JP7321189B2 - 酸化ガリウム半導体構造及びその調製方法 - Google Patents
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Description
本発明は、半導体材料に関し、より具体的には、酸化ガリウム半導体構造及びその調製方法に関するものである。
電子情報産業の急速な発展に伴い、半導体に対する人間の需要は、もはや従来の半導体材料や技術にとどまらず、半導体シリコンベースの材料から、ガリウム砒素やインジウムリンに代表される第２世代半導体へと進化し、徐々に第３世代の広バンドギャップ半導体材料に移行している。
炭化ケイ素（ＳｉＣ）、酸化亜鉛、窒化ガリウム、ダイヤモンド、酸化ガリウムなどを含む第３世代の広バンドギャップ半導体（バンドギャップ幅Ｅｇ＞２．３ｅＶ）材料は、高い破壊電圧、高い電子移動度、優れた熱安定性及び強力な耐放射線能力などの利点により、高周波、高出力及び高度に統合された光電子デバイスでますます使用されている。特に酸化ガリウム材料は、より大きいバンドギャップ４．５～４．９ｅＶを有し、Ｓｉの４倍以上に相当し、酸化亜鉛の３．２４ｅＶと窒化ガリウムの３．４ｅＶよりもさらに高くなるため、青紫色光又は紫外線発光デバイス及び深紫外線検出デバイスの分野で広く適用することができる。一方、酸化ガリウムのバリガ（Ｂａｌｉｇａ）の性能指数（シリコンに対する）は３４４４と高く、炭化ケイ素の約１０倍、ＧａＮの約４倍である。したがって、酸化ガリウムに基づいて開発されるデバイスは、より小さい伝導損失及びより高い電力変換効率を有し、将来的にはパワーエレクトロニクスやパワーデバイスの分野で大きな適用の可能性を秘めている。
近年、酸化ガリウム結晶材料における研究は比較的大きな進歩を遂げている。ドイツと日本は、それぞれチョクラルスキー法とＥＦＧ法により、２インチと４～６インチの酸化ガリウム結晶の調製を実現した。２０１５年、日本は２インチのβ－酸化ガリウム単結晶基板の商品化を実現した。中国では、中国科学院上海光学機械研究所、同済大学、中電グループ４６研究所及び山東大学などの機関が、酸化ガリウム結晶の結晶化習慣、ドーピング方法及び光学特性に関する探索を実施した。しかしながら、酸化ガリウム結晶材料の熱伝導率は非常に低く（約０．２７Ｗ・ｃｍ－１・Ｋ-1）、酸化ガリウム結晶材料上にデバイスを直接調製すると、放熱がデバイスの性能を制限する主なボトルネックになり、酸化ガリウム薄膜デバイスと高熱伝導率基板とを統合することが放熱の問題を解決するための主な方法である。例えば、絶縁体上酸化ガリウム（ＧａＯＯＩ）が形成されるようにシリコンベースの基板上（シリコン基板の熱伝導率は酸化ガリウムの５．６倍）上に酸化ガリウム薄膜を調製する。一致する基板材料が足りないため、従来のエピタキシャル成長技術（例えば、分子ビームエピタキシ、金属有機物化学蒸着、マグネトロンスパッタリングなど）を採用して、高熱伝導性基板上に高品質の酸化ガリウム単結晶薄膜をエピタキシャル成長させることは依然として多くの課題に直面しており、エピタキシャル成長に必要なエピタキシャルバッファ層は、デバイスの性能と寿命に影響を与えてしまう。
高熱伝導率基板上に酸化ガリウム単結晶薄膜をエピタキシャル成長させることができないという従来技術における上記の問題を解決するために、本発明は、酸化ガリウム半導体構造及びその調製方法を提供することを目的とする。
本発明によれば、酸化ガリウム半導体構造の調製方法であって、注入面を有する酸化ガリウム単結晶ウェハを提供するステップＳ１と、注入されたイオンがあらかじめ設定された深さに到達し、あらかじめ設定された深さに第１酸化ガリウム層及び第２酸化ガリウム層が両側に形成される注入欠陥層が形成されるように、前記注入面から酸化ガリウム単結晶ウェハにイオンを注入するステップＳ２と、酸化ガリウム単結晶ウェハ及び高熱伝導率基板を含む第１複合構造が得られるように、前記注入面と高熱伝導性基板とを結合するステップＳ３と、第１複合構造における酸化ガリウム単結晶ウェハが第１損傷層及び第２損傷層を形成する注入欠陥層に沿って剥離され、第１損傷層、第１酸化ガリウム層及び高熱伝導率基板を含む第２複合構造並びに第２損傷層及び第２酸化ガリウム層を含む第３複合構造が得られるように、第１複合構造をアニーリング処理するステップＳ４と、第１損傷層を除去し、第１酸化ガリウム層及び高熱伝導率基板を含む酸化ガリウム半導体構造を得られるように、第２複合構造を表面処理するステップＳ５と、を含む酸化ガリウム半導体構造の調製方法が提供される。
