一种在氧化镓材料中掺杂金属原子的实现方法与流程

1.本发明属于属于微电子掺杂技术领域，尤其涉及一种在氧化镓材料中掺杂金属原子的实现方法。


背景技术：

2.随着半导体行业和集成电路技术的快速发展，超宽禁带半导体慢慢崛起。其中一种直接带隙的超宽禁带半导体材料氧化镓(ga2o3)，因其具有超高的击穿场强等优势，在电力电子器件，如功率电子器件、日盲紫外光电探测器、发光二极管、信息存储器、射波与微波、气敏传感器、透明导电电极等领域中有着巨大的应用前景。
3.纯正的半导体靠本征激发产生载流子导电，但仅仅依靠本征激发产生的载流子数量很少，导电能力极弱，且容易受到外界因素如温度等的影响。掺杂能够提高ga2o3的导电性、透明性和发光性等性质，因为掺杂能改变晶体内部结构和其特性(如：调节晶格应力、诱发结构相变、提高结晶质量、优化物理特性等)。为了让半导体具有特定的性质，掺杂技术则必不可少。
4.以功率半导体为基础的功率电子器件都是由晶体管和二极管构成的，而晶体管需要p型和n型半导体。ga2o3因本征条件下存在氧空位缺陷，呈现n型弱导电特性，同时大量的实验结果表明，所掺杂的受主杂质都是较深的跃迁能级，即得到的p型ga2o3的电阻率特别大，这也就导致p型ga2o3难以获得，极大地限制了ga2o3在器件方面的应用。


