CN116913763A - 一种碳化硅基氧化镓复合物及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于半导体技术领域，具体涉及一种碳化硅基氧化镓复合物及其制备方法和应用。该碳化硅基氧化镓复合物是通过在碳化硅基氧化镓的碳化硅衬底和氧化镓薄膜之间设置氧化硅层。该碳化硅基氧化镓复合物可以显著的提高碳化硅和氧化镓接触的界面导热能力，界面导热可以达到82.25MW/m2·K。
Description
技术领域
本发明属于半导体技术领域，具体涉及一种碳化硅基氧化镓复合物及其制备方法和应用。
背景技术
5G、特高压输电、城际轨道交通、充电桩和新能源汽车等领域，对高压功率器件都有着不同程度的需求。随着应用范围的不断提升，SiC材料会像Si材料一样，耐压能力逐步趋向于其理论极限。氧化镓(Ga2O3)其具有更大的禁带宽度，比如，β-Ga2O3的禁带宽度可以达到4.8eV，α-Ga2O3的禁带宽度更是可以达到5.3eV。因此，氧化镓的理论击穿电场可以达到4H-SiC的3倍，巴利加优值为SiC的10倍；使得氧化镓在制造相同耐压的单极功率器件时，元件的导通电阻比SiC和GaN器件低很多，降低导通电阻有利于减少电源电路在导通时的电力损耗。上述优点使得氧化镓成为了高压整流器和增强型金属氧化物场效应晶体管等电力电子设备的理想材料。Ga2O3可通过简单的低成本和成熟的熔体生长方法获得高质量大尺寸单晶，并且可以实现Si和Sn大范围可调的掺杂浓度。此外，相比于坚硬的碳化硅，氧化镓的抛光成本和外延成本更低，这也为氧化镓材料在各类应用中降低了成本。
然而，与第三代半导体的GaN(110W/m·K)和SiC(700W/m·K)相比，Ga2O3的导热性很差。比如，β-Ga2O3的室温[100]方向下的热导率为11W/m·K，[010]方向下的热导率为29W/m·K和[001]方向下的热导率为21W/m·K，这限制了其在高功率器件的应用。为了提高氧化镓的散热能力，目前有采用在碳化硅衬底上生长氧化镓才提高器件的散热能力。这与纯氧化镓衬底相比，是显著提高了散热能力。但是，两种材料的晶格差异大，界面缺陷的存在，造成了碳化硅和氧化镓接触的界面热阻大，严重阻碍了热量从氧化镓传导到高导热的碳化硅衬底，削弱了碳化硅的高导热性能，无法发挥其优势。
因此，开发一种碳化硅和氧化镓接触的界面导热能力强的碳化硅基氧化镓是有必要的。
发明内容
为了解决上述问题，本发明目的之一在于提供一种碳化硅基氧化镓复合物，该碳化硅基氧化镓复合物是通过在碳化硅基氧化镓的碳化硅衬底和氧化镓薄膜之间设置氧化硅层，可以显著的提高碳化硅和氧化镓接触的界面导热能力，界面导热可以达到82.25MW/m2·K。
为了达到上述目的，本发明可以采用以下技术方案：
本发明一方面提供一种碳化硅基氧化镓复合物，其是在碳化硅基氧化镓的碳化硅衬底和氧化镓薄膜之间设置氧化硅层。
优选地，上述氧化硅层的厚度为0.5nm-200nm。
优选地，上述氧化硅层为非晶、多晶或单晶。
优选地，上述碳化硅衬底为非晶、单晶或多晶；和/或上述碳化硅衬底的晶型为3C、4H、6H或15R；和/或上述碳化硅衬底的厚度为50μm-2000μm。
优选地，上述氧化镓薄膜为非晶、多晶或单晶；和/或上述氧化镓薄膜的晶体结构为α-Ga2O3、β-Ga2O3、ε-Ga2O3、γ-Ga2O3或δ-Ga2O3；和/或上述氧化镓薄膜的厚度为10nm-1000μm。
