一种高质量氧化镓晶片的制备方法与应用与流程

本发明涉及一种高质量氧化镓晶片的制备方法与应用，属于晶体与器件技术领域。

背景技术：

β-Ga₂O₃为直接带隙的半导体材料，禁带宽度为E_g＝4.8eV，是一种新型的超宽禁带半导体。β-Ga₂O₃晶体紫外截止边可达260nm，紫外波段透过率高，可满足新一代光电材料对短波长工作范围的要求。此外，该晶体禁带宽度大、击穿场强度高、抗辐射能力强，且具有良好的物理和化学稳定性，非常适合用来研制高耐压、大功率半导体器件。

半导体领域对晶片的表面质量要求非常高，晶片表面质量的好坏直接影响了后期外延薄膜以及器件质量，高质量晶片的获得是半导体器件制作的基础。因此，半导体晶片需要经过精密抛光后才能用于器件的制作。目前，半导体领域常用的抛光方法为化学机械抛光，但是由于β-Ga₂O₃晶体存在解理面，加工难度大，研磨、抛光时容易导致晶体开裂，造成晶体的浪费。而且化学机械抛光工艺复杂，成本高，因此β-Ga₂O₃晶体的加工仍是一个影响该晶体实现真正应用的难点。

氧化镓晶体具有可解离的性质，通过剥离的方法有望获得高质量的晶片。但是，晶体具有两个呈103.8°的解离面，在简单机械剥离过程中容易出现晶片的断裂，晶片尺寸较小，而且晶片质量不高，如图1所示。

因此，研究、设计、寻找一种简单高效的氧化镓晶片制备方法是急需解决的问题，并具有重要的应用价值。

技术实现要素：

针对现有β-Ga₂O₃晶体加工方面存在的不足，本发明提供一种简单、高效的高质量氧化镓晶片的制备方法与应用。获得的氧化镓晶片可以直接用于光学器件或者作为晶片用于半导体器件的制作。

本发明的技术方案如下：

一种高质量氧化镓晶片的制备方法，包括步骤如下：

(1)体块单晶预处理

将氧化镓单晶切割得到体块单晶，在气氛下进行退火处理，退火温度800-1200℃，退火时间5-100h，退火气氛为氩气或氢气；

(2)机械剥离

将退火处理后的体块单晶在侧面或侧棱上划痕，放入水中，然后用刀片从划痕处切开，缓慢把晶片从体块单晶上分离，得到高质量氧化镓晶片。

根据本发明，优选的，步骤(1)中所述的体块单晶的形状为正方体型、长方体型、圆柱形、棱台形、棱柱形或平面六面体；

优选的，退火温度900-1000℃，退火时间5-30h；

优选的，所述的气氛为流动气氛。

根据本发明，优选的，步骤(2)中从划痕处沿大面切开，进一步优选的，所述的大面为(100)面；

优选的，划痕所用工具为金刚石刀；

优选的，划痕后放入温度为20-28℃的水中。在水中进行剥离，有利于防止晶片剥离过程中发生断裂。

根据本发明，优选的，还包括晶片后处理步骤(3)，具体操作如下：

(3)晶片后处理

获得晶片后，在气氛下进行退火处理或离子注入，进行表面改性。

根据本发明，优选的，步骤(3)中所述的气氛为氧气气氛，退火温度为900～1200℃，退火时间为1～30h。在高温氧气下退火可以有效减少晶片表面氧空位缺陷，提高晶片的电阻率。

根据本发明，优选的，步骤(3)中所述的气氛为氢气气氛或惰性气体气氛，进一步优选的，所述的惰性气体为氩气或氮气；退火温度为800～900℃，退火时间为0.5～10h。在氢气，或者惰性气氛下退火可以增加晶片表面氧空位缺陷，有效降低晶体电阻率。氢气下退火温度不宜高于900℃，时间不宜超过10h，否则容易导致晶体表面粗糙度增加。

根据本发明，优选的，步骤(3)中所述的离子注入为：对晶片进行Si、Sn、Mg、Fe、等离子注入，能量50～200keV，剂量10¹¹～10¹⁶/cm²。通过离子注入实现对晶片电阻率及导电类型的调节。

根据本发明，剥离获得的氧化镓晶片的应用，包括如下任意一种：

作为深紫外、可见或者红外波段的光学窗口材料应用；

作为衬底材料外延GaN、GaInN、AlGaN、ZnO等材料，并进行LED、LD、紫外探测器的制作；

作为探测材料，直接在表面进行电极的制作或者外延后进行电极制作，实现对紫外光、X射线、γ射线、中子等高能离子的探测；

作为衬底材料进行薄膜外延或者直接在表面进行电极制作等半导体工艺，并进行功率器件的制作。

本发明的氧化镓晶片的应用包括上述内容，但不限于上述内容。

本发明的有益效果如下：

1、本发明方法操作简单，容易实现氧化镓晶片的机械剥离，得到的氧化镓晶片不会断裂，晶片尺寸较大，而且晶片质量较高，可直接应用于后续半导体器件的制作。

2、本发明在还原气氛或惰性气氛下退火，可以消除晶体生长过程中产生的应力，减小晶体剥离过程中晶片的断裂，可以剥离获得较大尺寸晶片。同时退火之后晶体中仍然保存了一定数量的氧空位，有利于晶片的分离。通过退火工艺的引入，有效的克服了普通机械剥离过程中，晶片易碎，晶片表面质量不高的问题，由此方法获得晶片可以直接用于半导体工艺。