前記酸化ガリウム単結晶ウェハは、α型酸化ガリウム単結晶ウェハ又はβ型酸化ガリウム単結晶ウェハである。
前記酸化ガリウム単結晶ウェハは、固有酸化ガリウム単結晶ウェハ又はドープ酸化ガリウム単結晶ウェハである。当該ドープ酸化ガリウム単結晶ウェハは、Ｓｎドープ酸化ガリウム単結晶ウェハであることが好ましい。
前記酸化ガリウム単結晶ウェハは、結晶方位（－２０１）、（０１０）、（００１）及び（１００）を含む。
前記酸化ガリウム単結晶ウェハのサイズは、ミリメートル級のウェハ又はウェハ級のウェハである。
前記ステップＳ２において、前記注入面からＨイオン及び／又はＨｅイオンが注入される。
前記あらかじめ設定された深さは、２０ｎｍ～２０μｍである。当該あらかじめ設定された深さは１００～９００ｎｍであることが好ましい。当該あらかじめ設定された深さは２００～３００ｎｍであることがより好ましい。好適実施例において、当該あらかじめ設定された深さは２３０ｎｍである。
イオン注入のエネルギは、５ｋｅＶ～１０００ｋｅＶであり、用量は、１×１０16ｉｏｎｓ／ｃｍ2～６×１０17ｉｏｎｓ／ｃｍ2であり、温度は、－２０℃～３００℃である。
前記高熱伝導率基板は、シリコン基板、酸化シリコン基板、ダイヤモンド基板、窒化アルミニウム基板及び炭化ケイ素基板のうちの一つの高熱伝導率基板、又はそれらの少なくとも二つを複合して形成される複合基板から選択される。
前記ステップＳ３において、前記注入面と高熱伝導性基板とは、直接結合、誘電体層結合、金属結合又は陽極結合による。
前記ステップＳ４において、アニーリング処理は、真空環境又は窒素、酸素及び不活性ガスのうちの少なくとも一つによって形成される保護雰囲気で行われ、アニーリング温度は、５０℃から７００℃であり、アニーリング時間は、１分から２４時間である。
前記ステップＳ５において、前記表面処理は、化学的機械的研磨、化学的エッチング、プラズマエッチング及び低エネルギイオンスパッタリングのうちの少なくとも一つから選択される。
当該調製方法は、第２損傷層を除去し、第２酸化ガリウム層が得られるように、第３複合構造を表面処理することをさらに含む。当該第２酸化ガリウム層は、コストが低減されるようにリサイクルすることができる。
本発明によれば、酸化ガリウム半導体構造であって、上記の調製方法によって得られる酸化ガリウム半導体構造がさらに提供される。
本発明の調製方法によれば、イオン注入により注入面の下のあらかじめ設定された深さに注入欠陥層が形成され、次いで、高熱伝導率の基板材料と結合され、結合された構造がアニールされることにより、高熱伝導率の基板材料上に比較的薄い第１酸化ガリウム層（すなわち、酸化ガリウム単結晶薄膜）を転写して酸化ガリウム半導体構造を形成する。当該酸化ガリウム半導体構造における酸化ガリウム単結晶薄膜と高熱伝導率の基板とが統合されることにより、酸化ガリウム単結晶薄膜の熱伝導率が効果的に向上する。また、残りの比較的厚い第２酸化ガリウム層は再利用することができるため、酸化ガリウム単結晶薄膜の調製コストが低減される。
以下では、図面を参照しながら本発明の好適実施例を与え、詳細に説明する。
本発明に係る酸化ガリウム半導体構造の調製方法は、１）図１に示すように、注入面１ａを有する酸化ガリウム単結晶ウェハ１を提供することと、２）図２に示すように、酸化ガリウム単結晶ウェハ１の注入面１ａからあらかじめ設定された深さに独立した第１酸化ガリウム層１２及び第２酸化ガリウム層１３が両側にそれぞれ形成される注入欠陥層１１が形成されるように、注入面１ａから矢印方向に沿って酸化ガリウム単結晶ウェハ１にイオンを注入することと、３）図３に示すように、酸化ガリウム単結晶ウェハ１及び高熱伝導率基板２を含む第１複合構造が得られるように、注入面１ａと高熱伝導率基板２とを結合することと、４）第１複合構造における酸化ガリウム単結晶ウェハが第１損傷層１１１及び第２損傷層１１２を形成する注入欠陥層１１に沿って剥離され、第１損傷層１１１、第１酸化ガリウム層１２及び高熱伝導率基板２を含む第２複合構造並びに第２損傷層１１２及び第２酸化ガリウム層１３を含む第３複合構造が得られるように、第１複合構造をアニーリング処理することと、５）第２複合構造における第１損傷層１１１を除去し、図５に示すような第１酸化ガリウム層１２（酸化ガリウム単結晶薄膜とも呼ばれる）及び高熱伝導率基板２を含む酸化ガリウム半導体構造を得られるように、第２複合構造を表面処理することと、を含む。