本发明另一方面提供一种上述的碳化硅基氧化镓复合物的制备方法，其包括以下3种方法中的一种：(a)先在碳化硅衬底上通过薄膜沉积方法沉积氧化硅层，然后在氧化硅层上通过薄膜沉积方法沉积氧化镓薄膜；(b)先在碳化硅衬底上通过薄膜沉积方法沉积氧化硅层，然后在氧化硅层上通过离子键合方法键合氧化镓薄膜；(c)先在碳化硅衬底上通过薄膜沉积方法沉积氧化镓薄膜，然后通过热氧化的方法在碳化硅衬底和氧化镓薄膜之间形成氧化硅层。
本发明再一方面提供一种提高碳化硅基氧化镓中碳化硅衬底和氧化镓薄膜之间的界面导热能力的方法，其包括在碳化硅基氧化镓的碳化硅衬底和氧化镓薄膜之间设置氧化硅层。
优选地，上述氧化硅层的厚度为0.5nm-200nm。
优选地，上述在碳化硅基氧化镓的碳化硅衬底和氧化镓薄膜之间设置氧化硅层的方法包括以下3种方法中的一种：(a)先在碳化硅衬底上通过薄膜沉积方法沉积氧化硅层，然后在氧化硅层上通过薄膜沉积方法沉积氧化镓薄膜；(b)先在碳化硅衬底上通过薄膜沉积方法沉积氧化硅层，然后在氧化硅层上通过离子键合方法键合氧化镓薄膜；(c)先在碳化硅衬底上通过薄膜沉积方法沉积氧化镓薄膜，然后通过热氧化的方法在碳化硅衬底和氧化镓薄膜之间形成氧化硅层。
本发明有益效果至少包括：本发明提供的碳化硅基氧化镓复合物可以显著的提高碳化硅和氧化镓接触的界面导热能力，界面导热可以达到82.25MW/m2·K。
附图说明
图1为通过直接沉积薄膜的方式形成碳化硅/氧化硅/氧化镓三层结构流程图；
图2为通过直接键合的方式形成碳化硅/氧化硅/氧化镓三层结构流程图；
图3为通过热氧化的方式形成碳化硅/氧化硅/氧化镓三层结构流程图；
图4为实施例1样品的TDTR测试曲线图；
图5为实施例2样品的TDTR测试曲线图；
图6为实施例3样品的TDTR测试曲线图；
图7为实施例4样品的TDTR测试曲线图；
图8为对比例1样品的TDTR测试曲线图。
具体实施方式
所举实施例是为了更好地对本发明进行说明，但并不是本发明的内容仅局限于所举实施例。所以熟悉本领域的技术人员根据上述发明内容对实施方案进行非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。
本文中使用的术语仅用于描述特定实施例，并且无意于限制本公开。除非在上下文中具有明显不同的含义，否则单数形式的表达包括复数形式的表达。如本文所使用的，应当理解，诸如“包括”、“具有”、“包含”之类的术语旨在指示特征、数字、操作、组件、零件、元件、材料或组合的存在。在说明书中公开了本发明的术语，并且不旨在排除可能存在或可以添加一个或多个其他特征、数字、操作、组件、部件、元件、材料或其组合的可能性。如在此使用的，根据情况，“/”可以被解释为“和”或“或”。
本发明实施例提供一种碳化硅基氧化镓复合物，其是在碳化硅基氧化镓的碳化硅衬底和氧化镓薄膜之间设置氧化硅层。
在一些具体实施例中，上述碳化硅基氧化镓复合物中，氧化硅层的厚度可以为0.5nm-200nm，比如10nm、50nm、70nm、90nm、120nm、150nm、170nm或190nm。
在一些具体实施例中，上述碳化硅基氧化镓复合物中，氧化硅层可以为非晶、多晶或单晶。
在一些具体实施例中，上述碳化硅基氧化镓复合物中，碳化硅衬底可以为非晶、单晶或多晶；和/或上述碳化硅衬底的晶型可以为3C、4H、6H或15R；和/或上述碳化硅衬底的厚度可以为50μm-2000μm。
在一些具体实施例中，上述碳化硅基氧化镓复合物中，氧化镓薄膜可以为非晶、多晶或单晶；和/或上述氧化镓薄膜的晶体结构可以为α-Ga2O3、β-Ga2O3、ε-Ga2O3、γ-Ga2O3或δ-Ga2O3；和/或上述氧化镓薄膜的厚度可以为10nm-1000μm。
