本發(fā)明涉及一種高質(zhì)量氧化鎵晶片的制備方法與應(yīng)用，屬于晶體與器件技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

β-Ga₂O₃為直接帶隙的半導(dǎo)體材料，禁帶寬度為E_g＝4.8eV，是一種新型的超寬禁帶半導(dǎo)體。β-Ga₂O₃晶體紫外截止邊可達(dá)260nm，紫外波段透過率高，可滿足新一代光電材料對(duì)短波長工作范圍的要求。此外，該晶體禁帶寬度大、擊穿場強(qiáng)度高、抗輻射能力強(qiáng)，且具有良好的物理和化學(xué)穩(wěn)定性，非常適合用來研制高耐壓、大功率半導(dǎo)體器件。

半導(dǎo)體領(lǐng)域?qū)谋砻尜|(zhì)量要求非常高，晶片表面質(zhì)量的好壞直接影響了后期外延薄膜以及器件質(zhì)量，高質(zhì)量晶片的獲得是半導(dǎo)體器件制作的基礎(chǔ)。因此，半導(dǎo)體晶片需要經(jīng)過精密拋光后才能用于器件的制作。目前，半導(dǎo)體領(lǐng)域常用的拋光方法為化學(xué)機(jī)械拋光，但是由于β-Ga₂O₃晶體存在解理面，加工難度大，研磨、拋光時(shí)容易導(dǎo)致晶體開裂，造成晶體的浪費(fèi)。而且化學(xué)機(jī)械拋光工藝復(fù)雜，成本高，因此β-Ga₂O₃晶體的加工仍是一個(gè)影響該晶體實(shí)現(xiàn)真正應(yīng)用的難點(diǎn)。

氧化鎵晶體具有可解離的性質(zhì)，通過剝離的方法有望獲得高質(zhì)量的晶片。但是，晶體具有兩個(gè)呈103.8°的解離面，在簡單機(jī)械剝離過程中容易出現(xiàn)晶片的斷裂，晶片尺寸較小，而且晶片質(zhì)量不高，如圖1所示。

因此，研究、設(shè)計(jì)、尋找一種簡單高效的氧化鎵晶片制備方法是急需解決的問題，并具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有β-Ga₂O₃晶體加工方面存在的不足，本發(fā)明提供一種簡單、高效的高質(zhì)量氧化鎵晶片的制備方法與應(yīng)用。獲得的氧化鎵晶片可以直接用于光學(xué)器件或者作為晶片用于半導(dǎo)體器件的制作。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種高質(zhì)量氧化鎵晶片的制備方法，包括步驟如下：

(1)體塊單晶預(yù)處理

將氧化鎵單晶切割得到體塊單晶，在氣氛下進(jìn)行退火處理，退火溫度800-1200℃，退火時(shí)間5-100h，退火氣氛為氬氣或氫氣；

(2)機(jī)械剝離

將退火處理后的體塊單晶在側(cè)面或側(cè)棱上劃痕，放入水中，然后用刀片從劃痕處切開，緩慢把晶片從體塊單晶上分離，得到高質(zhì)量氧化鎵晶片。

根據(jù)本發(fā)明，優(yōu)選的，步驟(1)中所述的體塊單晶的形狀為正方體型、長方體型、圓柱形、棱臺(tái)形、棱柱形或平面六面體；

優(yōu)選的，退火溫度900-1000℃，退火時(shí)間5-30h；

優(yōu)選的，所述的氣氛為流動(dòng)氣氛。

根據(jù)本發(fā)明，優(yōu)選的，步驟(2)中從劃痕處沿大面切開，進(jìn)一步優(yōu)選的，所述的大面為(100)面；

優(yōu)選的，劃痕所用工具為金剛石刀；

優(yōu)選的，劃痕后放入溫度為20-28℃的水中。在水中進(jìn)行剝離，有利于防止晶片剝離過程中發(fā)生斷裂。

根據(jù)本發(fā)明，優(yōu)選的，還包括晶片后處理步驟(3)，具體操作如下：

(3)晶片后處理

獲得晶片后，在氣氛下進(jìn)行退火處理或離子注入，進(jìn)行表面改性。

根據(jù)本發(fā)明，優(yōu)選的，步驟(3)中所述的氣氛為氧氣氣氛，退火溫度為900～1200℃，退火時(shí)間為1～30h。在高溫氧氣下退火可以有效減少晶片表面氧空位缺陷，提高晶片的電阻率。

