《炬丰科技-半导体工艺》GaAs 和GaN 的湿热氧化

书籍：《炬丰科技-半导体工艺》

文章：GaAs 和GaN 的湿热氧化

编号：JFKJ-21-461

作者：炬丰科技

介绍

本章专门阐述 AIIIBV 半导体化合物在高温湿氧条件下的氧化行为。主要包含三个方面的内容：单斜晶系氧化镓 1 b-Ga2O3 的特性数据、oxidation state of gallium-based oxides, 和相关的制备工艺及应用实例。首先介绍被研究的对象及其性能特征，并对其性能特征进行了系统分析和表征。接着详细阐述了特别关注湿热氧化的具体制备工艺，并探讨了其在电子学领域中的具体应用实例。随后探讨了其在电子学领域中的具体应用实例，在这一过程中重点介绍了适用于气体传感器等领域的半导体结构设计与优化技术，并通过对比现有如 SnO2 等材料的优势来体现其显著提升检测器的关键性能指标

AIIIBV 和 AIIIN 半导体材料广为人知作为光电子器件的关键组成部分。它们在高温环境和微波技术领域有着广泛的应用，并常用于化学气体传感器的开发。在这些应用场景中，介电层不可或缺。此外，它们自身也提供了氧化物解决方案——如Ga2O3——这为制作不同类型的器件提供了多样化选择。具体而言，在MOS结构（金属氧化物半导体）设计中，这种材料组合能够实现包括MOS 电容器、功率型MOSFET、高迁移率GaAs MOSFET以及栅极关断型晶闸管在内的多种器件类型。

Ga2O3 的性质

氧化镓-Ga₂O₃是一种具有宽禁带特性的材料，在深紫外波段具有良好的透射性。适量掺杂能够有效实现导电特性，并被采用为透明导电氧化物（TCO）材料中的一种常见例子之一。其中一种常见的例子是ITO或ZnO，在光电子学领域处于最前沿的位置。

电导率

四价锡离子 Sn⁴⁺ 常作为施主掺杂剂的一部分使用。由于其离子半径与 Ga³⁺ 相当接近，并且也具有类似的电子性质。这也使得 Sn⁴⁺ 倾向于形成六重配合物。这将引发 Ga³⁺ 八面体位置上的取代，并导致形成浅供体。此外，在晶格中形成了如 b-Ga₂O₃ 晶体所报道的浅能级。因此，在诸如 PLD 技术中优化沉积工艺条件变得尤为重要。环境气氛和衬底温度的变化对层性能产生显著影响。为了确保氧空位的存在以及 Sn⁴⁺ 的有效掺杂，则采用了低氧分压，并将衬底温度提升至 880°C 的方法。

介电常数和击穿场

氧化镓（GaN）的介电常数在现有研究中相对较少被探讨。

氧化镓层的制造

在半导体器件应用领域中制造所需的关键材料——氧化镓主要采用哪几种方法？CW Wilmsen之后提出的主要方法包括：
(a) 化学氧化工艺，
(b) 热氧化工艺（分干法与湿法两种），
(c) 阳极氧化，
(d) 等离子体诱导的物理溶解过程，
(e) 其他特殊工艺。
此外还可以采用特定条件下实现的干法与湿法热氧化工艺。
近年来有关该材料的块状晶体结构研究也取得了进展。

化学氧化

GaAs 的常见化学氧化剂包括硝酸（HNO_3）、过氧化氢（H_2O_2）和水（H_2O）。化学清洗方法被用于处理 GaAs 衬底的一部分区域，并非用于制造器件时所需的氧化镓层。

电化学（阳极）氧化

半导体的氧化电化学阳极过程具有类似的制造机制与电解质氧化层形成过程。当半导体材料中出现空穴 - p 型导电特性时，则相应的阳极工艺会更加高效。对于 n 型半导体，则需要通过适当手段引入空穴来促进反应进展。更为便捷的方式是采用光照处理——即光子的能量应介于 1.4 eV 至 5 eV 范围内；这种特定的能量水平直接反映了半导体晶体能带间隙的特点。

等离子氧化

采用含氧气态等离子体进行 GaAs 的氧化处理。其氧气来源包括 O2、N2O 或 CO2，并通过射频线圈对其激发。采用类似于湿式阳极氧化工艺的直流偏置氧化方法。在未进行热处理的初始氧化层中观察到几乎等比例存在的 Ga2O3 和 As2O3 晶质。基材表面受到离子轰击后会引发表面溅射现象，从而导致生长速率减缓的同时, 由于砷元素优先被轰击导致表面化学计量发生变化.

干热氧化

采用氧气或氮气与氧混合气体环境进行的干热氧化工艺是一种常见的材料加工技术