本发明另一实施例提供一种上述的碳化硅基氧化镓复合物的制备方法，其包括以下3种方法中的一种：(a)先在碳化硅衬底上通过薄膜沉积方法沉积氧化硅层，然后在氧化硅层上通过薄膜沉积方法沉积氧化镓薄膜(参照图1)；(b)先在碳化硅衬底上通过薄膜沉积方法沉积氧化硅层，然后在氧化硅层上通过离子键合方法键合氧化镓薄膜(参照图2)；(c)先在碳化硅衬底上通过薄膜沉积方法沉积氧化镓薄膜，然后通过热氧化的方法在碳化硅衬底和氧化镓薄膜之间形成氧化硅层(参照图3)。
本发明再一实施例提供一种提高碳化硅基氧化镓中碳化硅衬底和氧化镓薄膜之间的界面导热能力的方法，其包括在碳化硅基氧化镓的碳化硅衬底和氧化镓薄膜之间设置氧化硅层。
在一些具体实施例中，上述提高碳化硅基氧化镓中碳化硅衬底和氧化镓薄膜之间的界面导热能力的方法中，氧化硅层的厚度为0.5nm-200nm。
在一些具体实施例中，上述提高碳化硅基氧化镓中碳化硅衬底和氧化镓薄膜之间的界面导热能力的方法中，在碳化硅基氧化镓的碳化硅衬底和氧化镓薄膜之间设置氧化硅层的方法包括以下3种方法中的一种：(a)先在碳化硅衬底上通过薄膜沉积方法沉积氧化硅层，然后在氧化硅层上通过薄膜沉积方法沉积氧化镓薄膜；(b)先在碳化硅衬底上通过薄膜沉积方法沉积氧化硅层，然后在氧化硅层上通过离子键合方法键合氧化镓薄膜；(c)先在碳化硅衬底上通过薄膜沉积方法沉积氧化镓薄膜，然后通过热氧化的方法在碳化硅衬底和氧化镓薄膜之间形成氧化硅层。
在一些具体实施例中，上述提高碳化硅基氧化镓中碳化硅衬底和氧化镓薄膜之间的界面导热能力的方法中，氧化硅层的厚度可以为0.5nm-200nm，比如10nm、50nm、70nm、90nm、120nm、150nm、170nm或190nm。
在一些具体实施例中，上述提高碳化硅基氧化镓中碳化硅衬底和氧化镓薄膜之间的界面导热能力的方法中，氧化硅层可以为非晶、多晶或单晶。
在一些具体实施例中，上述提高碳化硅基氧化镓中碳化硅衬底和氧化镓薄膜之间的界面导热能力的方法中，碳化硅衬底可以为非晶、单晶或多晶；和/或上述碳化硅衬底的晶型可以为3C、4H、6H或15R；和/或上述碳化硅衬底的厚度可以为50μm-2000μm。
在一些具体实施例中，上述提高碳化硅基氧化镓中碳化硅衬底和氧化镓薄膜之间的界面导热能力的方法中，氧化镓薄膜可以为非晶、多晶或单晶；和/或上述氧化镓薄膜的晶体结构可以为α-Ga2O3、β-Ga2O3、ε-Ga2O3、γ-Ga2O3或δ-Ga2O3；和/或上述氧化镓薄膜的厚度可以为10nm-1000μm。
需要说明的是，在上述碳化硅基氧化镓复合物的制备方法和上述提高碳化硅基氧化镓中碳化硅衬底和氧化镓薄膜之间的界面导热能力的方法中，沉积方法为本领域所已知的，包括但不限于原子层沉积(ALD)、化学气相沉积(CVD)和物理气相沉积(PVD)。
为了更好地理解本发明，下面结合具体示例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的示例。
实施例1
(1)先将4H碳化硅衬底利用标准的RCA清洗法洗净并吹干，厚度为350μm；
(2)在清洗后的碳化硅衬底上，通过原子层沉积技术制备一层厚度为1.5nm的氧化硅薄膜；其具体参数为：衬底加热到350℃，硅源为三二甲氨基硅烷，氧源为臭氧，通0.05s三二甲氨基硅烷，然后氩气吹扫40s，再通8s臭氧，氩气吹扫40s为一个循环。一个循环薄膜厚度为生长43个循环，厚度约为1.5nm。
(3)在沉积好氧化硅层的基础上，通过原子层沉积技术再沉积一层厚度为100nm的氧化镓薄膜；其具体参数为：衬底加热到350℃，镓源为三乙基镓，氧源为臭氧，通0.1s三乙基镓，然后氩气吹扫40s，再通5s臭氧，氩气吹扫40s为一个循环。一个循环薄膜厚度为 生长3333个循环，厚度约为100nm。