実施例一
サイズが１０ｍｍ×１０ｍｍであり、結晶方位が（－２０１）であるβ型Ｓｎドープ酸化ガリウム単結晶ウェハを提供し、注入面から約２３０ｎｍの箇所に注入欠陥層が形成されるように、注入面からＨイオンを注入し、注入エネルギは３０ｋｅＶ、注入用量は５×１０１７ｉｏｎｓ／ｃｍ2であり、注入温度は３０℃である。注入面と酸化ケイ素基板とを直接結合する。窒素雰囲気でアニーリング処理し、アニーリング温度は１５０℃であり、アニーリング時間は３０分である。化学的機械的研磨を採用して損傷層を除去し、酸化ガリウム半導体構造が得られる。
サイズが１０ｍｍ×１０ｍｍであり、結晶方位が（－２０１）であるβ型Ｓｎドープ酸化ガリウム単結晶ウェハを提供し、注入面から約２３０ｎｍの箇所に注入欠陥層が形成されるように、注入面からＨイオンを注入し、注入エネルギは３０ｋｅＶ、注入用量は５×１０１７ｉｏｎｓ／ｃｍ2であり、注入温度は３０℃である。注入面と酸化ケイ素基板とを直接結合する。窒素雰囲気でアニーリング処理し、アニーリング温度は１５０℃であり、アニーリング時間は３０分である。化学的機械的研磨を採用して損傷層を除去し、酸化ガリウム半導体構造が得られる。
実施例二
結晶方位が（１００）であるβ型固有酸化ガリウムウェハ級ウェハを提供する。注入面から約２０ｎｍの箇所に注入欠陥層が形成されるように、注入面からＨｅイオンを注入し、注入エネルギは５ｋｅＶであり、注入用量は１×１０１６ｉｏｎｓ／ｃｍ2であり、注入温度は－２０℃である。注入面とダイヤモンド基板とを陽極結合する。ヘリウム雰囲気でアニーリング処理し、アニーリング温度は５０℃であり、アニーリング時間は１分である。化学エッチングを採用して損傷層を除去し、酸化ガリウム半導体構造が得られる。
結晶方位が（１００）であるβ型固有酸化ガリウムウェハ級ウェハを提供する。注入面から約２０ｎｍの箇所に注入欠陥層が形成されるように、注入面からＨｅイオンを注入し、注入エネルギは５ｋｅＶであり、注入用量は１×１０１６ｉｏｎｓ／ｃｍ2であり、注入温度は－２０℃である。注入面とダイヤモンド基板とを陽極結合する。ヘリウム雰囲気でアニーリング処理し、アニーリング温度は５０℃であり、アニーリング時間は１分である。化学エッチングを採用して損傷層を除去し、酸化ガリウム半導体構造が得られる。
実施例三
結晶方位が（００１）であるα型鉄（Ｆｅ）ドープ酸化ガリウムウェハ級ウェハを提供する。注入面から約２３０ｎｍの箇所に注入欠陥層が形成されるように、注入面からＨイオン及びＨｅイオンを注入し、注入エネルギはそれぞれ３５ｋｅＶ及び６５ｋｅＶであり、注入用量はそれぞれ１×１０１７ｉｏｎｓ／ｃｍ2及び２×１０１６ｉｏｎｓ／ｃｍ2であり、注入温度は３００℃である。注入面と窒化アルミニウム基板とを金属結合する。酸素雰囲気でアニーリング処理し、アニーリング温度は７００℃であり、アニーリング時間は８時間である。プラズマエッチングを採用して損傷層を除去し、酸化ガリウム半導体構造が得られる。
結晶方位が（００１）であるα型鉄（Ｆｅ）ドープ酸化ガリウムウェハ級ウェハを提供する。注入面から約２３０ｎｍの箇所に注入欠陥層が形成されるように、注入面からＨイオン及びＨｅイオンを注入し、注入エネルギはそれぞれ３５ｋｅＶ及び６５ｋｅＶであり、注入用量はそれぞれ１×１０１７ｉｏｎｓ／ｃｍ2及び２×１０１６ｉｏｎｓ／ｃｍ2であり、注入温度は３００℃である。注入面と窒化アルミニウム基板とを金属結合する。酸素雰囲気でアニーリング処理し、アニーリング温度は７００℃であり、アニーリング時間は８時間である。プラズマエッチングを採用して損傷層を除去し、酸化ガリウム半導体構造が得られる。
実施例四
