本發(fā)明屬于功率半導體器件及其制備技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一類散熱性好的ga2o3基金屬氧化物半導體場效應晶體管及其制備方法。

背景技術(shù)：

半導體功率器件主要是指用于電力設備的電能變換和控制電路方面的半導體電子器件。在眾多功率器件中，高功率的金屬氧化物半導體場效應晶體管(mosfet)器件，對于高壓傳輸，功率轉(zhuǎn)換的電器來說非常重要。高壓mosfet常常要承受幾百甚至幾千伏的高壓，這對于材料的要求極高。而目前被廣泛使用的si材料，其帶隙只有1.1ev，擊穿場強很小，必須通過雙極器件(例如：絕緣柵雙極晶體管)和增厚器件尺寸防止擊穿而獲得高壓器件。而雙極器件的制備工藝復雜且功率損耗較大，不利于節(jié)能且增加了散熱難度。新興的gan與sic基單級功率器件，雖然在功率損耗、耐壓等方面性能得到提升，但仍然不能滿足智能電網(wǎng)等高壓系統(tǒng)的應用需求，也只能期望采用雙極器件來實現(xiàn)。氧化鎵(ga2o3)是一種直接寬禁帶氧化物半導體材料，禁帶寬度約為4.9ev，高于gan和sic材料。ga2o3的電子遷移率為300cm²/vs，擊穿場強可達8mv/cm，遠超過sic和gan的理論極限值。該材料的導通電阻較低，在同樣的擊穿電壓下，氧化鎵單極器件的導通損耗可比sic的和gan的低一個數(shù)量級。這些優(yōu)勢使得ga2o3材料在高電壓，大功率mosfet的制備上具有廣闊的應用前景。

由于ga2o3薄膜的異質(zhì)外延技術(shù)目前還不成熟，襯底與薄膜間較大的晶格失配與熱失配難以消除，這導致異質(zhì)外延生長的ga2o3薄膜的晶體質(zhì)量無法提高。所以目前人們普遍使用ga2o3單晶襯底制備ga2o3基mosfet器件。masatakahigashiwaki等人在文獻“jpn.j.appl.phys.55,1202b9(2016)”中就報道了一種ga2o3基mosfet器件。這種器件結(jié)構(gòu)如圖1所示，由ga2o3單晶襯底1，襯底1上外延的非故意摻雜(uid)ga2o3緩沖層2，ga2o3緩沖層2上外延的si摻雜的弱n型ga2o3溝道層3，溝道層3上通過si離子注入方法形成相互分立的強n型源區(qū)4和強n型漏區(qū)5，源區(qū)4、漏區(qū)5和溝道層3的部分區(qū)域(見圖1)上利用原子層沉積(ald)方法沉積的al2o3絕緣層6，源區(qū)4、漏區(qū)5和絕緣層6上通過熱蒸發(fā)制備的源電極7、柵電極8和漏電極9等部件構(gòu)成。這種器件雖然表現(xiàn)出較sic更高的耐壓特性和更低的導通電阻，但ga2o3單晶襯底目前制備困難，大尺寸襯底難以獲得，而且ga2o3單晶襯底的熱導率很低，不利于高功率器件散熱，這將嚴重限制其高功率器件的實用化。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有技術(shù)中g(shù)a2o3基mosfet器件散熱性差這一困難，本發(fā)明提出一種散熱性良好的ga2o3基mosfet及其制備方法。本發(fā)明采用si單晶作為襯底，并利用當前gan薄膜外延生長技術(shù)，首先制備高質(zhì)量的gan系多層結(jié)構(gòu)薄膜，再通過gan高溫熱氧化的方法制備ga2o3薄層；然后進行g(shù)a2o3溫度漸變緩沖層的生長，其生長方法是首先在低溫下生長低質(zhì)量的ga2o3薄層，然后通過逐級升高生長溫度的方法生長ga2o3薄膜，并逐漸吸收gan與ga2o3界面產(chǎn)生的應力與位錯。當應力與位錯被緩沖層所吸收后，在緩沖層之上通過鎂摻雜的方法生長半絕緣的ga2o3半絕緣層，用來防止mosfet漏電流的產(chǎn)生。本發(fā)明可將si襯底、gan多層結(jié)構(gòu)薄膜、ga2o3氧化薄層、ga2o3溫度漸變緩沖層、ga2o3半絕緣層視為器件的整體襯底，以替代傳統(tǒng)的ga2o3單晶襯底使用。從而提出一種散熱性良好的ga2o3基mosfet及其制備方法，同時解決了ga2o3異質(zhì)外延的質(zhì)量問題。

