磁控溅射功率对β-Ga2O3薄膜特性的影响

冉景杨，高灿灿，马 奎，2，3，杨发顺，2，3

(1.贵州大学 电子科学系，贵阳 550025; 2.贵州省微纳电子与软件技术重点实验室，贵阳 550025;3.半导体功率器件可靠性教育部工程研究中心，贵阳 550025)

1 引 言

β-Ga2O3属于第三代超宽禁带半导体材料，是一种白色透明的、单斜结构的氧化物半导体［1，2］.β-Ga2O3是目前已经确定的五种氧化镓结构中最稳定的一种，其禁带宽度约为4.8 eV -4.9 eV，具有优秀的结构性质、电学性质、光学性质和气敏性质［3-7］，在半导体功率器件、高压高频电路、气敏传感器、日盲紫光探测器［8，9］等方面都受到了广泛的研究与应用.

目前，MOCVD、PLD、磁控溅射是制备β -Ga2O3薄膜最主要的几种常用方法.相比于MOCVD 和PLD，磁控溅射制备β -Ga2O3薄膜具有成本低、操作简单、沉积速度快、粘附性强等优势，但磁控溅射制膜通常需要进行后退火处理来释放薄膜与衬底之间的应力，使薄膜结构更稳定［10，11］.美国德克萨斯大学Ranmana 等［12］采用磁控溅射方法基于Si( 100) 衬底，在不同衬底温度(25 -600 ℃) 下制备β -Ga2O3薄膜得出，衬底温度对薄膜结晶状态影响较大.沙特阿拉伯萨克拉大学Hassanien 等［13］用磁控溅射方法基于石英( SiO2) 为衬底制备β-Ga2O3薄膜并进行了退火处理得出，退火温度能有效改善薄膜光学和微观结构质量.国内鲁东大学张义军等［14］采用射频磁控溅射方法，基于Si 和石英( SiO2) 衬底制备β -Ga2O3薄膜，改变氨分比条件并进行热处理后得出，随着氨分比增加，薄膜的结晶性能提升，光学间隙增加.北京工业大学张浩等［15］采用射频磁控溅射方法，基于Si 和石英( SiO2) 衬底进行了本征掺Nb 的β-Ga2O3薄膜制备得出，Nb 掺杂对β-Ga2O3薄膜结构和光学性质有影响，薄膜的晶格常数增大、晶体质量提高、带隙变窄.然而，专门针对射频磁控溅射功率这一参数对β -Ga2O3薄膜特性的研究很少，具有一定的研究意义.

本文通过射频磁控溅射方法在C 面蓝宝石( Al2O3) 衬底上进行β -Ga2O3薄膜制备，在保证其他条件如靶间距、工作压强、溅射时间、衬底温度等不变的情况下，只改变溅射功率( Sputtering power，以下简称Sp) ，研究溅射功率对射频磁控溅射制备的β-Ga2O3薄膜特性的影响.溅射沉积完成，经过相同条件的退火处理后，使用XRD、AFM 和SEM 对薄膜进行表征，研究溅射功率参数对β-Ga2O3薄膜特性的影响，使用积分球式分光光度计研究了溅射功率对β -Ga2O3薄膜光学特性的影响.

2 实 验

实验基于沈科仪JGP280 双靶磁控溅射系统进行薄膜制备.衬底材料选用1 ×1cm 的C 面蓝宝石( Al2O3) 方片，靶材选用氧化镓陶瓷靶( 纯度99.99%) ，溅射时工作气体选用高纯氩气(99.999%) 、反应气体选用高纯氧气(99.999%).在其他条件都保持一致的情况下，仅改变溅射功率( Sputtering power，以下简称Sp) ，观察薄膜特性变化情况.

首先，清洗衬底.将C 面蓝宝石方片依次在无水乙醇、丙酮、无水乙醇中分别进行超声清洗15 min，用去离子水清洗10 min，使用氮气吹干，用作磁控溅射的衬底.

