模板的AFM照片分析

为了优化形成高质量Ga2O3/GaN/蓝宝石模板表面所需要的氧化时间，我们取5个相同的GaN/蓝宝石样品，分别标记为A～E，并在950 ℃下分别氧化5，10，15，20，25 min，之后对样品进行AFM测试，并将AFM照片在图片中线位置进行横向扫描，得到的结果如图1所示。

从图1中可以看出，当GaN开始氧化后，表面首先出现Ga2O3颗粒，样品A表面Ga2O3颗粒直径(颗粒的直径于图1(f)内标注)约为0.62 μm。从样品A～D的AFM照片中可以发现，随着氧化时间的增加，GaN表面Ga2O3颗粒数目、颗粒直径逐渐增加，GaN表面逐渐被Ga2O3颗粒覆盖。样品D表面Ga2O3颗粒直径已达到0.9 μm且基本被Ga2O3覆盖。样品A～D的表面粗糙度由1.39增加至3.31。当氧化时间达到25 min时，样品E表面已全部被Ga2O3薄层覆盖，同时表面粗糙度和颗粒直径都下降。出现这种现象的原因主要是样品E表面已经完全被氧化，此时如果继续增加氧化时间，对表面的影响较小。所以整层Ga2O3薄层的形成更利于薄层表面均匀性的提高。但通过与文献报道的结果对比[32-34]，我们发现利用该方法获得的β-Ga2O3薄膜与其他外延方法制备的β-Ga2O3薄膜质量仍有较大差距，因此我们将在Ga2O3/GaN/蓝宝石模板上以MOCVD工艺继续生长β-Ga2O3薄膜，通过优化生长条件来吸收氧化层中大量的缺陷与位错，进而提高β-Ga2O3薄膜的晶体质量。

图1 (a)～(e)不同氧化时间下样品A～E的AFM照片；(f)样品A～E的AFM横向扫描图。

3.2 β-Ga2O3薄膜的X射线衍射图分析

图2 不同生长温度下样品E1～E4的XRD图谱

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

3.3 β-Ga2O3薄膜的场发射扫描电子显微镜照片分析

为了进一步表征薄膜的表面形貌，我们对样品E1～E4表面进行FESEM测试，测试得到的照片如图3所示。从图3中可以看到，样品E1表面形态较差，存在局部深黑色缺陷区域。样品E2～E4的表面形貌良好，均匀无裂痕，并且可以观察到单斜状态的六面体形态的结晶颗粒。结晶颗粒之间具有明显边界，且随着生长温度的升高，结晶颗粒减小，密度增加。这是因为在750 ℃的生长温度下，反应原子获得的能量较低，运动速度较慢，影响了原子向相应晶格位置的运动，导致β-Ga2O3薄膜质量较低。而通过升高生长温度，可以有效地增加原子的动能，提高β-Ga2O3薄膜的晶体质量。

图3 样品 E1～E4的表面FESEM照片

为确定薄膜厚度和断面形貌，我们对样品E1～E4进行断面FESEM测试，测试得到的照片如图4所示。从图4可以看到，蓝宝石衬底、GaN和Ga2O3薄膜之间的界面非常清晰。而由GaN氧化的Ga2O3和以MOCVD工艺制备的β-Ga2O3薄膜之间却未发现明显的边界。这说明我们将GaN/Ga2O3间的异质外延有效地转化为了β-Ga2O3的同质外延。β-Ga2O3薄膜上表面较光滑，这说明以MOCVD工艺制备的β-Ga2O3薄膜具有良好的均匀性，实验达到了我们的预期效果。

图4 样品E1～E4的断面FESEM照片

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

为了更加清晰地观察β-Ga2O3薄膜形态，我们将样品E2断面FESEM照片做了局部放大，放大后照片如图5所示。从图中可以发现，Ga2O3层总厚度约为400 nm。由于GaN氧化表面形成的Ga2O3薄膜很薄，与生长的薄膜相比可以忽略，所以我们可以得到MOCVD工艺生长β-Ga2O3薄膜的速率约为400 nm/30 min，这与我们设备的生长速率相吻合。

图5 E2样品局部放大FESEM截面图片

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

3.4 β-Ga2O3薄膜质量对比

为了验证Ga2O3/GaN/蓝宝石模板上制备的β-Ga2O3薄膜是否具有更好的晶体质量，我们对样品E2与在蓝宝石衬底和GaN/蓝宝石模板上MOCVD工艺制备的β-Ga2O3薄膜进行了XRD测试与对比。其中，在蓝宝石衬底和GaN/蓝宝石模板上通过MOCVD工艺制备β-Ga2O3薄膜的工艺条件是我们之前实验的优化条件。测试结果如图6所示。

图6 不同衬底或模板上制备β-Ga2O3薄膜的XRD图谱

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

4 结 论

我们将GaN高温氧化和MOCVD工艺两种方法相结合生长了β-Ga2O3薄膜。实验首先通过GaN高温氧化25 min，获得Ga2O3薄层，进而制成Ga2O3/GaN/蓝宝石模板，然后通过MOCVD工艺在Ga2O3/GaN/蓝宝石模板上继续生长β-Ga2O3薄膜。对样品表面形态、晶体质量等进行了测试与分析。结果表明，GaN高温氧化得到的Ga2O3薄膜表面粗糙，质量较差，而通过800 ℃以上的MOCVD工艺在Ga2O3/GaN/蓝宝石模板上生长得到的β-Ga2O3薄膜表现为单晶态，表面均匀，无裂痕，其晶体质量优于在蓝宝石衬底和GaN/蓝宝石模板上制备的β-Ga2O3薄膜。该方法成功地将β-Ga2O3薄膜在蓝宝石衬底或GaN/蓝宝石模板上的异质外延转化为了Ga2O3/GaN/蓝宝石模板上的同质外延，有效地减小了β-Ga2O3薄膜和蓝宝石、GaN之间较大的晶格失配和热失配，更加有利于提高β-Ga2O3薄膜的晶体质量。但这种方法获得的β-Ga2O3薄膜质量仍存在提升空间，主要是因为GaN/蓝宝石模板经高温氧化形成的Ga2O3薄膜质量不高。该问题也将在今后的实验中不断优化。本研究探索了一种制备高质量β-Ga2O3薄膜的新工艺，为GaN基器件性能的提高提供了一种新思路。