結晶方位が（－２０１）であるα型固有酸化ガリウムウェハ級ウェハを提供する。注入面から約２０μｍの箇所に注入欠陥層が形成されるように、注入面からＨイオンを注入し、注入エネルギは１０００ｋｅＶであり、注入用量は６×１０１７ｉｏｎｓ／ｃｍ2であり、注入温度は－２０℃である。注入面と炭化ケイ素／シリコン複合基板とを直接結合する。空気中でアニーリング処理し、アニーリング温度は７００℃であり、アニーリング時間は２４時間である。化学的機械的研磨を採用して損傷層を除去し、酸化ガリウム半導体構造が得られる。
結晶方位が（－２０１）であるα型固有酸化ガリウムウェハ級ウェハを提供する。注入面から約２０μｍの箇所に注入欠陥層が形成されるように、注入面からＨイオンを注入し、注入エネルギは１０００ｋｅＶであり、注入用量は６×１０１７ｉｏｎｓ／ｃｍ2であり、注入温度は－２０℃である。注入面と炭化ケイ素／シリコン複合基板とを直接結合する。空気中でアニーリング処理し、アニーリング温度は７００℃であり、アニーリング時間は２４時間である。化学的機械的研磨を採用して損傷層を除去し、酸化ガリウム半導体構造が得られる。
上記の説明は、本発明の好適実施例にすぎず、本発明の範囲を限定することを意図するものではなく、本発明の上記実施例にさまざまな変更を行うこともできる。すなわち、本発明の特許請求の範囲及び明細書の内容に従って行われるすべての単純かつ同等の変更及び修正は、いずれも本発明の特許の保護範囲に含まれる。本発明において詳細に説明されていないものは、従来の技術内容である。
Claims (5)
- 酸化ガリウム半導体構造の調製方法であって、
注入面を有するＳｎドープ又はＦｅドープの酸化ガリウム単結晶ウェハであって、前記注入面の結晶方位が（－２０１）である酸化ガリウム単結晶ウェハを提供するステップＳ１と、
注入されたイオンがあらかじめ設定された深さに到達し、あらかじめ設定された深さに第１酸化ガリウム層及び第２酸化ガリウム層が両側に形成される注入欠陥層が形成されるように、前記注入面から酸化ガリウム単結晶ウェハにイオンを注入するステップＳ２と、
酸化ガリウム単結晶ウェハ及び高熱伝導率基板を含む第１複合構造が得られるように、前記注入面と高熱伝導性基板とを金属結合又は陽極結合によって結合するステップＳ３と、
第１複合構造における酸化ガリウム単結晶ウェハが第１損傷層及び第２損傷層を形成する注入欠陥層に沿って剥離され、第１損傷層、第１酸化ガリウム層及び高熱伝導率基板を含む第２複合構造並びに第２損傷層及び第２酸化ガリウム層を含む第３複合構造が得られるように、第１複合構造をアニーリング処理するステップＳ４と、
第１損傷層を除去し、第１酸化ガリウム層及び高熱伝導率基板を含む酸化ガリウム半導体構造を得られるように、第２複合構造を表面処理するステップＳ５と、を含み、
前記ステップＳ２において、イオン注入のエネルギは、３０ｋｅＶ～１０００ｋｅＶであり、注入用量は、５×１０ 17 ｉｏｎｓ／ｃｍ 2 ～６×１０ 17 ｉｏｎｓ／ｃｍ 2 であり、注入温度は、－２０℃～３０℃であり、
前記ステップＳ４において、アニーリング処理は、真空環境又は窒素、酸素及び不活性ガスのうちの少なくとも一つによって形成される保護雰囲気で行われ、アニーリング温度は、１５０℃から７００℃であり、アニーリング時間は、３０分から２４時間であり、
あらかじめ設定された深さは、２３０ｎｍ～２０μｍである、
ことを特徴とする酸化ガリウム半導体構造の調製方法。 - 前記酸化ガリウム単結晶ウェハは、α型酸化ガリウム単結晶ウェハ又はβ型酸化ガリウム単結晶ウェハである、
ことを特徴とする請求項１に記載の調製方法。 - 前記ステップＳ２において、前記注入面からＨイオン及び／又はＨｅイオンが注入される、
ことを特徴とする請求項１に記載の調製方法。 - 前記高熱伝導率基板は、シリコン基板、酸化シリコン基板、ダイヤモンド基板、窒化アルミニウム基板及び炭化ケイ素基板のうちの一つの高熱伝導率基板、又はそれらの少なくとも二つを複合して形成される複合基板から選択される、
ことを特徴とする請求項１に記載の調製方法。 - 前記ステップＳ５において、前記表面処理は、化学的機械的研磨、化学的エッチング、プラズマエッチング及び低エネルギイオンスパッタリングのうちの少なくとも一つから選択される、 ことを特徴とする請求項１に記載の調製方法。
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