根據(jù)本發(fā)明，優(yōu)選的，步驟(3)中所述的氣氛為氫氣氣氛或惰性氣體氣氛，進(jìn)一步優(yōu)選的，所述的惰性氣體為氬氣或氮?dú)?；退火溫度?00～900℃，退火時(shí)間為0.5～10h。在氫氣，或者惰性氣氛下退火可以增加晶片表面氧空位缺陷，有效降低晶體電阻率。氫氣下退火溫度不宜高于900℃，時(shí)間不宜超過10h，否則容易導(dǎo)致晶體表面粗糙度增加。

根據(jù)本發(fā)明，優(yōu)選的，步驟(3)中所述的離子注入為：對(duì)晶片進(jìn)行Si、Sn、Mg、Fe、等離子注入，能量50～200keV，劑量10¹¹～10¹⁶/cm²。通過離子注入實(shí)現(xiàn)對(duì)晶片電阻率及導(dǎo)電類型的調(diào)節(jié)。

根據(jù)本發(fā)明，剝離獲得的氧化鎵晶片的應(yīng)用，包括如下任意一種：

作為深紫外、可見或者紅外波段的光學(xué)窗口材料應(yīng)用；

作為襯底材料外延GaN、GaInN、AlGaN、ZnO等材料，并進(jìn)行LED、LD、紫外探測器的制作；

作為探測材料，直接在表面進(jìn)行電極的制作或者外延后進(jìn)行電極制作，實(shí)現(xiàn)對(duì)紫外光、X射線、γ射線、中子等高能離子的探測；

作為襯底材料進(jìn)行薄膜外延或者直接在表面進(jìn)行電極制作等半導(dǎo)體工藝，并進(jìn)行功率器件的制作。

本發(fā)明的氧化鎵晶片的應(yīng)用包括上述內(nèi)容，但不限于上述內(nèi)容。

本發(fā)明的有益效果如下：

1、本發(fā)明方法操作簡單，容易實(shí)現(xiàn)氧化鎵晶片的機(jī)械剝離，得到的氧化鎵晶片不會(huì)斷裂，晶片尺寸較大，而且晶片質(zhì)量較高，可直接應(yīng)用于后續(xù)半導(dǎo)體器件的制作。

2、本發(fā)明在還原氣氛或惰性氣氛下退火，可以消除晶體生長過程中產(chǎn)生的應(yīng)力，減小晶體剝離過程中晶片的斷裂，可以剝離獲得較大尺寸晶片。同時(shí)退火之后晶體中仍然保存了一定數(shù)量的氧空位，有利于晶片的分離。通過退火工藝的引入，有效的克服了普通機(jī)械剝離過程中，晶片易碎，晶片表面質(zhì)量不高的問題，由此方法獲得晶片可以直接用于半導(dǎo)體工藝。

3、本發(fā)明后期的退火改性及離子注入可以有效的調(diào)控晶片的電阻率。

4、本發(fā)明在剝離獲得晶片上制作的紫外探測器，具有優(yōu)異的探測能力。

附圖說明

圖1為未經(jīng)預(yù)處理，直接機(jī)械剝離獲得的氧化鎵晶片照片。

圖2為本發(fā)明實(shí)施例1中經(jīng)過預(yù)處理，再進(jìn)行機(jī)械剝離得到的氧化鎵晶片照片。

圖3為本發(fā)明實(shí)施例1中經(jīng)過預(yù)處理，再進(jìn)行機(jī)械剝離得到的氧化鎵晶片AFM(原子力顯微鏡)測試結(jié)果。

圖4為本發(fā)明應(yīng)用例中紫外探測器的結(jié)構(gòu)示意圖。其中，1、Au，2、Ti，3、氧化鎵晶片。

圖5為本發(fā)明應(yīng)用例中紫外探測器分別在20V、40V偏壓的條件下，對(duì)不同波長的紫外光的響應(yīng)強(qiáng)度曲線。

圖6為本發(fā)明應(yīng)用例中紫外探測器在10V偏壓、254nm波長條件下，電流與時(shí)間的光響應(yīng)曲線。

具體實(shí)施方式

下面通過實(shí)施例并結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明，但不限于此。

實(shí)施例1

一種高質(zhì)量氧化鎵晶片的制備方法，包括步驟如下：

(1)體塊單晶預(yù)處理

將生長獲得的高質(zhì)量氧化鎵或摻雜氧化鎵單晶，切割為7×5×3mm³樣品，樣品較大面為(100)面，得到體塊單晶。將切割后的體塊單晶置于氣氛爐中退火，退火溫度900℃，退火時(shí)間5h，氣氛為流動(dòng)的氫氣。

