李政達， 焦 騰， 董 鑫， 刁肇悌， 陳 威

(吉林大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院， 集成光電子學(xué)國家重點聯(lián)合實驗室， 吉林 長春 130012)

1 引 言

近年來，隨著電力電子器件的飛速發(fā)展，人們對半導(dǎo)體材料提出了越來越高的要求。作為一種新型的超寬禁帶半導(dǎo)體材料，Ga2O3的禁帶寬度更大，達到了4.9 eV[1-4]；擁有8 MV·cm-1的理論擊穿場強和3 444的巴利伽優(yōu)值。這些特性使得Ga2O3基功率器件在更耐高壓的同時具有更低的功耗，在大功率器件制備領(lǐng)域有廣闊的發(fā)展前景[5-10]。此外，Ga2O3在日盲紫外探測器、光探測器等領(lǐng)域同樣有廣泛的應(yīng)用價值[11]。

Ga2O3有6種同分異構(gòu)體，包含5種穩(wěn)定相和1種瞬態(tài)相，在這6種形態(tài)之中，具有單斜晶體結(jié)構(gòu)的β-Ga2O3有著良好的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性，得到了科研人員的廣泛關(guān)注。目前，常見的制備β-Ga2O3薄膜的方法主要有磁控濺射法[12-14]、鹵化物氣相外延法(HVPE)[15-18]和金屬有機化學(xué)氣相沉積(MOCVD)[19-25]等?？紤]到高壓氧化鎵功率器件需要Ga2O3薄膜的厚度達到數(shù)微米，而HVPE法具有生長速度快的優(yōu)點，所以目前制備氧化鎵器件所使用的高厚度Ga2O3薄膜基本是通過HVPE制備的。如Nikolaev等通過HVPE法在c面藍寶石上生長了厚度為11 μm的α-Ga2O3薄膜，生長速度在1～2 μm·h-1之間[26]；Nadeemullah等通過HVPE法生長了20 μm厚的β-Ga2O3薄膜，并利用15 keV的X射線同步輻射對薄膜的位錯和微觀結(jié)構(gòu)特性做了詳細的分析[27]。但是HVPE工藝存在制備薄膜的成本較高、設(shè)備普及量低等缺點。相較于HVPE，MOCVD具有成本低、膜厚控制精確、實驗重復(fù)性好等優(yōu)點[28]，是目前工業(yè)生產(chǎn)中采用的主要工藝。

本文通過MOCVD工藝成功制備出了高厚度β-Ga2O3薄膜，薄膜厚度達到了4.15 μm。此外，通過控制工藝條件，研究了SiH4流量對β-Ga2O3薄膜晶體質(zhì)量和電學(xué)特性的影響，實現(xiàn)了載流子濃度在3.6×1016～ 5.3×1018cm-3范圍內(nèi)的n型穩(wěn)定可控摻雜，這為我們后續(xù)制備氧化鎵基器件奠定了基礎(chǔ)。

2 實 驗

為了盡量減少異質(zhì)外延帶來的晶格失配和位錯，本實驗在(001)方向的單晶Ga2O3襯底上，采用MOCVD工藝生長了β-Ga2O3薄膜。實驗流程如下：首先是清洗襯底，將Ga2O3襯底依次用丙酮、乙醇、去離子水超聲清洗5 min，隨后取出襯底，用氮氣吹干。將清洗后的襯底放入MOCVD反應(yīng)室。實驗中采用三甲基鎵(TMGa，6N)作為鎵源，溫度設(shè)置為1 ℃，高純氧氣(5N)做氧源，使用高純氬氣(6N)作為TMGa的載氣，硅烷(SiH4, 5×10-5)和氮氣的混合氣作為硅摻雜源。薄膜生長過程中，控制氬氣流量為55 mL·min-1，氧氣流量為600 mL·min-1，反應(yīng)室內(nèi)的壓強為4 000 Pa(40 mbar)，生長溫度為750 ℃，生長時間為5 h。在控制SiH4流量分別為0，4，6，8，10 mL·min-1的條件下(SiH4摻雜量依次為0，0.06，0.09，0.12，0.15 mL)，利用MOCVD設(shè)備(Emcore-D180,美國)制備出5組不同SiH4摻雜源濃度的β-Ga2O3薄膜，以研究SiH4流量對β-Ga2O3薄膜特性的影響。