一種散熱性好的ga2o3基mosfet，依次由襯底1，襯底1上制備的ga2o3緩沖層2，ga2o3緩沖層2上外延的ga2o3溝道層3，溝道層3上制備的相互分立的源區(qū)4、漏區(qū)5，源區(qū)4、漏區(qū)5和溝道層3的部分區(qū)域上沉積的al2o3絕緣層6，源區(qū)4、漏區(qū)5和絕緣層6上通過熱蒸發(fā)制備的源電極7、柵電極8和漏電極9；其特征在于：襯底1是si單晶，在襯底1和ga2o3上緩沖層2中間還制備有氮化物和氧化物混合多層結(jié)構(gòu)101；所述混合多層結(jié)構(gòu)101由gan系多層結(jié)構(gòu)薄膜10、ga2o3薄層11、ga2o3薄層11上制備的uid-ga2o3下緩沖層12、下緩沖層12上制備的ga2o3半絕緣層13組成；ga2o3上緩沖層2制備在半絕緣層13上；gan系多層結(jié)構(gòu)薄膜10采用aln、algan及gan多層薄膜結(jié)構(gòu)，其最上層為高質(zhì)量gan薄膜。

進一步地，所述的ga2o3薄層11是由gan系多層結(jié)構(gòu)薄膜10的上表面經(jīng)高溫氧化制成。

進一步地，所述的uid-ga2o3下緩沖層12是由溫度漸變生長方法制成；所述的半絕緣層13通過mg摻雜制成；所述的ga2o3源層4和漏層5均由sih4氣體通過調(diào)制摻雜工藝制成。

進一步地，所述的ga2o3上緩沖層2，溝道層3，源層4，漏層5，gan系多層結(jié)構(gòu)薄膜10，下緩沖層12，半絕緣層13，均是由金屬有機化合物化學氣相沉積(mocvd)方法制備而成的。

進一步地，所述的襯底1的厚度為300-500μm，gan系多層結(jié)構(gòu)薄膜10的厚度為100-200nm，ga2o3薄層11的厚度為1-5nm，ga2o3下緩沖層12的厚度為1-2μm，mg摻雜的ga2o3半絕緣層13的厚度為200-300nm，ga2o3上緩沖層2的厚度為800-1000nm，ga2o3溝道層3的厚度為150-250nm，ga2o3源層4和漏層5的厚度均為100-200nm，al2o3絕緣層6的厚度為15-25nm，源電極7、柵電極8和漏電極9的厚度為200-300nm。

一種散熱性好的ga2o3基mosfet的制備方法，具體步驟如下：

a、采用mocvd方法在si單晶襯底1(厚度為300-500μm)制備gan系多層結(jié)構(gòu)薄膜10，gan系多層結(jié)構(gòu)薄膜10自下而上分別由aln薄膜、漸變algan薄膜及gan薄膜組成，總厚度為100-200nm，生長源為三甲基鎵、三甲基鋁和高純氨氣，不摻雜，生長溫度為900-1100℃，生長壓強為300-400torr；

b、在gan系多層結(jié)構(gòu)薄膜10上通過高溫熱氧化的方法生成ga2o3薄層11，ga2o3薄層11厚度為1-5nm，氧化溫度為800-900℃，采用mocvd方法，在ga2o3薄層11上生長uid-ga2o3薄膜12，uid-ga2o3薄膜12的厚度為900-1100nm，生長源為三甲基鎵和高純氧氣，不摻雜，采取漸變式生長溫度進行生長，起始生長溫度為500-600℃，每生長100nm薄膜后，將生長溫度升高20℃，直至800℃；逐步吸收gan與ga2o3薄膜由于晶格失配產(chǎn)生的應力與位錯；

