СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЭПИТАКСИАЛЬНЫХ ПЛЕНОК ОКСИДА ГАЛЛИЯ ПРИ ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ ПОДЛОЖКИ Российский патент 2025 года по МПК H01L21/203 

Предлагаемое изобретение относится к физике и технике полупроводников, а именно к получению высокосовершенных эпитаксиальных пленок оксида галлия при высоких температурах подложки. Способ является относительно дешевым, легко масштабируемым, а также обеспечивает сохранение чистоты получаемых пленок на уровне исходных высокочистых материалов.

Области применения пленок оксида галлия:

1. Высоковольтные силовые устройства: Используются в диодах Шоттки и транзисторах для работы при высоких напряжениях и мощностях.

2. Транзисторы с высокой подвижностью электронов (HEMT): Применяются в высокочастотной электронике, включая 5G связь и радары.

3. Фотоприемники для глубокого УФ-излучения: Используются для детектирования УФ-В и УФ-С излучения в биомедицинских исследованиях и анализе окружающей среды.

4. Оптоэлектронные устройства: Подходят для использования в УФ-светодиодах и лазерах благодаря высокой прозрачности в видимом и ближнем УФ-диапазонах.

5. Газовые сенсоры: Высокая чувствительность к кислороду и другим газам позволяет использовать Ga₂O₃ в промышленных и экологических сенсорах.

6. Прозрачные проводящие покрытия: Используются в солнечных элементах и других оптоэлектронных устройствах как прозрачные электроды с хорошей электропроводностью.

7. Солнечно-слепые фотодетекторы (UV-C фотодетекторы): Обеспечивают детектирование излучения в диапазоне глубокого ультрафиолета (200–280 нм), что находит применение в обнаружении коронных и дуговых разрядов на ЛЭП, пожарных извещателях, мониторинге озоновых дыр и др.

Рабочая область Ga₂O₃ находится в области глубокого ультрафиолета (УФ-С) в “солнечно-слепой” области спектра от 200 до 280 нм. Ширина запрещенной зоны оксида галлия составляет от 4.5 до 5.3 эВ для различных полиморфов. После 280 нм материал является почти полностью прозрачным (85-99%). Оксид галлия имеет шесть полиморфов, из которых только один полиморф является стабильным (β-Ga₂O₃), а остальные переходят в β-фазу при высоких температурах.

Получение пленок оксида галлия и других оксидных соединений осуществляется различными физическими и химическими методами, включая молекулярно-лучевую эпитаксию (MBE), химическое осаждение из паровой фазы (CVD), галогенную парофазную эпитаксию, импульсное лазерное осаждение (PLD), магнетронное распыление и др. Физические методы имеют преимущество перед химическими методами, особенно, в отношении сохранения химической чистоты получаемых пленок, что критически важно для применения в полупроводниковой электронике и оптоэлектронных устройствах.

Известен способ получения эпитаксиальных пленок β-Ga₂O₃ на кремниевых подложках методом импульсного лазерного осаждения с применением буферных слоев на основе иттрий-стабилизированного диоксида циркония (YSZ [1]) или нитрида титана (TiN [2]). Эти буферные слои играют ключевую роль в компенсации различий в параметрах решетки и теплового расширения между β-Ga₂O₃ и подложкой, что позволяет получить эпитаксиальные пленки с минимальным количеством механических напряжений и дефектов. Однако основной недостаток данного подхода заключается в необходимости использования дополнительных технологических этапов, таких как осаждение и термообработка буферных слоев, что усложняет и удорожает процесс производства, а также может негативно сказаться на однородности и чистоте пленки оксида галлия.

Известен способ получения эпитаксиальных пленок оксида галлия, описанный в статье [3], где пленки β-фазы были получены методом ВЧ-магнетронного распыления на алмазной подложке. Основным недостатком данного подхода является высокая стоимость алмазной подложки, что существенно увеличивает себестоимость производства при масштабировании. Второй недостаток заключается в ограничении температуры подложки до 700 °C из-за горения алмаза в кислородсодержащей среде, превращаясь в углекислый газ. При температуре подложки 500 °C формируется смесь β- и γ-фаз оксида галлия, что приводит к образованию полиморфной пленки. Использование таких пленок в приборных структурах может привести к деградации устройства из-за возможной рекристаллизации нестабильных фаз в β-фазу при высоких нагрузках (температурах). Кроме того, в описанном методе полуширина дифракционного пика составляет 4,1° и 3,0° при температурах подложки 600 °C и 700 °C, соответственно, что свидетельствует о низком структурном совершенстве получаемых пленок.

