Ga2O3基异质集成pn结的制备方法技术

本发明专利技术提供一种Ga2O3基异质集成pn结的制备方法，其包括将n型Ga2O3晶片和p型半导体晶片的至少一种作为待剥离材料，自待剥离材料的抛光面进行离子注入，形成缺陷层；将n型Ga2O3晶片与p型半导体晶片的抛光面键合；退火处理并沿缺陷层剥离，去除表面损伤层，进行同质外延，进行金属沉积并进行退火。本发明专利技术的制备方法通过离子束剥离与转移以及外延工艺，将n型Ga2O3转移到p型半导体晶片上，解决现有技术中Ga2O3材料p型掺杂困难，将n型Ga2O3材料与p型半导体材料进行异质集成后电学性能受限的问题，对Ga2O3材料在双极型器件领域的应用意义重大，大大拓展Ga2O3材料的应用范围。材料的应用范围。材料的应用范围。

【技术实现步骤摘要】
Ga2O3基异质集成pn结的制备方法


[0001]本申请属于半导体材料领域，具体涉及一种Ga2O3基异质集成pn结的制备方法。

技术介绍

[0002]Ga2O3是一种非常有吸引力的宽禁带半导体材料，其禁带宽度为4.6～4.9eV，这相当于Si的4倍以上，比同属宽禁带半导体材料的SiC、GaN等还要高不少，这使得其具有高达8MV/cm的击穿电场强度和高达3444的Baliga优值指数。因此，基于Ga2O3研制的器件将具有更小的导通损耗，更高的功率转换效率和更高的耐压。除此以外，可通过提拉法生产大尺寸、低成本、高质量的Ga2O3晶圆也是其优势之一，这使得Ga2O3在新能源发电以及高压输电系统等需求高功率高耐压器件的领域具有十分广阔的应用前景。
[0003]然而，由于缺乏合适的浅受主以及价带顶平坦导致的空穴有效质量大，迁移率低，Ga2O3的p型掺杂目前仍是一个难题。这使得Ga2O3基的双极型器件难以实现，大大限制了Ga2O3材料的应用。而目前应用最广的半导体材料Si以及同属宽禁带半导体材料的GaN、SiC和金刚石等的p型掺杂则相对成熟，通过将n型Ga2O3与p型半导体材料进行异质集成，形成Ga2O3基异质pn结，可以大大拓展Ga2O3材料的应用范围。
[0004]目前实现n型Ga2O3与p型半导体材料的异质集成的方式主要是基于外延的方法以及胶带剥离法。基于外延的方法由于材料之间的热失配和晶格失配，生长出的n型Ga2O3层的质量较难控制。而机械剥离法一方面由于剥离下来的膜可能会有一定的翘曲，机械剥离法主要依靠范德华力进行键合，因此机械剥离法制备的异质pn结界面结合不够紧密，影响器件的电学性能，同时该方法难以实现晶圆级的结构的制备，难以进行大规模应用。
[0005]基于此，提供一种Ga2O3基异质集成pn结的制备方法，实属必要。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于提供一种一种Ga2O3基异质集成pn结的制备方法，以解决现有技术中Ga2O3材料p型掺杂困难，将n型Ga2O3材料与p型半导体材料进行异质集成后电学性能受限的问题。
[0007]为了实现上述目的，本专利技术提供一种Ga2O3基异质集成pn结的制备方法，包括：
[0008]S1：提供n型Ga2O3晶片，所述n型Ga2O3晶片的一表面为抛光面；
[0009]S2：提供p型半导体晶片，所述p型半导体晶片的一表面为抛光面；
[0010]S3：将所述n型Ga2O3晶片和p型半导体晶片的至少一种作为待剥离材料，自所述待剥离材料的抛光面进行离子注入，于所述待剥离材料中形成缺陷层；
[0011]S4：将所述n型Ga2O3晶片的抛光面与所述p型半导体晶片的抛光面键合，制备第一复合结构；
[0012]S5：对所述第一复合结构进行退火处理，沿所述缺陷层对待剥离材料进行剥离，形成带有表面损伤层的第二复合结构；
[0013]S6：对带有表面损伤层的第二复合结构进行表面处理，去除表面损伤层，形成第三
复合结构；
[0014]S7：对第三复合结构进行同质外延，生长经过剥离的材料的外延层，形成第四复合结构；
[0015]S8：对第四复合结构的两侧表面进行金属沉积并进行退火，制备欧姆电极，形成Ga2O3基异质pn结。
[0016]所述n型氧化镓晶片包括α
‑
Ga2O3晶片、β
‑
Ga2O3晶片、γ
‑
Ga2O3晶片、δ
‑
Ga2O3晶片和ε
‑
Ga2O3晶片中的一种。
[0017]所述p型半导体晶片包括硅晶片、碳化硅晶片、金刚石晶片和氮化镓晶片中的一种。
[0018]在所述步骤S3中，离子注入包括H离子注入及He离子注入中的一种或多种的组合；离子注入的能量为10keV～200keV，剂量为1
×
10
16
ions/cm2～1
×
10
18
ions/cm2，温度为20℃～200℃。
[0019]在所述步骤S4中，所述键合的方法包括表面活化键合、金属键合、亲水性键合及阳极键合中的一种；所述键合的真空度为1
×
10
‑7Pa～5
×
10
‑5Pa，压力为10MPa～500MPa，温度为室温。