c、采用mocvd方法，在uid-ga2o3薄膜12上生長mg摻雜的ga2o3半絕緣層13，mg摻雜的ga2o3半絕緣層13的厚度為200-300nm，生長源為三甲基鎵和高純氧氣，摻雜源為二茂鎂。生長溫度為700-800℃，二茂鎂的流量為10-20sccm，利用鎂受主補償ga2o3薄膜內(nèi)存在的施主缺陷，制備成電阻率大于10¹⁰ω·cm的半絕緣層薄膜；

d、采用mocvd方法，在mg摻雜的ga2o3半絕緣層13上生長ga2o3上緩沖層2，ga2o3上緩沖層2的厚度為800-1000nm，生長源為三甲基鎵和高純氧氣，不摻雜，薄膜的生長溫度為800-900℃，用以防止ga2o3溝道層3和mg摻雜的ga2o3半絕緣層13之間施主與受主間的擴散；

e、采用mocvd方法，在ga2o3上緩沖層2上生長ga2o3溝道層3，ga2o3溝道層3的厚度為150-250nm，生長源為三甲基鎵和高純氧氣，摻雜源為sih4氣體，流量為10-20sccm。薄膜的生長溫度為800-900℃，電子濃度控制在10¹⁷cm^-3數(shù)量級，以便實現(xiàn)器件正常工作；

f、采用mocvd方法，在ga2o3溝道層3上生長ga2o3強n型ga2o3薄膜，厚度為100-200nm，生長源為三甲基鎵和高純氧氣，摻雜源為sih4氣體，流量為30-40sccm，該層采用低溫摻雜與高溫生長交替進行的方法制備。低溫生長溫度為500-600℃，進行同步摻雜，當薄膜厚度達到20nm時，只進行高溫生長，不摻雜，溫度為800-900℃，薄膜厚度也為20nm，兩種生長方式交替進行，完成薄膜生長后，在n2氣氛下進行熱退火，退火溫度為800-1000℃，退火時間為30分鐘，以完成雜質(zhì)的擴散與激活，該層的電子濃度需達到10¹⁹cm^-3數(shù)量級，退火之后，利用sf6與ar的混合氣體進行g(shù)a2o3部分區(qū)域的icp刻蝕，行程源層4和漏層5，其中sf6與ar氣體的體積比為3:1，刻蝕時間為20-30分鐘；

g、采用等離子體ald的方法，用掩膜法在ga2o3源層4、漏層5與ga2o3溝道層3的部分區(qū)域上生長al2o3絕緣層6；al2o3絕緣層6的厚度為15-25nm，生長溫度為200-300℃，不摻雜，形成器件的絕緣柵層；

h、采用蒸鍍和光刻膠剝離工藝，制備源電極7、柵電極8和漏電極9(見圖2)，厚度為200-300nm；源電極7、柵電極8和漏電極9的材料可用au、ni-au、ti-au、zn-au或pt-au等二元合金材料，也可以用ti-pt-au、ti-ni-au或ni-pt-au三元合金材料，蒸鍍電極的方法可采用熱蒸鍍、電子束蒸鍍或磁控濺射方法制備，合金中材料的比例關(guān)系需根據(jù)所接觸半導體材料的功函數(shù)進行計算；

i、最后，進行劃片，制備成邊長200μm-3mm的方形器件，裝配焊接在熱沉或支架上，便制備得到ga2o3基金屬氧化物半導體場效應晶體管。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點如下：

本發(fā)明解決了ga2o3材料的異質(zhì)外延問題，并克服了目前ga2o3基mosfet器件所使用的ga2o3單晶襯底的散熱性差，售價高等缺點；該發(fā)明還能夠利用si材料的工藝成熟、售價低、易集成、散熱性好的優(yōu)點，使ga2o3基mosfet器件接近實用化。

附圖說明

圖1：現(xiàn)有技術(shù)中g(shù)a2o3單晶襯底的ga2o3基mosfet器件的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2：本發(fā)明實施例1制備的的散熱性好的si襯底ga2o3基mosfet器件的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3：實施例1中mosfet器件的轉(zhuǎn)移特性曲線圖；