其次，进行薄膜制备.薄膜制备各工艺参数分别为: 本底真空9.0 ×10-4Pa，靶基距6.0 cm，工作压强1.0 Pa，沉积时间90 min，衬底温度500 ℃，氧气流量2.3 sccm，氩气流量46.2 sccm，氧氩比1: 20，溅射功率分别为90 W、110 W、130 W、150 W、170 W.

最后，退火观察.将不同溅射功率下制备的β-Ga2O3薄膜样品进行氮气退火处理，退火条件完全一致( 退火温度900 ℃，退火时间90 min，氮气流量1 L/min).

完成后，使用XRD、AFM 和SEM 对薄膜进行表征，研究分析溅射功率对β -Ga2O3薄膜结构特性的影响，并使用积分球式分光光度计测量研究分析溅射功率对β-Ga2O3薄膜光学特性影响.

3 溅射功率对薄膜结构特性的影响

图1 为改变溅射功率沉积并经后退火处理的β-Ga2O3薄膜XRD 图谱，扫描范围10° -70°.可以看出在随溅射功率增大，90 W -170 W，薄膜β( -201) 晶向的衍射峰峰强整体呈现增大的变化趋势.除衬底峰外，不同溅射功率的薄膜均存在三个特征峰，分别对应β( -201) 、β( -402) 和β( -603) 取向，同属＜-201 ＞晶面族，薄膜有良好的择优取向性.此外，溅射功率为130W 时，出现了微弱的β( -401) 取向的衍射峰，改变溅射功率沉积并经过相同退火处理后得到β -Ga2O3多晶薄膜.

图1 不同溅射功率薄膜的XRD 图谱Fig.1 XRD patterns of β -Ga2O3 thin films with different sputtering powers

利用ORIGIN 软件绘制不同溅射功率与薄膜β( -201) 衍射峰半峰宽和晶粒尺寸关系，如图2所示，是薄膜β( -201) 半峰宽和晶粒尺寸与溅射功率的关系.从图中看出，随着溅射功率增大，半峰宽呈现先增大后减小再增大的趋势，晶粒尺寸的变化则与之相反.当溅射功率为150 W 时，半峰宽最小，晶粒尺寸最大，在此条件下的薄膜结晶性能较好.

图2 β( -201) 衍射峰的溅射功率与半峰宽和晶粒尺寸关系图Fig.2 The relationships between the sputtering power of the β( -201) diffraction peak and the half-width，the grain size

图3 为不同溅射功率β -Ga2O3薄膜的原子力图片，扫描范围是10 ×10 μm.当溅射功率150 W时，薄膜表面晶粒分布均匀，均方根粗糙度较大，为2.07 nm，与表2.1 对薄膜晶粒尺寸的计算相符.整体来看，溅射功率增大，薄膜表面形貌趋于平整且晶粒分布均匀.较高的溅射功率导致更多离化的Ar 原子轰击靶材，更多带有高能量的靶材原子能够运动到合适晶面位置与相邻原子结合成键，并且高轰击能量在溅射过程中会提高衬底温度，这些都有利于靶材原子的成核与生长.因此，随着溅射功率的增大，晶粒尺寸随之增大.但随着溅射功率的进一步增大，高能量的靶材原子在衬底成核生长可能会出现竞争效应，导致薄膜表面颗粒破坏，薄膜损耗，从而晶粒尺寸又随之变小.

图3 不同溅射功率薄膜的原子力图片Fig.3 AFM images of β-Ga2O3 thin films with different sputtering powers

为了研究溅射功率对薄膜厚度的影响，利用扫描电子显微镜对不同溅射功率制备的β -Ga2O3薄膜进行了截面扫描，如图4 所示是β -Ga2O3薄膜的SEM 截面图及不同溅射功率制得的薄膜厚度曲线.通过与比例尺的对比，可以确定不同溅射功率条件薄膜的厚度，分别为238 nm、241 nm、347 nm、404 nm 和430 nm，随着溅射功率增大，轰击靶材表面的离子数量增多，有更多的靶材原子被轰出，薄膜沉积速率变高，薄膜的厚度也随之增加，基本呈现线性变化的趋势.此现象与前文XRD 图谱的分析一致，最大的薄膜厚度对应最高的衍射峰峰强.