3、本发明后期的退火改性及离子注入可以有效的调控晶片的电阻率。

4、本发明在剥离获得晶片上制作的紫外探测器，具有优异的探测能力。

附图说明

图1为未经预处理，直接机械剥离获得的氧化镓晶片照片。

图2为本发明实施例1中经过预处理，再进行机械剥离得到的氧化镓晶片照片。

图3为本发明实施例1中经过预处理，再进行机械剥离得到的氧化镓晶片AFM(原子力显微镜)测试结果。

图4为本发明应用例中紫外探测器的结构示意图。其中，1、Au，2、Ti，3、氧化镓晶片。

图5为本发明应用例中紫外探测器分别在20V、40V偏压的条件下，对不同波长的紫外光的响应强度曲线。

图6为本发明应用例中紫外探测器在10V偏压、254nm波长条件下，电流与时间的光响应曲线。

具体实施方式

下面通过实施例并结合附图对本发明做进一步说明，但不限于此。

实施例1

一种高质量氧化镓晶片的制备方法，包括步骤如下：

(1)体块单晶预处理

将生长获得的高质量氧化镓或掺杂氧化镓单晶，切割为7×5×3mm³样品，样品较大面为(100)面，得到体块单晶。将切割后的体块单晶置于气氛炉中退火，退火温度900℃，退火时间5h，气氛为流动的氢气。

(2)机械剥离

将切割好的体块单晶，用金刚石刀在侧面划痕，放入25℃水中，然后用锋利刀片从划痕处沿着(100)面切开，缓慢把晶片从体块单晶上分离，得到高质量氧化镓晶片。晶片如图2所示。通过图2可知，经过预处理后机械剥离得到的晶片不会断裂，晶片尺寸较大，而且晶片质量较高。

(3)晶片后处理

将获得的晶片在氧气下1100℃退火，退火时间10h，减少晶体表面氧空位缺陷，提高晶体的电阻率。

实施例2

一种高质量氧化镓晶片的制备方法，包括步骤如下：

(1)体块单晶预处理

将生长获得的高质量氧化镓或掺杂氧化镓单晶，切割为10×6×3mm³样品，样品较大面为(100)面，得到体块单晶。将切割后的体块单晶置于气氛炉中退火，退火温度1000℃，退火时间15h，气氛为流动的氩气。

(2)机械剥离

将切割好的体块单晶，用金刚石刀在退火晶体侧面或侧棱划痕，放入20℃水中，然后用锋利刀片从划痕处沿(100)面切开，然后缓慢把晶片从体块单晶上分离，得到高质量氧化镓晶片。

实施例3

一种高质量氧化镓晶片的制备方法，包括步骤如下：

(1)体块单晶预处理

将生长获得的高质量Sn掺杂的n型氧化镓单晶，切割为25×20×3mm³样品，样品较大面为(100)面，得到体块单晶。将切割后的体块单晶置于气氛炉中退火，退火温度1000℃，退火时间40h，气氛为流动的氩气。

(2)机械剥离

将切割好的体块单晶，用金刚石刀在退火晶体侧面划痕，放入28℃水中，然后用锋利刀片从划痕处沿(100)面切开，然后缓慢把晶片从体块单晶上分离，得到高质量氧化镓晶片。

(3)晶片后处理

将获得的晶片在氩气下800℃退火，退火时间6h，增加晶体表面氧空位缺陷，降低晶体的电阻率。

实施例4

一种高质量氧化镓晶片的制备方法，包括步骤如下：

(1)体块单晶预处理

将生长获得的高质量氧化镓或掺杂氧化镓单晶，切割为5×5×5mm³样品，得到体块单晶。将切割后的体块单晶置于气氛炉中退火，退火温度1000℃，退火时间30h，气氛为流动的氩气。

(2)机械剥离

将切割好的体块单晶，用金刚石刀在退火晶体侧面或侧棱划痕，放入25℃水中，然后用锋利刀片从划痕处沿(100)面切开，然后缓慢把晶片从体块单晶上分离，得到高质量氧化镓晶片。

(3)晶片后处理

将获得的晶片进行Si离子注入，能量100keV，剂量5×10¹⁵，提高晶体表面电阻率，具体注入条件可以根据需要更改。

对比例

如实施例1所述，不同的是对体块单晶没有进行预处理，直接进行机械剥离步骤。得到的晶片如图1所示。通过图1可知，机械剥离过程中容易出现晶片的断裂，晶片尺寸较小，而且晶片质量不高。

应用例

用实施例1获得的氧化镓晶片直接制作日盲探测器实现对紫外光的探测。

探测器结构如图4所示，使用真空蒸镀的方法，通过掩膜版，在氧化镓晶片上分别蒸镀10nm厚的金属Ti和40nm厚的金属Au，叉指电极宽200μm，电极间的间隔200μm。

如图5为该器件分别在20V和40V偏压的条件下，对不同波长的紫外光的响应强度曲线。图6为该器件在10V偏压、254nm波长条件下，电流强度与时间的光响应曲线(不同光强度照射，器件通过的电流不同)。通过图5、6可以看出，该器件对“日盲”波段的紫外线具有很强的选择性，适合用来作为“日盲”探测器使用。