(4)将沉积好的样品利用TDTR测量技术测量氧化镓和碳化硅之间的界面热阻，获得的实验数据如图4，通过拟合得到氧化镓和碳化硅的界面导热为86.34MW/m2·K。
实施例2
(1)先将4H碳化硅衬底利用标准的RCA清洗法洗净并吹干，厚度为350μm；
(2)在清洗后的碳化硅衬底上，通过原子层沉积技术制备一层厚度为3nm的氧化硅薄膜。具体参数为：衬底加热到350℃，硅源为三二甲氨基硅烷，氧源为臭氧，通0.05s三二甲氨基硅烷，然后氩气吹扫40s，再通8s臭氧，氩气吹扫40s为一个循环。一个循环薄膜厚度为生长86个循环，厚度约为3nm。
(3)在沉积好氧化硅层的基础上，通过原子层沉积技术再沉积一层厚度为100nm的氧化镓薄膜；具体参数为：衬底加热到350℃，镓源为三乙基镓，氧源为臭氧，通0.1s三乙基镓，然后氩气吹扫40s，再通5s臭氧，氩气吹扫40s为一个循环。一个循环薄膜厚度为生长3333个循环，厚度约为100nm。
(4)将沉积好的样品利用TDTR测量技术测量氧化镓和碳化硅之间的界面热阻，获得的实验数据如图5，通过拟合得到氧化镓和碳化硅的界面导热为144.48MW/m2·K。
实施例3
(1)先将4H碳化硅衬底利用标准的RCA清洗法洗净并吹干，厚度为350μm；
(2)在清洗后的碳化硅衬底上，通过原子层沉积技术制备一层厚度为6nm的氧化硅薄膜；具体参数为：衬底加热到350℃，硅源为三二甲氨基硅烷，氧源为臭氧，通0.05s三二甲氨基硅烷，然后氩气吹扫40s，再通8s臭氧，氩气吹扫40s为一个循环。一个循环薄膜厚度为生长172个循环，厚度约为6nm。
(3)在沉积好氧化硅层的基础上，通过原子层沉积技术再沉积一层厚度为100nm的氧化镓薄膜；具体参数为：衬底加热到350℃，镓源为三乙基镓，氧源为臭氧，通0.1s三乙基镓，然后氩气吹扫40s，再通5s臭氧，氩气吹扫40s为一个循环。一个循环薄膜厚度为生长3333个循环，厚度约为100nm。
(4)将沉积好的样品利用TDTR测量技术测量氧化镓和碳化硅之间的界面热阻，获得的实验数据如图6，通过拟合得到氧化镓和碳化硅的界面导热为101.98MW/m2·K。
实施例4
(1)先将4H碳化硅衬底利用标准的RCA清洗法洗净并吹干，厚度为350μm；
(2)在清洗后的碳化硅衬底上，通过原子层沉积技术制备一层厚度为12nm的氧化硅薄膜；具体参数为：衬底加热到350℃，硅源为三二甲氨基硅烷，氧源为臭氧，通0.05s三二甲氨基硅烷，然后氩气吹扫40s，再通8s臭氧，氩气吹扫40s为一个循环。一个循环薄膜厚度为生长343个循环，厚度约为2nm。
(3)在沉积好氧化硅层的基础上，通过原子层沉积技术再沉积一层厚度为100nm的氧化镓薄膜；具体参数为：衬底加热到350℃，镓源为三乙基镓，氧源为臭氧，通0.1s三乙基镓，然后氩气吹扫40s，再通5s臭氧，氩气吹扫40s为一个循环。一个循环薄膜厚度为生长3333个循环，厚度约为100nm。
(4)将沉积好的样品利用TDTR测量技术测量氧化镓和碳化硅之间的界面热阻，获得的实验数据如图7，通过拟合得到氧化镓和碳化硅的界面导热为92.36MW/m2·K。
对比例1
(1)先将4H碳化硅衬底利用标准的RCA清洗法洗净并吹干，厚度为350μm；
(2)在清洗后的碳化硅衬底上，通过原子层沉积技术制备一层厚度为100nm的氧化镓薄膜；具体参数为：衬底加热到350℃，镓源为三乙基镓，氧源为臭氧，通0.1s三乙基镓，然后氩气吹扫40s，再通5s臭氧，氩气吹扫40s为一个循环。一个循环薄膜厚度为生长3333个循环，厚度约为100nm。