我們利用X射線衍射儀(XRD，Rigaku TTRIII，日本)表征薄膜晶體質(zhì)量；利用掃描電子顯微鏡(SEM，JEOL，JSM- 6700F，日本)測量薄膜的厚度并觀察薄膜的形貌；使用原子力顯微鏡(AFM，Veeco，Plain-View，NY，美國)觀察薄膜表面結(jié)構(gòu)和粗糙度；采用霍爾測試儀(Accent, HL5500PC, Hertfordshire,UK)測定薄膜內(nèi)載流子濃度和載流子遷移率。

3 結(jié)果與討論

3.1 X射線衍射結(jié)果分析

圖1是在不同SiH4流量下所制備β-Ga2O3薄膜的XRD圖譜，其中圖1(a)為各樣品的2θ掃描曲線。如圖所示，所有樣品均在2θ= 15.5°和2θ=31.2°附近存在尖銳的衍射峰，分別對應(yīng)于β-Ga2O3的(001)和(002)晶面，說明通過MOCVD工藝制備出的β-Ga2O3薄膜結(jié)晶質(zhì)量良好。同時，與沒有通SiH4的薄膜相比，通入SiH4的薄膜沒有出現(xiàn)其他衍射峰，說明摻雜并未使β-Ga2O3的晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。圖1(b)為(002)晶面的雙晶搖擺曲線，可以發(fā)現(xiàn)，隨著SiH4流量的增加，衍射峰逐漸向大角度方向偏移。這是因為Si的離子半徑比Ga離子小，在摻雜過程中Si離子逐漸取代晶格上的Ga離子，使得晶面間距減小導(dǎo)致的。根據(jù)布拉格方程：

2dsinθ=nλ，

(1)

其中晶面間距d變小，衍射波波長λ不變，所以θ增大，從而導(dǎo)致衍射峰整體向大角度方向偏移[29]。此外，隨著摻雜濃度增大，衍射峰半峰寬也不斷增大。值得注意的是，當SiH4流量為10 mL·min-1時，除了上述的衍射峰外，在15.78°附近還出現(xiàn)了一個較弱較寬的衍射峰。這與摻雜濃度過大導(dǎo)致薄膜質(zhì)量降低以及摻雜導(dǎo)致的晶格常數(shù)減小有著密不可分的關(guān)系，同時說明了摻雜濃度的增加不利于薄膜高晶體質(zhì)量的保持[30]。

圖1 不同SiH4流量下的β-Ga2O3薄膜 XRD掃描圖譜。(a)2θ掃描圖譜；(b)(002)晶面雙晶搖擺曲線圖譜。

3.2 SEM掃描結(jié)果分析

為了觀察薄膜表面形貌，我們對各樣品進行了SEM測試。圖2(a)～(d)分別是SiH4流量為0，6，8，10 mL·min-1樣品的SEM掃描圖，從圖中可以看出，未摻雜的樣品表面非常平整且致密緊湊，基本觀察不到明顯凸起和臺階。當SiH4流量為6 mL·min-1時，薄膜表面出現(xiàn)明顯臺階，臺階方向一致，間隔大小較為規(guī)律，這與Ga2O3臺階流生長模式一致。隨著摻雜濃度進一步增加，臺階變得稀疏粗糙，臺階間隔變大。當SiH4流量為10 mL·min-1時，臺階進一步退化，薄膜表面逐漸出現(xiàn)雜質(zhì)點，薄膜質(zhì)量明顯下降。這是因為摻雜的Si原子會影響Ga原子和O原子的遷移速率和不同方向上的能量分布，從而影響薄膜生長取向，降低了結(jié)晶質(zhì)量，這與XRD分析結(jié)果一致。此外，為了測試薄膜厚度，我們對樣品進行了SEM截面圖的測試。圖3為未摻雜的β-Ga2O3薄膜截面SEM照片。從圖中可以看出，β-Ga2O3薄膜厚度約為4.15 μm，這一數(shù)值已經(jīng)可以用來制備肖特基勢壘二極管等器件[31]。此外，根據(jù)薄膜厚度與生長時間可知，在該生長條件下，MOCVD工藝生長薄膜的速率約為0.8 μm·h-1。