技术实现要素：

5.本发明要解决的技术问题是：提供一种在氧化镓材料中掺杂金属原子的实现方法，以解决现有技术提高p型ga2o3导电能力难以实现的技术问题。
6.本发明的技术方案是：
7.一种在氧化镓材料中掺杂金属原子的实现方法，它包括：
8.步骤1、选取c面蓝宝石(al2o3)作为衬底材料；
9.步骤2、采用射频磁控溅射制备在衬底材料上制备出β-ga2o3薄膜材料；
10.步骤3、将磁控溅射后的样品放入水平管式高温扩散炉中进行后退火处理；
11.步骤4、退火后采用xrd和afm测试仪器检测样品的薄膜结构和晶体表面粗糙程度；
12.步骤5、掺杂：采用双靶交替即射频溅射ga2o3和直流溅射金属薄膜交替在同一衬底上进行磁控溅射制备“ga2o3/金属/
……
/金属/ga2o
3”的复合结构；
13.步骤6、掺杂完成后采用扩散炉对所得复合结构样品进行退火处理，退火参数同步骤3.2参数。
14.它还包括：
15.步骤7、利用xrd和afm表征薄膜材料样品，检测“ga2o3/金属/
……
/金属/ga2o
3”复合结构的性质；
16.步骤8、设计激光区熔实验，通过高能激光束扫描样品；
17.步骤9、激光区熔后再利用表征设备对“ga2o3/金属/
……
/金属/ga2o
3”复合结构进行结构性质以及电性质的测试。
18.步骤1选取衬底材料时对衬底进行清洗，清洗方法为：
19.步骤1.1、首先将蓝宝石衬底切割成1
×
1cm2正方形，放入聚四氟乙烯清洗花篮中进行去离子水冲洗；
20.步骤1.2、再将衬底依次在无水乙醇、丙酮、无水乙醇溶液超声波清洗15min；
21.步骤1.3、再用去离子水冲洗，完成后用氮气吹干，放入氮气柜备用。
22.步骤2所述采用射频磁控溅射制备在衬底材料上制备出β-ga2o3薄膜材料的方法具体包括：
23.步骤2.1、将洗净的蓝宝石衬底放入射频磁控溅射仪中，固定磁控溅射的氧气和氩气流量比、工作压强、溅射功率和沉积时间，仅改变衬底温度，得出最优的衬底温度；
24.步骤2.2、同步骤2.1，依次得最优的各磁控溅射工艺参数；最优参数为：衬底温度500℃，氧气流量2.3sccm、氩气流量46.2sccm，氧氩比2.3:46.2，工作压强1.0pa，溅射功率150w，沉积时间90min。退火处理的具体方法包括：
25.步骤3.1、固定退火温度和退火时间，仅改变退火气氛，得出最优的退火气氛；
26.步骤3.2、同步骤3.1，依次得最优的退火工艺参数；最优参数为：退火温度1000℃，氧气退火气氛，退火时间90min。
27.步骤5所述掺杂的具体方法为：先在蓝宝石衬底上溅射ga2o3薄膜，然后在此基础上溅射金属薄膜，接着再溅射ga2o3薄膜，以次交替重复，最后表面溅射ga2o3薄膜作为结束。
28.溅射金属薄膜的时间需小于溅射氧化镓薄膜的时间。
29.激光区熔实验的方法为：光学系统将激光聚焦，送粉喷嘴将粉末流聚焦，并使两焦点重合，聚焦激光将粉末流和基体熔化，冷却凝固后形成冶金结合，运动系统实现基材和加工头的相对运动，最终实现整个基材表面的激光区熔。
30.激光的能量即功率满足使得β-ga2o3复合结构薄膜熔化，但蓝宝石衬底不熔化。
31.本发明的有益效果是：
32.本发明一种在氧化镓材料中掺杂金属原子的工艺技术利用磁控溅射方式在ga2o3里掺入金属原子，具有工艺操作简单，镀膜效果致密的优点，有利于实现实验过程并或得良好的掺杂效果。本发明重点关于往ga2o3中掺杂金属原子，有利于各种可行的金属原子的掺杂，适用范围较广，对ga2o3的p型掺杂研究提供极大的优良条件和新思路。对于往ga2o3中掺杂金属原子大都属于p型掺杂，本发明有利于实现ga2o3的p型掺杂，得到不同电导率的ga2o3薄膜材料；有利于解决现有阶段提高p型导电能力难以实现的难题；有利于获得ga2o3的pn结导电二极管和晶体管，以制备基于超宽禁带半导体ga2o3大功率电子器件以及其他各方面的应用器件，扩展超宽禁带半导体的全面发展。
33.解决了现有技术提高p型ga2o3导电能力难以实现等技术问题。
附图说明：
34.图1为本发明流程示意图；
35.图2为本发明具体实施方式制备出的复合结构剖面示意图。
具体实施方式
36.步骤1、选取c面蓝宝石(al2o3)作为衬底材料制备β-ga2o3薄膜。
37.步骤1.1、清洗衬底。不洁净的衬底对薄膜与衬底的粘附力以及薄膜的连续性有不利影响。为了保证薄膜材料的质量不受影响，需对衬底进行严格的清洗。清洗流程：首先将蓝宝石衬底切割成1
×
1cm2正方形大小，放入聚四氟乙烯清洗花篮中进行去离子水冲洗，以致去除衬底制备时附着的大颗粒物和切割时残留的碎渣。再将衬底依次在无水乙醇、丙酮、无水乙醇溶液超声波清洗15min，以确保能够有效地去除衬底的有机杂质。最后，再用去离子水冲洗，目的是为了清洗掉上一步骤所用到的有机溶液，避免影响后续实验。完成后用氮气吹干，放入氮气柜备用。
