CN117542739A - 一种透明可折叠的Ga2O3晶体管及制备方法和应用 - Google Patents

一种透明可折叠的Ga2O3晶体管及制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种透明可折叠的Ga2O3晶体管及制备方法和应用，包括：步骤一、制备背栅Ga2O3场效应晶体管：将Ga2O3薄膜覆盖在标记片的工作面的第一区域，在Ga2O3薄膜和标记片的工作面上光刻阴极窗口和阳极窗口，在标记片的工作面的第二区域上沉积金属电极；步骤二、形成欧姆接触：将制备的背栅Ga2O3场效应晶体管在预定温度下、惰性气氛中快速退火预定时间；步骤三、制备含有Ga2O3器件薄膜：在标记片的工作面上涂胶后浸泡在HF缓冲液中；步骤四、制备柔性衬底；步骤五、转移含有Ga2O3器件薄膜：将含有Ga2O3器件薄膜转移至柔性衬底表面，通过整体转移技术将硬性衬底上的器件转移至柔性可折叠衬底上，制备得到透明可折叠的Ga2O3晶体管。

Description

一种透明可折叠的Ga2O3晶体管及制备方法和应用
技术领域
本发明涉及大功率宽禁带化合物半导体技术领域以及二维半导体领域，特别涉及一种透明可折叠的Ga2O3晶体管及制备方法和应用。
背景技术
Ga2O3二维材料具有大的禁带宽度(>4.5eV)，高的击穿电场(～9MV/cm)，较高的能量装换效率以及优异的热稳定性和化学稳定性，更宽的禁带宽度意味着电子需要更多的能量从价带跃迁到导带，因此氧化镓具有耐高压、耐高温、大功率、抗辐照等特性，在紫外探测器、气体传感器以及高频大功率等技术领域具有巨大的应用前景。另外，Ga2O3材料是准二维材料，与其他宽禁带半导体(SiC,GaN等)相比，具有可以机械剥离的独特优点，故其在宽禁带半导体领域有着广泛的应用。机械剥离的Ga2O3薄膜相对于体材料而言，表面原子得以裸露，使得原子利用率大大提高，且可以通过薄膜的厚度控制和元素掺杂来调控它的能带结构和电学特性，因此Ga2O3薄膜被广泛应用于功率电子器件、紫外线光电器件或者其他高频电子器件等电子器件领域。
众所周知，当前硅基集成电路工艺是半导体制造的主流技术，但是硅材料既不具备柔性特性也不具备透明特性。像是上海大学于2021年申请的CN11368852A提到的硅基尺寸可控β-Ga2O3纳米线的制备方法制备的β-Ga2O3纳米线可在日盲紫外探测器中表现优异性能，进一步的，西湖大学于2022年申请的一种日盲光探测器及成像装置就是将Ga2O3搭载在硅基上制备得到日盲光探测器，此类在硅衬底上的器件无法进行拉伸和折叠。
而当今的时代是一个智能的时代，在高频、大功率等严苛的环境以及新兴的物联网和人工智能等领域，具备透明度和柔性且能够被折叠、弯曲或卷曲，并且具有电子功能的晶体管正在越来越受到大家的追捧，此类透明可折叠的晶体管可被用于制备透明的智能手机、平板电脑和其他电子设备，或者用于制造透明、柔性的穿戴式电子设备，还可用于制造柔性、透明的光学传感器等。而如何将Ga2O3应用于透明可折叠的晶体管是亟需解决的技术难题。
发明内容
本发明提供了一种透明可折叠的Ga2O3晶体管及制备方法和应用，通过整体转移技术将硬性衬底上的器件转移至柔性可折叠衬底上，制备得到可靠性高，性能优异，可重复性强的透明可折叠的Ga2O3晶体管，为新一代功率半导体Ga2O3器件的应用提供了一种具有指导意义的方法，具有广泛的应用前景。
为实现以上目的，本方案提供了一种透明可折叠的Ga2O3晶体管的制备方法，包括：
步骤一、制备背栅Ga2O3场效应晶体管：将Ga2O3薄膜覆盖在标记片的工作面的第一区域，在Ga2O3薄膜和标记片的工作面上光刻阴极窗口和阳极窗口，在标记片的工作面的第二区域上沉积金属电极；
步骤二、形成欧姆接触：将制备的背栅Ga2O3场效应晶体管在预定温度下、惰性气氛中快速退火预定时间；
步骤三、制备含有Ga2O3器件薄膜：在标记片的工作面上涂胶后浸泡在HF缓冲液中；
步骤四、制备柔性衬底：在柔性衬底层上分别生长底电极和介质层；
步骤五、转移含有Ga2O3器件薄膜：将含有Ga2O3器件薄膜转移至柔性衬底表面。