图4 β-Ga2O3薄膜的SEM 截面图及不同溅射功率制得的薄膜厚度曲线Fig.4 SEM cross section of β -Ga2O3 film and film thickness curve prepared by different sputtering powers

4 溅射功率对薄膜光学特性的影响

利用积分球式分光光度计对不同溅射功率沉积并经相同后退火处理的β -Ga2O3薄膜进行吸收光谱测试，研究溅射功率对β -Ga2O3薄膜光学性质的影响，如图5 所示.分析可知，溅射功率对薄膜的吸收光谱有较大影响.整体来看，薄膜吸光度A 随着波长增加，呈现升高、下降、再升高、再下降的趋势，吸收边在700 nm 附近截止.不同溅射功率制备的β-Ga2O3薄膜吸收光谱都存在两个吸收峰，这一现象的出现可能是因为，随着溅射压强的增大，晶粒尺寸不断减小，而表面原子占比变大、数量变多，使得结合时键长和键角产生不同程度的畸变，对薄膜光学特性分析的影响不大.随着溅射压强增加，β -Ga2O3薄膜的吸光度在不断增加，并且紫外吸收边向短波方向移动.这是因为，随着溅射功率的进一步增加，晶粒尺寸减小，当晶粒尺寸减小到一定程度会产生量子尺寸效应，使β-Ga2O3禁带宽带变大，且由于高能靶材原子沉积，衬底成核生长出现竞争效应，薄膜表面损耗，导致薄膜散射能力变弱，紫外光吸收能力也变弱，故而紫外吸收边向短波方向移动.

图5 不同溅射功率薄膜的吸收光谱Fig.5 Absorption spectra of films with different sputtering powers

5 结 论

针对基于射频磁控溅射在C 面蓝宝石衬底上制备的β-Ga2O3薄膜材料，在相同的后退火处理条件下研究了不同溅射功率的影响.整体来看，在结构特性方面，随着溅射功率增大，薄膜的表面平整且晶粒尺寸分布均匀.溅射功率越高，离化的Ar 粒子越多，对靶材的轰击越强，产生了更多的带有高能量的靶材原子运动到合适的晶面位置与相邻原子结合成键，与此同时，高溅射功率下的轰击下，靶材原子带有高能量，在溅射过程中会相应提高衬底温度，这些都有利于靶材原子的结晶与生长.在光学特性方面，不同溅射功率制备的β - Ga2O3薄膜吸收光谱都存在两个吸收峰，薄膜吸光度A 随着波长的增加，呈现升高、下降、再升高、在下降的趋势，吸收边在700 nm附近截止，但随着溅射压强增加，β -Ga2O3薄膜的吸光度在不断增加，并且紫外吸收边向短波方向移动.

总的来说，随着溅射功率的增加，轰击粒子增加，沉积速度变快，相同时间沉积薄膜越厚，所制备β-Ga2O3薄膜表面光滑、均匀、致密，能得到结构特性和光学特性较好的薄膜.但随着溅射功率进一步增大，轰击粒子数进一步增加，在衬底成核生长时可能产生竞争效应，高能量的粒子可能造成薄膜表面损耗以及表面颗粒的破坏，使得半峰宽增大、晶粒尺寸变小.当晶粒尺寸变小到一定程度会产生量子尺寸效应，紫外吸收能力变差，紫外吸收边向短波方向移动.综合考量得出，溅射功率为150 W 时，制备的β-Ga2O3薄膜效果较好.