[发明专利]一种氧化镓半导体结构及其制备方法

说明书

本发明涉及一种氧化镓半导体结构的制备方法，包括提供具有注入面的氧化镓单晶晶片；从注入面向氧化镓单晶晶片进行离子注入，使得注入离子到达预设深度并在预设深度处形成注入缺陷层；将注入面与高热导率衬底键合，得到第一复合结构；对第一复合结构进行退火处理，使得第一复合结构中的氧化镓单晶晶片沿着注入缺陷层剥离，由此得到第二复合结构和第三复合结构；对第二复合结构进行表面处理以除去第一损伤层，得到包括第一氧化镓层和高热导率衬底的氧化镓半导体结构。本发明还提供一种由此得到的氧化镓半导体结构。根据本发明的制备方法形成的氧化镓半导体结构，氧化镓单晶薄膜与高热导率衬底集成，有效提高了氧化镓单晶薄膜的导热性。

技术领域

本发明涉及半导体材料，更具体地涉及一种氧化镓半导体结构及其制备方法。

背景技术

随着电子信息产业的迅速发展，人类对于半导体的需求不再仅仅局限于传统的半导体材料与技术，已经由半导体硅基材料发展到砷化镓、磷化铟为代表的第二代半导体，并逐渐向第三代宽禁带半导体材料转变。

第三代的宽禁带半导体(禁带宽度Eg＞2.3eV)材料，包括碳化硅(SiC)、氧化锌、氮化镓、金刚石、氧化镓等，由于具有耐击穿电压高、电子迁移率大、热稳定性好、抗辐射能力强等优势，越来越多地被用于高频、高功率、高集成度的光电子器件。尤其是氧化镓材料，因为它具有更大的禁带宽度4.5-4.9eV，相当于Si的4倍以上，甚至比氧化锌的3.24eV、氮化镓的3.4eV还要高许多，可以广泛应用于蓝紫光或紫外发光器件和深紫外探测器件领域。另一方面，氧化镓的Baliga优值指数(相对硅而言)高达3444，大约是碳化硅的10倍，GaN的4倍。因此，基于氧化镓研制的器件将具有更小的导通损耗和更高的功率转换效率，在未来电力电子和功率器件领域具有巨大应用潜力。

近年来，在氧化镓晶体材料方面的研究已经取得了比较大的发展。德国、日本分别采用提拉法和导模法实现了2英寸和4～6英寸氧化镓晶体的制备。2015年，日本已实现了2英寸β-氧化镓单晶衬底的商品化。在我国，中科院上海光机所、同济大学、中电集团46所、山东大学等单位已经开展了氧化镓晶体结晶习性、掺杂方式、光学性质等方面的探索。然而，氧化镓晶体材料的热导率很低(约为0.27W·cm-1·K^-1)，直接在氧化镓晶体材料上制备器件，散热将成为制约器件性能的主要瓶颈，将氧化镓薄膜器件与高热导率衬底集成是解决其散热问题的主要途径。例如，在硅基衬底上(硅衬底的导热率是氧化镓的5.6倍)制备氧化镓薄膜形成绝缘体上氧化镓(GaOOI)。由于匹配衬底材料的缺乏，采用传统的外延生长技术(如分子束外延、金属有机物化学气相沉积、磁控溅射等)在高热导率衬底上外延生长高质量的氧化镓单晶薄膜仍然面临着许多挑战，而且外延生长所需要的外延缓冲层影响了器件的性能与寿命。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的无法在高热导率衬底上外延生长氧化镓单晶薄膜的问题，本发明旨在提供一种氧化镓半导体结构及其制备方法。

本发明提供一种氧化镓半导体结构的制备方法，包括步骤：S1，提供具有注入面的氧化镓单晶晶片；S2，从所述注入面向氧化镓单晶晶片进行离子注入，使得注入离子到达预设深度并在预设深度处形成注入缺陷层，该注入缺陷层的两侧形成第一氧化镓层和第二氧化镓层；S3，将所述注入面与一高热导率衬底键合，得到包括氧化镓单晶晶片和高热导率衬底的第一复合结构；S4，对第一复合结构进行退火处理，使得第一复合结构中的氧化镓单晶晶片沿着注入缺陷层剥离，得到第二复合结构和第三复合结构，其中，注入缺陷层形成第一损伤层和第二损伤层，第二复合结构包括第一损伤层、第一氧化镓层和高热导率衬底，第三复合结构包括第二损伤层和第二氧化镓层；S5，对第二复合结构进行表面处理以除去第一损伤层，得到包括第一氧化镓层和高热导率衬底的氧化镓半导体结构。

所述氧化镓单晶晶片为α型氧化镓单晶晶片或β型氧化镓单晶晶片。

所述氧化镓单晶晶片为本征氧化镓单晶晶片或掺杂氧化镓单晶晶片。优选地，该掺杂氧化镓单晶晶片为Sn掺杂氧化镓单晶晶片。