(2)機(jī)械剝離

將切割好的體塊單晶，用金剛石刀在側(cè)面劃痕，放入25℃水中，然后用鋒利刀片從劃痕處沿著(100)面切開，緩慢把晶片從體塊單晶上分離，得到高質(zhì)量氧化鎵晶片。晶片如圖2所示。通過圖2可知，經(jīng)過預(yù)處理后機(jī)械剝離得到的晶片不會(huì)斷裂，晶片尺寸較大，而且晶片質(zhì)量較高。

(3)晶片后處理

將獲得的晶片在氧氣下1100℃退火，退火時(shí)間10h，減少晶體表面氧空位缺陷，提高晶體的電阻率。

實(shí)施例2

一種高質(zhì)量氧化鎵晶片的制備方法，包括步驟如下：

(1)體塊單晶預(yù)處理

將生長獲得的高質(zhì)量氧化鎵或摻雜氧化鎵單晶，切割為10×6×3mm³樣品，樣品較大面為(100)面，得到體塊單晶。將切割后的體塊單晶置于氣氛爐中退火，退火溫度1000℃，退火時(shí)間15h，氣氛為流動(dòng)的氬氣。

(2)機(jī)械剝離

將切割好的體塊單晶，用金剛石刀在退火晶體側(cè)面或側(cè)棱劃痕，放入20℃水中，然后用鋒利刀片從劃痕處沿(100)面切開，然后緩慢把晶片從體塊單晶上分離，得到高質(zhì)量氧化鎵晶片。

實(shí)施例3

一種高質(zhì)量氧化鎵晶片的制備方法，包括步驟如下：

(1)體塊單晶預(yù)處理

將生長獲得的高質(zhì)量Sn摻雜的n型氧化鎵單晶，切割為25×20×3mm³樣品，樣品較大面為(100)面，得到體塊單晶。將切割后的體塊單晶置于氣氛爐中退火，退火溫度1000℃，退火時(shí)間40h，氣氛為流動(dòng)的氬氣。

(2)機(jī)械剝離

將切割好的體塊單晶，用金剛石刀在退火晶體側(cè)面劃痕，放入28℃水中，然后用鋒利刀片從劃痕處沿(100)面切開，然后緩慢把晶片從體塊單晶上分離，得到高質(zhì)量氧化鎵晶片。

(3)晶片后處理

將獲得的晶片在氬氣下800℃退火，退火時(shí)間6h，增加晶體表面氧空位缺陷，降低晶體的電阻率。

實(shí)施例4

一種高質(zhì)量氧化鎵晶片的制備方法，包括步驟如下：

(1)體塊單晶預(yù)處理

將生長獲得的高質(zhì)量氧化鎵或摻雜氧化鎵單晶，切割為5×5×5mm³樣品，得到體塊單晶。將切割后的體塊單晶置于氣氛爐中退火，退火溫度1000℃，退火時(shí)間30h，氣氛為流動(dòng)的氬氣。

(2)機(jī)械剝離

將切割好的體塊單晶，用金剛石刀在退火晶體側(cè)面或側(cè)棱劃痕，放入25℃水中，然后用鋒利刀片從劃痕處沿(100)面切開，然后緩慢把晶片從體塊單晶上分離，得到高質(zhì)量氧化鎵晶片。

(3)晶片后處理

將獲得的晶片進(jìn)行Si離子注入，能量100keV，劑量5×10¹⁵，提高晶體表面電阻率，具體注入條件可以根據(jù)需要更改。

對(duì)比例

如實(shí)施例1所述，不同的是對(duì)體塊單晶沒有進(jìn)行預(yù)處理，直接進(jìn)行機(jī)械剝離步驟。得到的晶片如圖1所示。通過圖1可知，機(jī)械剝離過程中容易出現(xiàn)晶片的斷裂，晶片尺寸較小，而且晶片質(zhì)量不高。

應(yīng)用例

用實(shí)施例1獲得的氧化鎵晶片直接制作日盲探測器實(shí)現(xiàn)對(duì)紫外光的探測。

探測器結(jié)構(gòu)如圖4所示，使用真空蒸鍍的方法，通過掩膜版，在氧化鎵晶片上分別蒸鍍10nm厚的金屬Ti和40nm厚的金屬Au，叉指電極寬200μm，電極間的間隔200μm。

如圖5為該器件分別在20V和40V偏壓的條件下，對(duì)不同波長的紫外光的響應(yīng)強(qiáng)度曲線。圖6為該器件在10V偏壓、254nm波長條件下，電流強(qiáng)度與時(shí)間的光響應(yīng)曲線(不同光強(qiáng)度照射，器件通過的電流不同)。通過圖5、6可以看出，該器件對(duì)“日盲”波段的紫外線具有很強(qiáng)的選擇性，適合用來作為“日盲”探測器使用。