圖2 不同SiH4流量的β-Ga2O3薄膜SEM圖片。(a)0 mL·min-1；(b)6 mL·min-1；(c)8 mL·min-1；(d)10 mL·min-1。

圖3 β-Ga2O3薄膜的橫截面SEM圖片

3.3 AFM結(jié)果分析

為了表征樣品表面的粗糙程度，我們對樣品進行了AFM測試，圖4(a)～(d)分別是SiH4流量為0，6，8，10 mL·min-1薄膜的表面AFM圖。通過分析發(fā)現(xiàn)，薄膜表面粗糙度依次為：0.585，3.35，6.21，8.62 nm。圖5為AFM表面沿直線掃描圖，掃描方向如圖4中的標注。結(jié)合圖4可以看出，沒有通SiH4的薄膜，其表面的臺階均勻、完整、有序，并且臺階的高度非常低，約為2 nm。我們推測，過低的臺階高度使得SEM在較低的放大倍數(shù)下，難以清晰地觀察到薄膜表面形貌。通入SiH4后，薄膜表面的臺階明顯變高，且隨著摻雜濃度的增加，臺階排列周期顯著增加，臺階高度不斷提高，從而增加了薄膜表面粗糙度。該測試結(jié)果與XRD和SEM分析得到的結(jié)果相符，說明SiH4在一定程度上破壞了Ga2O3薄膜的表面形貌，降低了薄膜結(jié)晶質(zhì)量。

圖4 不同SiH4流量的β-Ga2O3薄膜AFM測試圖片。(a)0 mL·min-1；(b)6 mL·min-1；(c)8 mL·min-1；(d)10 mL·min-1。

圖5 薄膜的橫向掃描圖

3.4 Hall測試分析

表1和圖6為薄膜霍爾測試的結(jié)果。從中可以看出，未摻雜薄膜的電子濃度非常低，這說明未摻雜β-Ga2O3薄膜內(nèi)本征缺陷較低，晶體質(zhì)量較高。對于n型摻雜的β-Ga2O3薄膜，隨著SiH4流量的增加，薄膜內(nèi)電子濃度逐漸增大，載流子遷移率逐漸下降。其原因是薄膜摻雜后，Si原子有效替代了Ga原子從而電離出導(dǎo)電電子。而摻雜的增加不僅增加了薄膜電子濃度，也會增加薄膜內(nèi)缺陷密度，從而增強了載流子散射效應(yīng)，使得電子遷移率降低。通過實驗測得制備的摻雜β-Ga2O3薄膜電子濃度可以控制在3.6×1016～ 5.3×1018cm-3范圍內(nèi)，在電子濃度低至3.6×1016cm-3的條件下，電子遷移率達137 cm2·V-1·s-1，這與通過其他工藝制備的β-Ga2O3薄膜電學(xué)性質(zhì)基本一致。

表1 霍爾測試結(jié)果

圖6 摻雜薄膜的霍爾測試圖

4 結(jié) 論

我們以SiH4為n型摻雜源，利用MOCVD技術(shù)在(001)方向的Ga2O3襯底上生長出了高厚度的n型β-Ga2O3薄膜，并且研究了SiH4流量對薄膜晶體質(zhì)量和電學(xué)特性的影響。研究發(fā)現(xiàn)，摻雜會在一定程度上降低薄膜晶體質(zhì)量，這是由于Si原子替代Ga原子從而導(dǎo)致晶格變化引起的。此外，制備的β-Ga2O3薄膜厚度達到了4.15 μm，從而計算出薄膜生長速率約為0.8 μm·h-1。薄膜電子濃度可以在3.6×1016～ 5.3×1018cm-3范圍內(nèi)穩(wěn)定控制；在電子濃度為3.6×1016cm-3的條件下測得電子遷移率達137 cm2·V-1·s-1。我們通過本實驗驗證了MOCVD工藝生長高厚度Ga2O3薄膜的可行性，這有利于氧化鎵基功率器件的制備。但MOCVD工藝的生長速率相較于HVPE和mist-CVD仍存在差距，所以提高其生長速度將是我們下一步實驗的研究重點。

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