[发明专利]一种散热性好的Ga2O3基金属氧化物半导体场效应晶体管及其制备方法

权利要求书

1.一种散热性好的Ga₂O₃基金属氧化物半导体场效应晶体管，依次由衬底(1)，衬底(1)上制备的Ga₂O₃上缓冲层(2)，Ga₂O₃上缓冲层(2)上外延的Ga₂O₃沟道层(3)，沟道层(3)上制备的相互分立的源区(4)、漏区(5)，源区(4)、漏区(5)和沟道层(3)的部分区域上沉积的Al₂O₃绝缘层(6)，源区(4)、漏区(5)和绝缘层(6)上通过热蒸发制备的源电极(7)、栅电极(8)和漏电极(9)；其特征在于：衬底(1)是Si单晶，在衬底(1)和Ga₂O₃上缓冲层(2)中间还制备有氮化物和氧化物混合多层结构(101)；所述混合多层结构(101)由GaN系多层结构薄膜(10)、Ga₂O₃薄层(11)、Ga₂O₃薄层(11)上制备的UID-Ga₂O₃下缓冲层(12)、UID-Ga₂O₃下缓冲层(12)上制备的Ga₂O₃半绝缘层(13)组成；Ga₂O₃上缓冲层(2)制备在半绝缘层(13)上；GaN系多层结构薄膜(10)采用AlN、AlGaN及GaN多层薄膜结构，其最上层为高质量GaN薄膜。

2.如权利要求1所述的一种散热性好的Ga₂O₃基金属氧化物半导体场效应晶体管，其特征在于，所述的Ga₂O₃薄层(11)是由GaN系多层结构薄膜(10)的上表面经高温氧化制成。

3.如权利要求1所述的一种散热性好的Ga₂O₃基金属氧化物半导体场效应晶体管，其特征在于，所述的UID-Ga₂O₃下缓冲层(12)是由温度渐变生长方法制成；所述的半绝缘层(13)通过Mg掺杂制成；所述的源区(4)及漏区(5)均由SiH₄气体通过调制掺杂工艺制成。

4.如权利要求1所述的一种散热性好的Ga₂O₃基金属氧化物半导体场效应晶体管，其特征在于，所述的Ga₂O₃上缓冲层(2)，沟道层(3)，源区(4)，漏区(5)，GaN系多层结构薄膜(10)，UID-Ga₂O₃下缓冲层(12)，半绝缘层(13)，均是由金属有机化合物化学气相沉淀方法制备而成的。

5.如权利要求1所述的一种散热性好的Ga₂O₃基金属氧化物半导体场效应晶体管，其特征在于，所述的衬底(1)的厚度为300-500μm，GaN系多层结构薄膜(10)的厚度为100-200nm，Ga₂O₃薄层(11)的厚度为1-5nm，UID-Ga₂O₃下缓冲层(12)的厚度为1-2μm，Mg掺杂的Ga₂O₃半绝缘层(13)的厚度为200-300nm，Ga₂O₃上缓冲层(2)的厚度为800-1000nm，Ga₂O₃沟道层(3)的厚度为150-250nm，源区(4)和漏区(5)的厚度均为100-200nm，Al₂O₃绝缘层(6)的厚度为15-25nm，源电极(7)、栅电极(8)和漏电极(9)的厚度为200-300nm。

6.如权利要求1所述的一种散热性好的Ga₂O₃基金属氧化物半导体场效应晶体管的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：

A、采用金属有机物化学气相沉积方法在Si单晶衬底(1)，厚度为300-500μm，制备GaN系多层结构薄膜(10)，GaN系多层结构薄膜(10)自下而上分别由AlN薄膜、渐变AlGaN薄膜及GaN薄膜组成，总厚度为100-200nm，生长源为三甲基镓、三甲基铝和高纯氨气，不掺杂，生长温度为900-1100℃，生长压强为300-400torr；

