氧化镓半导体结构、垂直型氧化镓基功率器件及制备方法技术

本发明专利技术提供一种氧化镓半导体结构、垂直型氧化镓基功率器件及制备方法，通过键合和减薄，将非故意掺杂的氧化镓层转移到高掺杂、高导热的异质衬底上，通过对氧化镓层的表面处理及离子注入，可获得重掺氧化镓层，制备包括依次叠置异质衬底、氧化镓层及重掺氧化镓层的氧化镓半导体结构；在基于氧化镓半导体结构制备的垂直型氧化镓基功率器件中，由于中间层为较厚的氧化镓层，且相较于重掺氧化镓层，载流子浓度较低，设计上增加了器件的击穿电压，且由于高导热的异质衬底可提高器件的散热能力，其次器件多Fin的结构可提供大电流，对未来垂直型氧化镓基高功率器件的发展有极其重要的意义。

The structure of gallium oxide semiconductor, vertical type gallium oxide based power device and preparation method

【技术实现步骤摘要】
氧化镓半导体结构、垂直型氧化镓基功率器件及制备方法
本专利技术属于半导体制造领域，涉及一种氧化镓半导体结构、垂直型氧化镓基功率器件及制备方法。
技术介绍
氧化镓(Ga2O3)是一种超宽禁带的半导体材料，禁带宽度(4.5eV～4.9eV)，相比于氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC)，其禁带宽度更大、击穿场强更高，同时由于制备方法简单，可使生产成本更低，进而在超高耐压功率电子器件方面引起科研界和工业界的极大关注。氧化镓基高耐压、大功率器件，在新能源电动汽车、超高压输电、高速铁路及电磁轨道炮等民用和军事关键领域具有巨大的应用前景，尤其随着军事装备逐步向信息化、智能化、电子化方向的发展，氧化镓基高耐压、大功率电力电子器件将可能替代硅基、碳化硅基和氮化镓基功率器件，成为航空航天、舰艇船舶、特种武器所需电源供给、高效驱动等功率模块的核心部件，是系统在高温、高频、高功率及极端环境条件下能否工作的必要保证，因此在军事国防建设方面，具有非常迫切的应用需求。同时，氧化镓基大功率器件还将应用于变频器、高铁机车、新能源发电系统中的逆变器，以及高压直流(HVDC)输电系统等民用领域中。特别需要指出的是，随着航空航天装备不断向高集成度、多功能、低功耗方向的发展，迫切需要小型化、高性能、高效率、高可靠性的电子元器件，以降低功耗、提高系统的响应速度、降低运行噪声。而在人造卫星、太空探测等领域，功率器件会受到空间辐照环境影响，因此禁带宽度更宽、抗辐照性能更优的氧化镓基功率器件无疑是理想选择。在氧化镓基功率器件中，存在横向和垂直两种结构的器件，对于高功率器件来说，根据目前的进展，垂直结构更受业内人士的青睐。目前采用同质外延的方法制备氧化镓晶体管，即在氧化镓衬底上通过外延法制备氧化镓薄膜，以制备氧化镓晶体管，取得了不错的突破。因为这种结构不仅仅能提供高的击穿电压，同时也能通过结构设计做到超大电流，这样使得氧化镓在未来的发展中充满了前景，但是同质的氧化镓衬底存在着导热率低的致命缺点，尤其是在高功率器件中，器件所产生的热流不能很好的排出，会严重降低器件的性能。因此，为制备垂直型氧化镓基高功率器件，迫切需要将氧化镓转移到高掺杂、高导热的异质衬底上，以解决低热导率的问题。然而由于氧化镓与硅、碳化硅等多种高导热、高掺杂的半导体材料存在晶格失配的问题，使其不能通过外延的方法生长出良好的氧化镓薄膜，从而难以制备垂直型氧化镓基高功率器件。基于此，提供一种新型的氧化镓半导体结构、垂直型氧化镓基功率器件及制备方法，实属必要。
技术实现思路
鉴于以上所述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种氧化镓半导体结构、垂直型氧化镓基功率器件及制备方法，用于解决现有技术中，在制备垂直型氧化镓基高功率器件时，所面临的难以在高掺杂、高导热的异质衬底上制备高质量的氧化镓薄膜，导致难以制备垂直型氧化镓基高功率器件的问题。为实现上述目的及其他相关目的，本专利技术提供一种氧化镓半导体结构的制备方法，包括以下步骤：提供氧化镓单晶晶片，所述氧化镓单晶晶片的一表面为抛光面；提供异质衬底，所述异质衬底的一表面为抛光面；将所述氧化镓单晶晶片的抛光面与所述异质衬底的抛光面键合；减薄所述氧化镓单晶晶片，获得包括依次叠置所述异质衬底及氧化镓层的复合结构；对所述氧化镓层进行表面处理；对所述氧化镓层进行离子注入，以在所述氧化镓层的表层形成重掺氧化镓层，获得包括依次叠置所述异质衬底、氧化镓层及重掺氧化镓层的氧化镓半导体结构。