Широко используемым приемом для получения пленок оксида галлия с приемлемым структурным совершенством является постростовой отжиг на воздухе при температурах 900–1100 °C. В ряде работ [4, 5, 6]) пленки оксида галлия напыляются при низких температурах подложки, около 400 °C, с последующим постростовым отжигом при 1000 °C для улучшения их структурного совершенства. Однако, на рентгенограммах полученных пленок полуширина пика в лучшем случае составляет 0.48°. Дополнительные технологические операции, необходимые для улучшения структурного совершенства, также представляют собой недостаток данного подхода.

Кроме того, известен способ RU2681587C1 нанесения нанопленочных оксидных покрытий на подложку с использованием лазерного излучения, зажигающего подложку, без применения инертного газа – аргона, и рабочих газов – азота и кислорода [7]. Для оксидных (или нитридных) материалов использование данного способа не представляет преимуществ, поскольку отсутствует возможность варьирования важного технологического параметра – потока кислорода или азота в процессе напыления. Контроль этого параметра позволяет регулировать параметры роста и получать пленки с различными концентрациями кислорода. Пленки оксида галлия и других оксидных соединений, полученные таким методом, будут обеднены кислородом. Кроме того, данный способ не обеспечивает высокой адгезии, которая характерна для метода ВЧ-магнетронного распыления в инертной среде, ввиду отсутствия нагрева подложки, что препятствует воспроизведению структурных особенностей подложки и, следовательно, препятствует достижению эпитаксиальности.

Приведенные аргументы о недостатках использования рабочего газа в методах, где основой для поддержания плазмы является рабочий газ, являются несостоятельными. В предлагаемом нами способе чистота камеры обеспечивается предварительной дегазацией в глубоком вакууме с использованием ламп накаливания, а также нагревом подложки до 1300 °C.

Известно изобретение RU196867U1, позволяющее детектировать коронные и дуговые разряды на высоковольтных линиях электропередач, поскольку их излучение находится в диапазоне глубокого ультрафиолета [8]. Устройство включает сложную оптическую систему, состоящую из фильтров, дифракционных решеток и зеркальных объективов. Однако устройства такого типа имеют ряд недостатков: фильтры подвержены соляризации, что приводит к постепенной деградации и смещению полосы пропускания. Кроме того, сложность изготовления конструкции обусловлена большим количеством компонентов.

Твердотельные фотоприемники, основанные на сверхширокозонных собственных полупроводниках, лишены этих недостатков, поскольку их рабочая область соответствует диапазону 200-280 нм, то есть "солнечно-слепой" области спектра. Это делает их особенно подходящими для детектирования коронных и дуговых разрядов на высоковольтных линиях электропередач.

Существуют кремниевые фотодетекторы, работающие в глубоком ультрафиолете RU88211U1 [9]. В данном случае фотодетектор выполнен в виде транзистора с различными концентрациями носителей заряда, что усложняет процесс производства. Кроме того, для узкозонных полупроводников, таких как кремний, требуется использование дорогостоящих оптических фильтров, которые со временем подвержены деградации.

Наиболее близким по техническим параметрам к предлагаемому способу, использующему пленки оксида галлия, является изобретение RU207743U1, представляющее собой модель "солнечно-слепого" фотодетектора [10]. Использование многофазной пленки на решетчатой подложке существенно усложняет процесс производства и не позволяет достичь такой высокой чувствительности, как при использовании однофазной эпитаксиальной пленки оксида галлия. В данном изобретении полиморфные пленки оксида галлия поглощают излучение вплоть до 260 нм, что свидетельствует о меньшей ширине запрещенной зоны по сравнению с однофазной эпитаксиальной пленкой β-Ga₂O₃, полученной нашим способом. Различные фазы оксида галлия имеют различную ширину запрещенной зоны, и все, кроме β-фазы, являются нестабильными, что делает фотодетектор подверженным деградации и возможной трансформации нестабильных фаз в стабильную β-фазу.

Все перечисленные выше признаки позволяют сделать вывод о том, что предлагаемое изобретение на способ получения эпитаксиальных пленок оксидных материалов при высоких температурах подложки соответствует критерию "новизна". Изучение аналогичных прототипов получения оксидных пленок и фотодетекторов на их основе в данной технической области позволяет утверждать, что предлагаемый способ также соответствует критерию "изобретательский уровень".

Получение эпитаксиальных пленок осуществлялось методом ВЧ-магнетронного распыления.