38.步骤2、射频磁控溅射制备高质量的β-ga2o3薄膜材料。
39.步骤2.1掺杂前提是基于高质量的薄膜材料，需要制备出质量较高的β-ga2o3薄膜材料。将洗净的蓝宝石衬底放入射频磁控溅射仪中，固定磁控溅射的氧气和氩气流量比、工作压强、溅射功率和沉积时间，仅改变衬底温度，分别得出不同衬底温度(200℃、300℃、400℃、500℃和550℃)的样品；
40.步骤2.2、同步骤2.1的方法，依次可得不同氧气和氩气流量比(1.2sccm:46.2sccm、1.8sccm:46.2sccm、2.3sccm:46.2sccm、2.8sccm:46.2sccm、4.6sccm:46.2sccm、9.2sccm:46.2sccm和18.4sccm:46.2sccm)的样品、不同工作压强(0.6pa、1.0pa、1.4pa、1.9pa、2.5pa和3.0pa)的样品、不同溅射功率(90w、110w、130w、150w和170w)的样品和不同沉积时间(30min、60min、90min和120min)的样品。
41.步骤3、将磁控溅射后的样品放入水平管式高温扩散炉中进行后退火处理。
42.步骤3.1、为了得到步骤2中射频磁控溅射的最优工艺参数，固定退火温度、退火时间和退火气氛，将样品进行退火处理；
43.步骤3.2、为了得到退火的最优工艺参数，固定退火温度和退火时间，仅改变退火气氛，得到不同退火气氛(氧气和氮气)的样品；步骤3.3、同步骤3.2的方法，依次可得不同退火温度(600℃、700℃、800℃、900℃、1000℃和1100℃)的样品和不同退火时间(60min、90min、120min、150min和180min)的样品。
44.步骤4、退火后采用xrd和afm测试仪器检测样品的薄膜结构和晶体表面粗糙程度。通过xrd图和afm图对比分析，衬底温度500℃，氧气流量2.3sccm、氩气流量46.2sccm(氧氩比2.3:46.2)，工作压强1.0pa，溅射功率150w，沉积时间90min，退火温度1000℃，氧气退火气氛，退火时间90min下，样品薄膜的xrd峰强最强，半峰宽最小，即薄膜的结晶质量最优；同时afm图表明上述参数条件下，晶体表面原子分布最平整致密，且表面粗糙程度最小，薄膜的表面形貌结构最好。
45.步骤5、掺杂：采用双靶交替(射频溅射ga2o3，直流溅射金属薄膜)在同一衬底上进行磁控溅射制备“ga2o3/金属/
……
/金属/ga2o
3”的复合结构，即先在蓝宝石衬底上溅射ga2o3薄膜，然后在此基础上溅射金属薄膜，接着再溅射ga2o3薄膜，以此交替重复，最后表面溅射ga2o3薄膜作为结束，结构如图1所示。其中交替的次数取决于溅射氧化镓单层的厚度，氧化镓单层厚度越薄，交替次数则越多，主要原因是总体的氧化镓薄膜的厚度如果太薄，会导致氧化镓薄膜的晶体质量有所下降，从而氧化镓的掺杂效果也将下降，即实现p型掺杂更困难。溅射生长金属薄膜的过程实际上为掺杂过程，所以溅射金属薄膜的时间需小于溅射
氧化镓薄膜的时间。溅射完ga2o3后迅速将磁控溅射仪上的挡板拨向ga2o3靶材一侧，起到遮挡的作用，避免多余的氧化镓沉积到蓝宝石衬底上。然后转动承载衬底的基台，将其移动到金属靶材对应的正下方，进行金属的溅射。金属溅射完毕后，同样将挡板拨向金属靶材的一侧，再将基台移动到ga2o3靶材对应的正下方，以此交替重复。
46.步骤6、掺杂完成后采用扩散炉对所得复合结构样品进行退火处理，退火参数同步骤4所得最优参数。
47.步骤7、利用xrd和afm表征薄膜材料样品，检测“ga2o3/金属/
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/金属/ga2o
3”复合结构的性质。
48.步骤8、设计激光区熔实验，通过高能激光束扫描样品。由于实验条件限制，以及β-ga2o3薄膜的良好物性对退火温度的要求限制，高温退火很有可能不能使金属杂质原子进入氧化镓的晶格。激光区熔原理是：光学系统将激光聚焦，送粉喷嘴将粉末流聚焦，并使两焦点重合，聚焦激光将粉末流和基体熔化，冷却凝固后形成冶金结合，运动系统实现基材和加工头的相对运动，最终实现整个基材表面的激光区熔。激光的能量(功率)应该满足使得β-ga2o3复合结构薄膜熔化，但蓝宝石衬底不熔化。使β-ga2o3复合结构薄膜区熔后再结晶，以确保金属杂质原子进入晶格并电离形成有效掺杂。
49.步骤9、激光区熔后再利用表征设备对“ga2o3/金属/
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/金属/ga2o
3”复合结构进行结构性质以及电性质的测试。