[發明專利]一種氧化鎵半導體結構及其制備方法

有效

• 申請號: 201811359791.1
• 申請日: 2018-11-15
• 公開（公告）號: CN109671612B
• 公開（公告）日: 2020-07-03
• 發明（設計）人: 歐欣;游天桂;徐文慧;鄭鵬程;黃凱;王曦
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海微系統與信息技術研究所
• 主分類號: H01L21/02
• 分類號: H01L21/02;H01L29/24
• 代理公司: 上海智信專利代理有限公司 31002
• 代理人: 鄧琪;宋麗榮

本發明涉及一種氧化鎵半導體結構的制備方法，包括提供具有注入面的氧化鎵單晶晶片；從注入面向氧化鎵單晶晶片進行離子注入，使得注入離子到達預設深度并在預設深度處形成注入缺陷層；將注入面與高熱導率襯底鍵合，得到第一復合結構；對第一復合結構進行退火處理，使得第一復合結構中的氧化鎵單晶晶片沿著注入缺陷層剝離，由此得到第二復合結構和第三復合結構；對第二復合結構進行表面處理以除去第一損傷層，得到包括第一氧化鎵層和高熱導率襯底的氧化鎵半導體結構。本發明還提供一種由此得到的氧化鎵半導體結構。根據本發明的制備方法形成的氧化鎵半導體結構，氧化鎵單晶薄膜與高熱導率襯底集成，有效提高了氧化鎵單晶薄膜的導熱性。

技術領域

本發明涉及半導體材料，更具體地涉及一種氧化鎵半導體結構及其制備方法。

背景技術

隨著電子信息產業的迅速發展，人類對于半導體的需求不再僅僅局限于傳統的半導體材料與技術，已經由半導體硅基材料發展到砷化鎵、磷化銦為代表的第二代半導體，并逐漸向第三代寬禁帶半導體材料轉變。

第三代的寬禁帶半導體(禁帶寬度Eg＞2.3eV)材料，包括碳化硅(SiC)、氧化鋅、氮化鎵、金剛石、氧化鎵等，由于具有耐擊穿電壓高、電子遷移率大、熱穩定性好、抗輻射能力強等優勢，越來越多地被用于高頻、高功率、高集成度的光電子器件。尤其是氧化鎵材料，因為它具有更大的禁帶寬度4.5-4.9eV，相當于Si的4倍以上，甚至比氧化鋅的3.24eV、氮化鎵的3.4eV還要高許多，可以廣泛應用于藍紫光或紫外發光器件和深紫外探測器件領域。另一方面，氧化鎵的Baliga優值指數(相對硅而言)高達3444，大約是碳化硅的10倍，GaN的4倍。因此，基于氧化鎵研制的器件將具有更小的導通損耗和更高的功率轉換效率，在未來電力電子和功率器件領域具有巨大應用潛力。

近年來，在氧化鎵晶體材料方面的研究已經取得了比較大的發展。德國、日本分別采用提拉法和導模法實現了2英寸和4～6英寸氧化鎵晶體的制備。2015年，日本已實現了2英寸β-氧化鎵單晶襯底的商品化。在我國，中科院上海光機所、同濟大學、中電集團46所、山東大學等單位已經開展了氧化鎵晶體結晶習性、摻雜方式、光學性質等方面的探索。然而，氧化鎵晶體材料的熱導率很低(約為0.27W·cm-1·K^-1)，直接在氧化鎵晶體材料上制備器件，散熱將成為制約器件性能的主要瓶頸，將氧化鎵薄膜器件與高熱導率襯底集成是解決其散熱問題的主要途徑。例如，在硅基襯底上(硅襯底的導熱率是氧化鎵的5.6倍)制備氧化鎵薄膜形成絕緣體上氧化鎵(GaOOI)。由于匹配襯底材料的缺乏，采用傳統的外延生長技術(如分子束外延、金屬有機物化學氣相沉積、磁控濺射等)在高熱導率襯底上外延生長高質量的氧化鎵單晶薄膜仍然面臨著許多挑戰，而且外延生長所需要的外延緩沖層影響了器件的性能與壽命。

發明內容

為了解決上述現有技術存在的無法在高熱導率襯底上外延生長氧化鎵單晶薄膜的問題，本發明旨在提供一種氧化鎵半導體結構及其制備方法。

本發明提供一種氧化鎵半導體結構的制備方法，包括步驟：S1，提供具有注入面的氧化鎵單晶晶片；S2，從所述注入面向氧化鎵單晶晶片進行離子注入，使得注入離子到達預設深度并在預設深度處形成注入缺陷層，該注入缺陷層的兩側形成第一氧化鎵層和第二氧化鎵層；S3，將所述注入面與一高熱導率襯底鍵合，得到包括氧化鎵單晶晶片和高熱導率襯底的第一復合結構；S4，對第一復合結構進行退火處理，使得第一復合結構中的氧化鎵單晶晶片沿著注入缺陷層剝離，得到第二復合結構和第三復合結構，其中，注入缺陷層形成第一損傷層和第二損傷層，第二復合結構包括第一損傷層、第一氧化鎵層和高熱導率襯底，第三復合結構包括第二損傷層和第二氧化鎵層；S5，對第二復合結構進行表面處理以除去第一損傷層，得到包括第一氧化鎵層和高熱導率襯底的氧化鎵半導體結構。

所述氧化鎵單晶晶片為α型氧化鎵單晶晶片或β型氧化鎵單晶晶片。

所述氧化鎵單晶晶片為本征氧化鎵單晶晶片或摻雜氧化鎵單晶晶片。優選地，該摻雜氧化鎵單晶晶片為Sn摻雜氧化鎵單晶晶片。