Наиболее важным технологическим параметром, контролируемым в процессе осаждения пленок, является температура подложки. В основном для нагрева подложек используется терморезистивный нагреватель (нихром, тантал, вольфрам, молибден). В условиях среднего вакуума (до 10^-3 мм рт. ст.) нагрев подложки до относительно низких температур (400-700 °С) не представляет трудностей. Однако, в случае необходимости нагрева подложки до высоких температур (выше 1000 °С), поверхность подложки не набирает температуру, соответствующую показаниям измерительной системы, основанной на термопарном или пирометрическом методе регистрации температуры. Это связано с тем, что единственным каналом теплообмена между нагревателем и подложкой в условиях вакуума остается излучение, так как теплопроводность через рабочий или остаточный газ ничтожно мала. В случае прозрачной подложки и этот канал не работает. На фиг. 1 приведены спектр излучения вольфрама (а) и спектр пропускания сапфировой подложки (б). Из их сопоставления можно увидеть, что излучение нагревателя из тантала почти полностью проходит через сапфировую пластинку (фиг. 2, а). Для поглощения излучения подложкой на ее обратную (тыльную) сторону предложено наносить металлический слой (фиг. 2, б).

Без предварительного напыления тантала на тыльную сторону подложки не удавалось достичь температур, необходимых для эпитаксии. Для достижения температуры подложки 1000–1300 °C использовался ленточный нагреватель из тантала (фиг. 3, б). В отличие от других высокотемпературных нагревателей, таких как вольфрам и молибден, тантал обладает способностью образовывать устойчивую при высоких температурах оксидную пленку на своей поверхности, что предотвращает ее интенсивное испарение в рабочей кислородсодержащей среде.

Схема вакуумной установки, использованной для получения эпитаксиальных пленок оксида галлия, приведена на фиг. 3, а. Основные элементы распылительной системы: 1- магнетрон, 2- мишень, 3- танталовый нагреватель, 4- тоководы, 5- подложка, 6- охладительная система, 7- система напуска газов.

Реализация способа осуществляется следующим образом:

На предварительном этапе на обратную "нерабочую" сторону подложки сапфира напылялся тонкий слой тантала. Благодаря высокой адгезии, обеспечиваемой ВЧ-магнетронным напылением, пленка тантала способствовала полной теплопередаче к подложке. Далее производился процесс напыления оксида галлия в установке. На магнетроне (1) устанавливалась мишень из высокочистого оксида галлия (чистота - 99,999%) (2). Подложка (5) размещалась в печи (3). По тоководам (4) подавались токи около до 120 А для достижения температуры до 1300 °C. Для охлаждения магнетрона использовалась замкнутая система с дистиллированной водой с контуром, соединенным с внешним теплообменником. По системе напуска газов подавалась смесь Ar:О₂ в соотношении 1:1. Питание магнетрона (1) осуществлялось от источника питания ( мощность распыления 100 Вт). Время напыления составляло 1-60 минут, при этом скорость напыления составляла 10 нм/мин.

Структурное совершенство полученных эпитаксиальных пленок оксида галлия подтверждено данными рентгенограммы (фиг. 4), электронограммы (фиг. 5). Для определения ширины запрещенной зоны была построена зависимость

,

где α - коэффициент поглощения, h - постоянная Планка, v - частота излучения,

.

Коэффициент поглощения был найден из спектра пропускания (фиг. 6) при толщине пленки d = 300 нм. Полученные спектры позволили сделать вывод о ширине запрещенной зоны пленок оксида галлия, которая составила около 5 эВ (фиг. 7).

Наблюдаются дифракционные пики β-Ga2O3 - (), () и (), причем наибольшую интенсивность имеет пик () (фиг. 4). Полуширина (FWHM) пика () составляет 0.15°, что является наилучшим результатом для пленок оксида галлия, получаемых методами осаждения из газовой фазы, что свидетельствует о высоком структурном совершенстве полученных нами пленок.

Изобретение относится к способу получения эпитаксиальных пленок сверхширокозонного полупроводника оксида галлия (Ga₂O₃) при высоких температурах подложки. Способ получения эпитаксиальных пленок оксида галлия включает осаждение пленки оксида галлия на сапфировой подложке методом ВЧ-магнетронного распыления, при этом перед осаждением пленки оксида галлия на тыльную (обратную) сторону подложки наносят пленку из тантала, обеспечивающую высокую температуру подложки до 1000-1300 °C за счет поглощения излучения от нагревателя, при этом сапфировую подложку располагают в зоне магнетронной плазмы для активизации процессов кристаллизации на атомарном уровне. Изобретение обеспечивает формирование эпитаксиальных пленок Ga₂O₃ методом ВЧ-магнетронного распыления с улучшенной кристаллической структурой и оптическими свойствами. 7 ил.

Способ получения эпитаксиальных пленок оксида галлия, включающий осаждение пленки оксида галлия на сапфировой подложке методом ВЧ-магнетронного распыления, отличающийся тем, что перед осаждением пленки оксида галлия на тыльную (обратную) сторону подложки наносят пленку из тантала, обеспечивающую высокую температуру подложки до 1000-1300 °C за счет поглощения излучения от нагревателя, при этом сапфировую подложку располагают в зоне магнетронной плазмы для активизации процессов кристаллизации на атомарном уровне.