本方案提供的透明可折叠的Ga2O3晶体管的制备方法可实现在柔性衬底上制备背栅Ga2O3场效应晶体管，进而得到透明可折叠的Ga2O3晶体管。本方案是在标记片上制备背栅Ga2O3场效应晶体管，并在标记片上生成柔性衬底，最后利用整体转移的技术将背栅Ga2O3场效应晶体管转移到柔性衬底上。
具体的，在“步骤一、制备背栅Ga2O3场效应晶体管”步骤中，标记片选择SiO2/Si、ZrO2/Si、HfO2/Si、AlON/Si、AlN/Si、Al2O3/Si中的任意一种，标记片的非硅底的一面为工作面。在一些优选实施例中，标记片选择SiO2/Si，此时沉积片得SiO2面作为工作面。
如图1所示，标记片的工作面上形成第一区域和第二区域，将Ga2O3薄膜覆盖在标记片的工作面的第一区域，以使得标记片作为Ga2O3薄膜的支撑体。在一些实施例中，从Ga2O3单晶上剥离特定尺寸的Ga2O3薄膜并转移到标记片的工作面的第一区域上。
在标记片的工作面上均匀涂光刻胶后烘烤固化，在Ga2O3薄膜和标记片的表面光刻阴极窗口和阳极窗口，将光刻后的标记片浸泡在显影液中显影后置于异丙醇中定影。
具体的，如图2中图2A所示，Ga2O3薄膜和标记片的表面光刻阴极窗口和阳极窗口。如图2中的图2B所示，标记片表面的阳极窗口和阴极窗口分别位于Ga2O3薄膜的两侧。
在一些实施例中，光刻为电子束光刻或紫外光刻。
如图3A和图3B所示，将已经显影定影的标记片置于电子束蒸发设备中，在第二区域上沉积金属电极，随后将标记片用丙酮剥离。
需要说明是，第二区域对应Ga2O3薄膜上的阴极窗口和阳极窗口所在的区域。换言之，本方案在Ga2O3薄膜表面上阴极窗口和阳极窗口上依次沉积叠层金属形成沉积电极。
在一些实施例中，金属电极为叠层金属，金属电极选择为Ti/Au、Ni/Au、Mg/Au、ITO/Au、AZO/Au、AZO/Ti/Au、Ti/Ni/Au、Ti/Al/Ni/Au、Ti/Al/Ni/Au中的任意一种。对应的，金属电极中的不同层的金属依次序沉积并在第二区域形成金属电极，如图3中图3A所示，在优选的实施例中，金属电极选择为Ti/Al/Ni/Au叠层金属，在具体的实施例中，Ti/Al/Ni/Au的厚度分别为30/120/50/50nm。
在“步骤二、形成欧姆接触”步骤中，将已经沉积金属电极的标记片放入到RTP中进行快速热退火，以使得金属电极与Ga2O3薄膜接触形成欧姆接触。
在一些实施例中，预定温度指的是350℃～600℃，优选的，预定温度为470℃。
在一些实施例中，预定时间为60S～300S，优选的，预定温度为60℃。
在一些实施例中，惰性气氛为氩气气氛、氮气气氛、氢气氛围以及氮氢混合气氛中的任意一种。
如图3中图3B所示，金属电极转换为互溶金属体沉积在Ga2O3薄膜上，并同Ga2O3薄膜的半导体表面形成欧姆接触。
在“步骤三、制备含有Ga2O3器件薄膜”中，从标记片上分离得到含有Ga2O3器件薄膜。
具体的，将标记片的工作面全部均匀涂上二维转移胶并固化后，浸泡在HF缓冲液中得到漂浮的含有Ga2O3器件薄膜。在一些实施例中，浸泡在1：1的HF缓冲液中，HF刻蚀标记片的非硅底的一层，以使得含有Ga2O3器件薄膜和标记片分离。
如图4A所示，浸泡前，Ga2O3薄膜以及标记片表面均匀的覆盖了一层二维转移胶，如图4B所示，浸泡后，标记片的非硅底的一层被HF溶液刻蚀掉，使得含有Ga2O3器件薄膜与标记片分离。
在“步骤四、制备柔性衬底”步骤中，在柔性衬底层上分别生长底电极和介质层得到柔性衬底。
在一些实施例中，介质层的介质材料为SiO2、Al2O3、HfO2、ZrO2、HfZrO、AlN、AlON中的任意一种。
在一些实施例中，柔性衬底层选择为PI、PEN、PE、PDMS、LCP、COP、PET、BOPET中的任意一种。在一些优选实施例中，衬底选择为PEN以制备得到柔性PEN衬底。
具体的，将柔性衬底放入物理沉积设备中沉积底电极，再放入到原子层沉积设备中沉积介质层。如图5所示，柔性衬底层选择为PEN，底电极选择为ITO，介质层选择为HfO2。
在“步骤五、转移含有Ga2O3器件薄膜”步骤中，将含有Ga2O3器件薄膜转移到柔性衬底表面。
在一些实施例中，将含有Ga2O3器件薄膜从HF缓冲液中取出后转移到柔性衬底表面。如图6所示，含有Ga2O3器件薄膜置于介质层。