(3)将沉积好的样品利用TDTR测量技术测量氧化镓和碳化硅之间的界面热阻，获得的实验数据如图8，通过拟合得到氧化镓和碳化硅的界面导热为20.4MW/m2·K。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围。
Claims (9)
1.一种碳化硅基氧化镓复合物，其特征在于，在碳化硅基氧化镓的碳化硅衬底和氧化镓薄膜之间设置氧化硅层。
2.根据权利要求1所述的碳化硅基氧化镓复合物，其特征在于，氧化硅层的厚度为0.5nm-200nm。
3.根据权利要求1或2所述的碳化硅基氧化镓复合物，其特征在于，氧化硅层为非晶、多晶或单晶。
4.根据权利要求1或2所述的碳化硅基氧化镓复合物，其特征在于，碳化硅衬底为非晶、单晶或多晶；和/或碳化硅衬底的晶型为3C、4H、6H或15R；和/或碳化硅衬底的厚度为50μm-2000μm。
5.根据权利要求1或2所述的碳化硅基氧化镓复合物，其特征在于，氧化镓薄膜为非晶、多晶或单晶；和/或氧化镓薄膜的晶体结构为α-Ga2O3、β-Ga2O3、ε-Ga2O3、γ-Ga2O3或δ-Ga2O3；
和/或氧化镓薄膜的厚度为10nm-1000μm。
6.根据权利要求1至5中任一项权利要求所述的碳化硅基氧化镓复合物的制备方法，其特征在于，其制备方法包括以下3种方法中的一种：(a)先在碳化硅衬底上通过薄膜沉积方法沉积氧化硅层，然后在氧化硅层上通过薄膜沉积方法沉积氧化镓薄膜；(b)先在碳化硅衬底上通过薄膜沉积方法沉积氧化硅层，然后在氧化硅层上通过离子键合方法键合氧化镓薄膜；(c)先在碳化硅衬底上通过薄膜沉积方法沉积氧化镓薄膜，然后通过热氧化的方法在碳化硅衬底和氧化镓薄膜之间形成氧化硅层。
7.一种提高碳化硅基氧化镓中碳化硅衬底和氧化镓薄膜之间的界面导热能力的方法，其特征在于，包括在碳化硅基氧化镓的碳化硅衬底和氧化镓薄膜之间设置氧化硅层。
8.根据权利要求7所述的提高碳化硅基氧化镓中碳化硅衬底和氧化镓薄膜之间的界面导热的方法，其特征在于，氧化硅层的厚度为0.5nm-200nm。
9.根据权利要求7或8所述的提高碳化硅基氧化镓中碳化硅衬底和氧化镓薄膜之间的界面导热能力的方法，其特征在于，在碳化硅基氧化镓的碳化硅衬底和氧化镓薄膜之间设置氧化硅层的方法包括以下3种方法中的一种：(a)先在碳化硅衬底上通过薄膜沉积方法沉积氧化硅层，然后在氧化硅层上通过薄膜沉积方法沉积氧化镓薄膜；(b)先在碳化硅衬底上通过薄膜沉积方法沉积氧化硅层，然后在氧化硅层上通过离子键合方法键合氧化镓薄膜；(c)先在碳化硅衬底上通过薄膜沉积方法沉积氧化镓薄膜，然后通过热氧化的方法在碳化硅衬底和氧化镓薄膜之间形成氧化硅层。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117577518A (zh) * | 2023-11-20 | 2024-02-20 | 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 | 金刚石基氧化镓半导体结构及其制备方法 |
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2023
- 2023-08-11 CN CN202311014544.9A patent/CN116913763A/zh active Pending
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