可选地，所述异质衬底包括碳化硅衬底、金刚石衬底、氮化铝衬底、硅衬底中的一种。可选地，所述异质衬底的载流子浓度大于1×1018/cm3。可选地，所述氧化镓层的载流子浓度小于所述重掺氧化镓层，其中，所述氧化镓层的载流子浓度为1×1016/cm3～9×1017/cm3，所述重掺氧化镓层的载流子浓度大于1×1019/cm3。可选地，所述键合的方法包括表面活化键合，所述表面活化键合的真空度为1×10-7Pa，压力为16MPa，温度为25℃。可选地，所述减薄的方法包括研磨法或湿法腐蚀。可选地，当采用研磨法进行所述减薄时，所述减薄的条件为齿轮转速为1500rpm～3000rpm，工作台转速为30rpm～120rpm，进刀速度为5μm/min～30μm/min，研磨时间为30s～100min。可选地，所述表面处理的方法包括化学机械抛光、等离子体刻蚀、离子溅射及化学刻蚀中的一种。可选地，所述离子注入包括Si离子注入、Ge离子注入Sn离子注入及Nb离子注入中的一种。可选地，所述Si离子注入的能量为10Kev～80Kev，剂量为1×1015ions/cm2～5×1016ions/cm2；所述Ge离子注入的能量为20Kev～170Kev，剂量为1×1015ions/cm2～5×1016ions/cm2；所述Sn离子注入的能量为30Kev～275Kev，剂量为1×1015ions/cm2～5×1016ions/cm2；所述Nb离子注入的能量为25Kev～225Kev，剂量为1×1015ions/cm2～5×1016ions/cm2。可选地，所述离子注入的深度为10nm～60nm。可选地，所述氧化镓单晶晶片的抛光面的表面粗糙度小于1nm，所述异质衬底的抛光面的表面粗糙度小于1nm。本专利技术还提供一种氧化镓半导体结构，所述氧化镓半导体结构包括依次叠置的异质衬底、氧化镓层及重掺氧化镓层。可选地，所述氧化镓层的载流子浓度小于所述重掺氧化镓层，其中，所述氧化镓层的载流子浓度为1×1016/cm3～9×1017/cm3，所述重掺氧化镓层的载流子浓度大于1×1019/cm3。可选地，所述氧化镓层的厚度为5μm～100μm，所述重掺氧化镓层的厚度为10nm～60nm。可选地，所述异质衬底包括碳化硅衬底、金刚石衬底、氮化铝衬底、硅衬底中的一种，所述异质衬底的载流子浓度大于1×1018/cm3。本专利技术还提供一种垂直型氧化镓基功率器件的制备方法，包括采用上述氧化镓半导体结构的制备方法制备所述垂直型氧化镓基功率器件。本专利技术还提供一种垂直型氧化镓基功率器件，所述垂直型氧化镓基功率器件包括上述氧化镓半导体结构。如上所述，本专利技术的氧化镓半导体结构、垂直型氧化镓基功率器件及制备方法，通过键合和减薄结合的方法，将非故意掺杂的氧化镓层转移到高掺杂、高导热的异质衬底上，通过对氧化镓层的表面处理及离子注入，可获得重掺氧化镓层，从而制备包括依次叠置异质衬底、氧化镓层及重掺氧化镓层的氧化镓半导体结构，以解决同质外延法制备氧化镓薄膜存在的导热不良的问题，以及异质衬底通过外延法在制备氧化镓薄膜时，由于晶格失配，难以生长出质量良好的氧化镓薄膜的问题；在基于氧化镓半导体结构制备的垂直型氧化镓基功率器件中，由于中间层为较厚的氧化镓层，且相较于重掺氧化镓层载流子浓度较低，设计上增加了器件的击穿电压，且由于高导热的异质衬底可提高器件的散热能力，其次器件多Fin的结构可提供大电流本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种氧化镓半导体结构的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：/n提供氧化镓单晶晶片，所述氧化镓单晶晶片的一表面为抛光面；/n提供异质衬底，所述异质衬底的一表面为抛光面；/n将所述氧化镓单晶晶片的抛光面与所述异质衬底的抛光面键合；/n减薄所述氧化镓单晶晶片，获得包括依次叠置所述异质衬底及氧化镓层的复合结构；/n对所述氧化镓层进行表面处理；/n对所述氧化镓层进行离子注入，以在所述氧化镓层的表层形成重掺氧化镓层，获得包括依次叠置所述异质衬底、氧化镓层及重掺氧化镓层的氧化镓半导体结构。/n

