[发明专利]一种氧化镓半导体叠层结构及其制备方法

说明书

本发明提供了一种氧化镓半导体的叠层结构及其制备方法，包括硅衬底和生长在所述硅衬底上的氧化镓半导体层，所述硅衬底和氧化镓半导体层之间设置有金属插入层；所述硅衬底表面与硅(111)晶面存在0°～10°的偏离角；所述金属插入层是立方相的钨、钼、铱、铑、钒、铬、铂、钯、铁、镍、铜、金、银、铝中的一种或多种，或者是六方相的铼、钌、铪、锆、钛、钴中的一种或多种；所述氧化镓半导体层为具有六方对称性的ε相或α相氧化镓，厚度不超过50μm。本发明通过引入金属插入层，解决了高质量Ga₂O₃结晶膜难于在Si衬底上制备的问题，该结构同时还可以用于制备具有垂直结构的半导体器件。

技术领域

本发明属于半导体材料与器件制备领域，主要涉及在能在硅衬底上实现高质量氧化镓半导体的生长方法及基于此制备的半导体器件。

背景技术

氧化镓(Ga₂O₃)具有β、ε、α、γ、δ五种相，其中β相是稳定相，ε相次之，α相又次之，而γ、δ相稳定性差。由于不同相Ga₂O₃均具有4.7～5.4eV的超宽禁带宽度和高临界击穿电场，因此，Ga₂O₃半导体是理想的电子器件材料，具有耐高电压、耐高温、器件功率大、热损耗低、寄生效应小的优点；特别是在ε-Ga₂O₃中，由于极化效应和二维电子气的存在，ε-Ga₂O₃还能用于制作高频电子器件(Applied Physics Letters,112,162101,2018)。

在制备Ga₂O₃半导体功率电子器件的过程中，为使器件能够工作在大功率大电流的应用场合，垂直结构相比起水平结构是更理想的器件结构。采用β相Ga₂O₃晶体作为同质衬底，可以制备具有垂直结构的Ga₂O₃功率器件(IEEE Electron Device Letters39,869-872,2018)，但是，β-Ga₂O₃衬底尺寸小且成本高昂，不利于氧化镓半导体材料与器件的商用化进程。专利申请文件CN106415845A和CN106796891A通过采用蓝宝石作为Ga₂O₃生长的衬底，公开了一种结晶性优异的α相Ga₂O₃层叠结构和相应的半导体垂直结构器件；但是，一方面，蓝宝石不是电子器件的理想衬底，其在价格、尺寸、导热性上均不如硅材料衬底，另一方面，在蓝宝石衬底上制作α-Ga₂O₃垂直器件，需要对蓝宝石衬底进行剥离，而蓝宝石衬底的剥离是一道难度大、成本高的工艺步骤。硅(Si)材料的111晶向具有六方对称性，可以作为ε相或α相Ga₂O₃的异质外延衬底。采用Si衬底生长Ga₂O₃，可以将Ga₂O₃半导体器件的制备兼容到现有的Si基半导体工艺中，有效降低Ga₂O₃半导体材料的制备成本；并且，由于n型Si导电性能优良，其可以作为底电极而无需进行衬底剥离，有利于垂直结构器件的制备。

但采用Si作为衬底生长Ga₂O₃薄膜并制备相应的垂直结构器件，面临两方面的难题：一是生长的初期很容易在单晶Si表面形成一层非晶态的氧化硅，这一层非晶态的氧化硅晶向一致性差，因而会严重降低后续生长的Ga₂O₃薄膜质量；其次，由于Ga₂O₃导电性差，其很难和n型Si形成良好的欧姆接触，会导致所制备的垂直结构器件具有过高的接触电阻，严重降低器件的工作效率。因此，目前迫切需要一种硅衬底上生长氧化镓的新技术新工艺，以解决以上两方面问题。

发明内容