圖中：襯底1、uid-ga2o3上緩沖層2、ga2o3溝道層3、ga2o3源層4、ga2o3漏層5、al2o3絕緣層6、源電極7、柵電極8、漏電極9，gan系多層結(jié)構(gòu)薄膜10、ga2o3氧化薄層11、uid-ga2o3下緩沖層12、mg摻雜ga2o3半絕緣層13氮化物和氧化物混合多層結(jié)構(gòu)101。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步地說明。

實施例1

一種散熱性好的ga2o3基mosfet，依次由襯底1，襯底1上制備的ga2o3緩沖層2，ga2o3緩沖層2上外延的ga2o3溝道層3，溝道層3上制備的相互分立的源區(qū)4、漏區(qū)5，源區(qū)4、漏區(qū)5和溝道層3的部分區(qū)域上沉積的al2o3絕緣層6，源區(qū)4、漏區(qū)5和絕緣層6上通過熱蒸發(fā)制備的源電極7、柵電極8和漏電極9；其特征在于：襯底1是si單晶，在襯底1和ga2o3上緩沖層2中間還制備有氮化物和氧化物混合多層結(jié)構(gòu)101；所述混合多層結(jié)構(gòu)101由gan系多層結(jié)構(gòu)薄膜10、gan系多層結(jié)構(gòu)薄膜10部分高溫氧化制備的ga2o3薄層11、ga2o3薄層11上制備的uid-ga2o3下緩沖層12、下緩沖層12上制備的ga2o3半絕緣層13組成；ga2o3上緩沖層2制備在半絕緣層13上；gan系多層結(jié)構(gòu)薄膜10采用aln、algan及gan多層薄膜結(jié)構(gòu)，其最上層為高質(zhì)量gan薄膜；ga2o3薄層11是由gan薄膜的上表面經(jīng)高溫氧化制成；uid-ga2o3下緩沖層12是由溫度漸變生長方法制成；半絕緣層13通過mg摻雜制成，ga2o3源層4和漏層5都是由sih4氣體通過調(diào)制摻雜工藝制成。

一種散熱性好的ga2o3基mosfet的制備方法，具體步驟如下：

a、以si單晶為襯底1，厚度為500μm，首先在超聲狀態(tài)下依次使用甲苯、丙酮、乙醇和去離子水分別清洗襯底5分鐘，然后利用高純氮氣將襯底吹干。gan系多層結(jié)構(gòu)薄膜10的生長使用目前成熟的常規(guī)mocvd工藝，生長源為三甲基鎵、三甲基鋁和高純氨氣，生長溫度為1000℃，生長壓強為350torr，薄膜厚度為150nm。

b、在gan系多層結(jié)構(gòu)薄膜10上通過高溫熱氧化的方法生成ga2o3薄層11，其厚度為1.5nm，氧化溫度為850℃，氧化時間為30分鐘，從而獲得ga2o3薄層11。之后利用mocvd方法，在ga2o3薄層11上生長uid-ga2o3薄膜12，uid-ga2o3薄膜12的厚度為厚度為1000nm，生長源為三甲基鎵和高純氧氣，不摻雜。該層采取漸變式生長溫度進行生長，起始生長溫度為600℃，每生長100nm薄膜后，將生長溫度升高20℃，直至800℃。用此方法逐步吸收gan與ga2o3薄膜由于晶格失配產(chǎn)生的應力與位錯。

c、利用mocvd方法，在uid-ga2o3薄膜12上生長mg摻雜的ga2o3半絕緣層13，mg摻雜的ga2o3半絕緣層13的厚度為厚度為250nm，生長源為三甲基鎵和高純氧氣，摻雜源為二茂鎂，生長溫度為800℃，二茂鎂的流量為15sccm，利用鎂受主補償ga2o3薄膜內(nèi)存在的施主缺陷，獲得電阻率為1×10¹⁰ω·cm的半絕緣層薄膜。

d、利用mocvd方法，在mg摻雜的ga2o3半絕緣層13上生長ga2o3上緩沖層2，ga2o3上緩沖層2的厚度為厚度為900nm，生長源為三甲基鎵和高純氧氣，不摻雜。薄膜的生長溫度為800℃，用以防止ga2o3溝道層3和mg摻雜的ga2o3半絕緣層13之間施主與受主間的擴散。