【技术特征摘要】
1.一种氧化镓半导体结构的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供氧化镓单晶晶片，所述氧化镓单晶晶片的一表面为抛光面；
提供异质衬底，所述异质衬底的一表面为抛光面；
将所述氧化镓单晶晶片的抛光面与所述异质衬底的抛光面键合；
减薄所述氧化镓单晶晶片，获得包括依次叠置所述异质衬底及氧化镓层的复合结构；
对所述氧化镓层进行表面处理；
对所述氧化镓层进行离子注入，以在所述氧化镓层的表层形成重掺氧化镓层，获得包括依次叠置所述异质衬底、氧化镓层及重掺氧化镓层的氧化镓半导体结构。


2.根据权利要求1所述的氧化镓半导体结构的制备方法，其特征在于：所述异质衬底包括碳化硅衬底、金刚石衬底、氮化铝衬底、硅衬底中的一种。


3.根据权利要求1所述的氧化镓半导体结构的制备方法，其特征在于：所述异质衬底的载流子浓度大于1×1018/cm3。


4.根据权利要求1所述的氧化镓半导体结构的制备方法，其特征在于：所述氧化镓层的载流子浓度小于所述重掺氧化镓层，其中，所述氧化镓层的载流子浓度为1×1016/cm3～9×1017/cm3，所述重掺氧化镓层的载流子浓度大于1×1019/cm3。


5.根据权利要求1所述的氧化镓半导体结构的制备方法，其特征在于：所述键合的方法包括表面活化键合，所述表面活化键合的真空度为1×10-7Pa，压力为16MPa，温度为25℃。


6.根据权利要求1所述的氧化镓半导体结构的制备方法，其特征在于：所述减薄的方法包括研磨法或湿法腐蚀。


7.根据权利要求6所述的氧化镓半导体结构的制备方法，其特征在于：当采用研磨法进行所述减薄时，所述减薄的条件为齿轮转速为1500rpm～3000rpm，工作台转速为30rpm～120rpm，进刀速度为5μm/min～30μm/min，研磨时间为30s～100min。


8.根据权利要求1所述的氧化镓半导体结构的制备方法，其特征在于：所述表面处理的方法包括化学机械抛光、等离子体刻蚀、离子溅射及化学刻蚀中的一种。


9.根据权利要求1所述的氧化镓半导体结构的制备方法，其特征在于：所述离子注入包括Si离子注入、Ge离子注入、S...

【专利技术属性】
技术研发人员：欧欣，徐文慧，游天桂，沈正皓，
申请(专利权)人：中国科学院上海微系统与信息技术研究所，
类型：发明
国别省市：上海;31