B、在GaN系多层结构薄膜(10)上通过高温热氧化的方法生成Ga₂O₃薄层(11)，Ga₂O₃薄层(11)厚度为1-5nm，氧化温度为800-900℃，采用MOCVD方法，在Ga₂O₃薄层(11)上生长UID-Ga₂O₃下缓冲层(12)，UID-Ga₂O₃下缓冲层(12)的厚度为900-1100nm，生长源为三甲基镓和高纯氧气，不掺杂，采取渐变式生长温度进行生长，起始生长温度为500-600℃，每生长100nm薄膜后，将生长温度升高20℃，直至800℃；逐步吸收GaN与Ga₂O₃薄膜由于晶格失配产生的应力与位错；

C、采用MOCVD方法，在UID-Ga₂O₃下缓冲层(12)上生长Mg掺杂的Ga₂O₃半绝缘层(13)，Mg掺杂的Ga₂O₃半绝缘层(13)的厚度为200-300nm，生长源为三甲基镓和高纯氧气，掺杂源为二茂镁；生长温度为700-800℃，二茂镁的流量为10-20sccm，利用镁受主补偿Ga₂O₃薄膜内存在的施主缺陷，制备成电阻率大于10¹⁰Ω·cm的半绝缘层薄膜；

D、采用MOCVD方法，在Mg掺杂的Ga₂O₃半绝缘层(13)上生长Ga₂O₃上缓冲层(2)，Ga₂O₃上缓冲层(2)的厚度为800-1000nm，生长源为三甲基镓和高纯氧气，不掺杂，薄膜的生长温度为800-900℃，用以防止Ga₂O₃沟道层(3)和Mg掺杂的Ga₂O₃半绝缘层(13)之间施主与受主间的扩散；

E、采用MOCVD方法，在Ga₂O₃上缓冲层(2)上生长Ga₂O₃沟道层(3)，Ga₂O₃沟道层(3)的厚度为150-250nm，生长源为三甲基镓和高纯氧气，掺杂源为SiH₄气体，流量为10-20sccm；薄膜的生长温度为800-900℃，电子浓度控制在10¹⁷cm^-3数量级，以便实现器件正常工作；

F、采用MOCVD方法，在Ga₂O₃沟道层(3)上生长Ga₂O₃强n型Ga₂O₃薄膜，厚度为100-200nm，生长源为三甲基镓和高纯氧气，掺杂源为SiH₄气体，流量为30-40sccm，所述Ga₂O₃薄膜采用低温掺杂与高温生长交替进行的方法制备；低温生长温度为500-600℃，进行掺杂，当薄膜厚度达到20nm时，进行高温生长，温度为800-900℃，不掺杂，薄膜厚度也为20nm，两种生长方式交替进行，完成薄膜生长后，在N₂气氛下进行热退火，退火温度为800-1000℃，退火时间为30分钟，以完成杂质的扩散与激活，所述Ga₂O₃薄膜电子浓度需达到10¹⁹cm^-3数量级，退火之后，利用SF₆与Ar的混合气体进行Ga₂O₃部分区域的ICP刻蚀，形成源层(4)和漏层(5)，其中SF₆与Ar气体的体积比为3:1，刻蚀时间为20-30分钟；

G、采用等离子体ALD的方法，用掩膜法在Ga₂O₃源层(4)、漏层(5)与Ga₂O₃沟道层(3)的部分区域上生长Al₂O₃绝缘层(6)；Al₂O₃绝缘层(6)的厚度为15-25nm，生长温度为200-300℃，不掺杂，形成器件的绝缘栅层；

H、采用蒸镀和光刻胶剥离工艺，制备源电极(7)、栅电极(8)和漏电极(9)，厚度为200-300nm；源电极(7)、栅电极(8)和漏电极(9)的材料可用Au、Ni-Au、Ti-Au、Zn-Au或Pt-Au二元合金材料，或Ti-Pt-Au、Ti-Ni-Au或Ni-Pt-Au三元合金材料，蒸镀电极的方法可采用热蒸镀、电子束蒸镀或磁控溅射方法制备；

I、最后，进行划片，制备成边长200μm-3mm的方形器件，装配焊接在热沉或支架上，便制备得到Ga₂O₃基金属氧化物半导体场效应晶体管。