[0020]在所述步骤S5中，对所述第一复合结构进行退火处理在由真空、氮气、氧气、惰性气体中至少一种形成的气氛下进行，退火温度为200℃～1000℃，退火时间为1min～72h；
[0021]在所述步骤S8中，退火在由真空、氮气、氧气、惰性气体中至少一种形成的气氛下进行，退火温度为200℃～1000℃，退火时间为30s～1h。
[0022]在所述步骤S6中，表面处理采用的方法包括机械研磨、化学机械抛光、干法刻蚀、湿法刻蚀中的一种或多种的组合。
[0023]在所述步骤S7中，同质外延采用的方法包括气相外延、化学气相沉积、分子束外延、脉冲激光沉积中的一种或多种的组合。
[0024]在所述步骤S7中，当外延方式为气相外延时，生长温度为800～1000℃，采用的Ga源为GaCl，其分压为20～200Pa，O源包括O2、臭氧、氧等离子体和空气的一种或多种的组合，载气为N2或Ar的一种或多种的组合；
[0025]当外延方式为化学气相沉积时，生长温度为500～1100℃，Ga源为高纯Ga、三乙基镓或乙酰丙酮镓，O源为O2或O2和水蒸气的混合气，载气为Ar、He、N2中的一种或多种的组合，生长腔气压为1
‑
100Torr；
[0026]当外延方式为分子束外延时，生长温度为600～900℃，Ga源为高纯Ga，O源包括O2、臭氧、氧等离子体中的一种或多种的组合，掺杂源包括Sn、Si、Mg、Fe、Ge、Al、In中的一种或多种的组合，Ga束流等效压力为5
×
10
‑9Torr～2
×
10
‑6Torr；
[0027]当外延方式为脉冲激光沉积时，衬底温度为400～600℃，沉积气氛为O2与Ar的组合，其中O2占比为1～20％，生长气压为1
×
10
‑3Pa～2Pa，激光功率密度为1～10J/cm2。
[0028]在所述步骤S8中，所述欧姆电极为由Ti、Al、Ni、Pt、Au中的一种或多种的组合形成的金属堆栈；所述金属沉积的方法包括蒸镀法、溅射法、溶脱剥离法中的一种或多种的组合。
[0029]本专利技术的Ga2O3基异质集成pn结的其制备方法通过离子束剥离与转移以及外延工艺，将n型Ga2O3晶片和/或p型半导体晶片通过退火后的断裂剥离并通过键合的方式转移，并
沉积金属电极，得到了电学性能良好的pn结，解决了现有技术中Ga2O3材料p型掺杂困难，而将n型Ga2O3材料与p型半导体材料进行异质集成后电学性能受限的问题，对Ga2O3材料在双极本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种Ga2O3基异质集成pn结的制备方法，其特征在于，包括：步骤S1：提供n型Ga2O3晶片，所述n型Ga2O3晶片的一表面为抛光面；步骤S2：提供p型半导体晶片，所述p型半导体晶片的一表面为抛光面；步骤S3：将所述n型Ga2O3晶片和p型半导体晶片的至少一种作为待剥离材料，自所述待剥离材料的抛光面进行离子注入，于所述待剥离材料中形成缺陷层；步骤S4：将所述n型Ga2O3晶片的抛光面与所述p型半导体晶片的抛光面键合，制备第一复合结构；步骤S5：对所述第一复合结构进行退火处理，沿所述缺陷层对待剥离材料进行剥离，形成带有表面损伤层的第二复合结构；步骤S6：对带有表面损伤层的第二复合结构进行表面处理，去除表面损伤层，形成第三复合结构；步骤S7：对第三复合结构进行同质外延，生长经过剥离的材料的外延层，形成第四复合结构；步骤S8：对第四复合结构的两侧表面进行金属沉积并进行退火，制备欧姆电极，形成Ga2O3基异质pn结。2.根据权利要求1所述的Ga2O3基异质集成pn结的制备方法，其特征在于，所述n型氧化镓晶片包括α
‑
Ga2O3晶片、β
‑
Ga2O3晶片、γ
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Ga2O3晶片、δ
‑
Ga2O3晶片和ε
‑
Ga2O3晶片中的一种。3.根据权利要求1所述的Ga2O3基异质集成pn结的制备方法，其特征在于，所述p型半导体晶片包括硅晶片、碳化硅晶片、金刚石晶片和氮化镓晶片中的一种。4.根据权利要求1所述的Ga2O3基异质集成pn结的制备方法，其特征在于，在所述步骤S3中，离子注入包括H离子注入及He离子注入中的一种或多种的组合；离子注入的能量为10keV～200keV，剂量为1
×
10
16
ions/cm2～1
×
10
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ions/cm2，温度为20℃～200℃。5.根据权利要求1所述的Ga2O3基异质集成pn结的制备方法，其特征在于，在所述步骤S4中，所述键合的方法包括表面活化键合、金属键合、亲水性键合及阳极键合中的一种；所述键合的真空度为1
×
10
‑7Pa～5
×
10
‑5Pa，压力为10MPa～500MPa，温度为室温。6.根据权利要求1所...

【专利技术属性】
技术研发人员：欧欣，瞿振宇，游天桂，徐文慧，
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：