CuGa_xO_y/β-Ga_2O_3异质结及(Al_xGa_(1-x))_2O_3薄膜的制备与特性研究

【摘要】：第三代半导体材料具有禁带宽度大和击穿场强高等优点,因此在紫外探测和电力电子方面具有巨大的发展前景和研究意义。尤其是β-Ga2O3材料高达4.9eV的禁带宽度和8 MV/cm的击穿场强,是制备紫外探测器和电力电子器件的理想材料。然而,基于β-Ga2O3材料金属-半导体-金属(MSM)型和肖特基型的紫外探测器存在势垒高度低以及材料表面缺陷导致暗电流大、探测效率低等问题;基于β-Ga2O3材料的肖特基势垒二极管存在反向漏电流大、击穿电压低的问题。基于半导体“能带工程”理论,设计不同能带匹配类型的异质结可以有效地调控其界面处载流子的传输与复合,降低异质结的漏电流以及提高击穿电压,进而提升半导体器件的性能。论文从材料的反应沉积外延生长过程、材料特性以及β-Ga2O3基异质结紫外探测器与势垒二极管的制备表征方面进行了研究,主要分为以下几个方面:(1)基于金属半导体能带匹配理论,提出了采用功函数较低的金属制备宽带隙n型β-Ga2O3材料的欧姆接触。采用金属Mg-Au合金在低掺杂的β-Ga2O3单晶衬底上制备欧姆接触,研究了退火温度对欧姆接触特性及稳定性的影响。研究发现,经过300℃、400℃、500℃退火后,Mg-Au与β-Ga2O3可以形成良好的欧姆接触。退火温度从300℃升高到500℃,比接触电阻率逐渐降低,电极电阻增大导致相邻电极之间总电阻的增大。300℃和500℃退火后的电极薄膜出现裂纹并形成了亚稳态的Mg-Au合金,37天后亚稳态Mg-Au合金被氧化导致欧姆接触特性发生退化;而400℃退火后的电极形成了连续稳定的Mg2Au合金薄膜,因此欧姆接触特性没有发生明显的退化。此外,根据400℃退火制备的AuMg/β-Ga2O3欧姆接触样品比接触电阻率与工作温度的变化关系,得到了AuMg/β-Ga2O3欧姆接触界面载流子传输机制为热电子发射模型占主导,且有效势垒高度为0.1 eV。(2)利用反应沉积外延方法并结合化学机械抛光技术,通过改变氧分压在β-Ga2O3单晶衬底上调控生长CuGaxOy(x=1,y=2;x=2,y=4)薄膜,获得了界面清晰的CuGaO2/β-Ga2O3异质结和CuGa2O4/β-Ga2O3异质结。化学机械抛光前后CuGaxOy薄膜的XRD和界面处元素EDS测试结果表明,高温作用下蒸发扩散到氧化剂衬底表面的Cu与气氛中的氧反应生成铜氧化物,铜氧化物中的Cu向衬底方向扩散,衬底中的Ga向外延方向扩散,同时Cu、Ga和O结晶形成CuGaxOy薄膜。在高氧分压条件下反应产物为CuGa2O4;在较低的氧分压条件下,反应产物为CuGaO2。AFM测试结果表明,低氧分压条件下,由于Cu的团聚效应导致CuGaO2薄膜内存在晶界,表面粗糙度大;高氧分压条件下,Cu的团聚效应被抑制,CuGa2O4薄膜中没有明显的晶界,表面粗糙度小。制备了基于CuGaO2/β-Ga2O3异质结的紫外探测器,结果表明这种异质结紫外探测器对254nm紫外光具有明显的响应,且响应比较快。此外,这种异质结紫外探测器具有自供能紫外光响应特性。(3)采用退火工艺对Cu/β-Ga2O3样品在空气中进行退火处理,获得了 CuGa2O4/β-Ga2O3异质结。通过HRXRD的Phi扫描测试结果分析了 CuGa2O4与β-Ga2O3衬底的面内外延关系。制备并研究了基于CuGa2O4/β-Ga2O3异质结势垒二极管的正向开启特性和反向击穿特性,其中理想因子为2.74,正向开启电压为0.86V,反向击穿电压为174 V。(4)基于Ga2O3材料的升华特性,采用反应外延沉积法在蓝宝石衬底上制备了高Al组分的β-(AlxGa1-x)2O3合金薄膜。XPS、SEM和3DAFM测试结果表明,当生长温度为1400℃时,Ga组分为0.476时,β-(AlxGa1-x)2O3薄膜表面呈岛状;当生长温度为1450℃时,Ga组分为0.511时,β-(AlxGa1-x)2O3薄膜表面呈台阶状,这表明不同Ga组分诱导的表面形貌的变化。研究了生长温度对β-(AlxGa1-x)2O3合金薄膜晶体质量和光学性质的影响。