e、利用mocvd方法，在ga2o3上緩沖層2上生長ga2o3溝道層3；ga2o3溝道層3的厚度為200nm，生長源為三甲基鎵和高純氧氣，摻雜源為sih4氣體，流量為15sccm。薄膜的生長溫度為800℃，電子濃度控制在1.6×10¹⁷cm^-3。

f、利用mocvd方法，在ga2o3溝道層3上生長ga2o3強n型薄膜，薄膜的厚度為150nm，生長源為三甲基鎵和高純氧氣，摻雜源為sih4氣體，流量為35sccm。該層采用低溫摻雜與高溫生長交替進行的方法制備。低溫生長溫度為550℃，進行摻雜，當薄膜厚度達到20nm時，進行高溫生長，溫度為800℃，不摻雜，薄膜厚度也為20nm。兩種生長方式交替進行。完成薄膜生長后，在n2氣氛下進行熱退火，退火溫度為900℃，退火時間為30分鐘。以完成雜質(zhì)的擴散與激活。該層的電子濃度為3.6×10¹⁹cm^-3。退火之后，利用sf6與ar的混合氣體進行g(shù)a2o3薄膜的icp刻蝕實驗形成分立的源層4和漏層5，其中sf6與ar氣體的體積比為3:1，刻蝕時間為30分鐘。

g、采用等離子體ald的方法，在對ga2o3源層4、漏層5與ga2o3溝道層3的部分區(qū)域上生長al2o3絕緣層6，al2o3絕緣層6的厚度為20nm，生長溫度為250℃，不摻雜，形成器件的絕緣柵層。

h、采用目前成熟的電極制備工藝，即icp刻蝕、光刻電極、蒸鍍電極、剝離合金等一系列流程制備源電極7、柵電極8和漏電極9，其材料采用采用ti-au合金，厚度為250nm；

i、最后，進行劃片，制備成邊長3毫米的方形器件，裝配焊接在熱沉或支架上，獲得了mosfet。

本發(fā)明制備的一種散熱性好的ga2o3基金屬氧化物半導體場效應晶體管與現(xiàn)有的ga2o3單晶襯底的ga2o3基mosfet器件的性能測試對比如下：

表1：本發(fā)明的的ga2o3基金屬氧化物半導體場效應晶體管和常規(guī)以ga2o3單晶為襯底的mosfet器件的各層薄膜質(zhì)量對比表

從表1的數(shù)據(jù)可見，本發(fā)明的ga2o3基金屬氧化物半導體場效應晶體管與常規(guī)的利用ga2o3單晶為襯底的mosfet器件，在各層薄膜性質(zhì)上基本相似。溝道層材料的晶體質(zhì)量好、遷移率高。半絕緣層的電阻率高，絕緣特性好。源漏層的載流子濃度高，易導電。所以，本發(fā)明制備的ga2o3基金屬氧化物半導體場效應晶體管并未對器件中薄膜的性能產(chǎn)生不利影響。

表2：本發(fā)明的的ga2o3基金屬氧化物半導體場效應晶體管和常規(guī)以ga2o3單晶為襯底的mosfet器件的性能對比

從表2數(shù)據(jù)可見，兩種器件的場效應遷移率均很高，開關(guān)閉均達到10⁹數(shù)量級。器件的臨界擊穿電壓也較高，約為700v左右。但是，以ga2o3單晶為襯底的器件的散熱性很差，器件在600v電壓工作10分鐘，器件的溫度已經(jīng)達到158℃，而ga2o3基金屬氧化物半導體場效應晶體管的器件，在同樣條件下工作10分鐘后，溫度只有62℃。這說明本發(fā)明的ga2o3基金屬氧化物半導體場效應晶體管具有良好的散熱性，這對于高功率器件來說，是非常重要的。

本發(fā)明制備的ga2o3基金屬氧化物半導體場效應晶體管呈現(xiàn)典型的mosfet轉(zhuǎn)移特性，正向開啟電壓為-15v，截止電壓為3v。器件具有明顯的開關(guān)特性，關(guān)態(tài)電流小于10^-10a，開態(tài)時的電流可達到10^-1a，器件的開關(guān)比約為10⁹。該器件特性基本與目前ga2o3單晶為襯底的器件的特性相當，但在器件散熱性上卻大為改善，可見si基gan襯底對器件的散熱性影響很大。