第二方面，本方案提供了一种透明可折叠的Ga2O3晶体管，由上述透明可折叠的Ga2O3晶体管的制备方法制备得到，包括依次设置的含有Ga2O3器件薄膜、介质层、底电极和柔性衬底，含有Ga2O3器件薄膜整体转移到柔性衬底的介质层上。
第三方面，本方案提供了一种透明可折叠的Ga2O3晶体管的应用，将透明可折叠的Ga2O3晶体管用于制备透明可折叠的电子产品。特别的，用于制备3端晶体管器件。
相较于现有技术，本技术方案具有以下特点和有益效果：
本方案在硬性衬底上制备含有包括电极的Ga2O3器件薄膜，并采用整体转移的技术将含有Ga2O3器件薄膜整体转移到柔性衬底上，以得到透明可折叠的Ga2O3晶体管，可用于制备3端晶体管器件。本发明制备的透明可折叠的Ga2O3晶体管可靠性高，性能优异，可重复性强，为新一代功率半导体Ga2O3器件的应用提供了一种具有指导意义的方法，具有广泛的应用前景。
附图说明
图1是本发明的实施例1中的Ga2O3与标记片的工作面的位置关系图；
图2A是Ga2O3阴极与阳极窗口曝光后的俯视图，图2B指的是沿Ga2O3薄膜短边的中线方向的剖面图；
图3A指的是Ga2O3阴极和阳极的叠层金属在快速热退火前的结构示意图，图3中的B指的是退火后的结构示意图；
图4A指的是涂胶后Ga2O3在HF溶液中浸泡前的结构示意图，图4B指的是涂胶后Ga2O3在HF溶液中浸泡后的结构示意图；
图5是本发明的实施例1中的柔性衬底沉积底电极和介质层后的结构示意图；
图6是本发明的实施例1中的Ga2O3转移到柔性衬底后的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本领域技术人员应理解的是，在本发明的揭露中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。
可以理解的是，术语“一”应理解为“至少一”或“一个或多个”，即在一个实施例中，一个元件的数量可以为一个，而在另外的实施例中，该元件的数量可以为多个，术语“一”不能理解为对数量的限制。
实施例1
步骤一，将Ga2O3薄膜覆盖在标记片的工作面的第一区域上，随后将所述的Ga2O3薄膜表面和第一工作面涂胶，光刻出阴极和阳极窗口，去胶后沉积金属电极，完成背栅Ga2O3场效应晶体管的制备。
在本实施例中，步骤一的具体操作如下：
选用SiO2/Si作为本实施例的标记片，并将SiO2面作为工作面，将从Ga2O3单晶上剥离下面积为5×15μm2的Ga2O3薄膜并转移到面积为1×1cm2的SiO2/Si标记片上，以SiO2/Si标记片作为Ga2O3薄膜的支撑体，并在工作面上均匀涂光刻胶，在170℃热板上烘烤3min。然后在Ga2O3薄膜的表面利用电子束曝光出面积为3×5μm2的阴极和阳极窗口，同时也在SiO2/Si标记片的SiO2工作面用电子束曝光出面积为100×100μm2的阴极和阳极窗口，再用电子束胶曝光出一条矩形的连接带分别将上述阴极窗口和阳极窗口连接在一起，再将光刻后的标记片浸泡在显影液中1min来显影出阴阳极窗口，随后在异丙醇中定影1min。在本实施例中，所用的显影液为一般市售的常规显影液。
将已显影的SiO2/Si标记片放置于电子束蒸发设备中，在第二区域上沉积Ti/Al/Ni/Au金属叠层，随后将标记片用丙酮剥离。在本实施例中，Ti/Al/Ni/Au的厚度分别为30/120/50/50nm。
图1是本发明的实施例1中的Ga2O3与标记片的位置关系图；如图1所示，SiO2/Si标记片的SiO2面为工作面，将Ga2O3薄膜放置在SiO2/Si标记片的SiO2面的第一区域。
图2A是Ga2O3阴极与阳极窗口曝光后的俯视图，图2B是沿Ga2O3薄膜短边的中线方向的剖面图，此时，器件阴极和阳极窗口处的涂胶层已经剥离，没有光刻的工作面的其余部分仍被涂胶层覆盖。
步骤二，将制备的背栅Ga2O3场效应晶体管在预定温度下、惰性气氛中快速退火预定时间。使得Ga2O3在上述的阴极窗口和阳极窗口形成欧姆接触。
具体的，将具有Ti/Al/Ni/Au叠层金属的SiO2/Si标记片放入RTP中进行快速热退火，在本实施案例中设定退火过程中的所需温度为470℃，设定退火时间为60S，退火后Ti/Al/Ni/Au叠层金属形成合金的互溶金属体，与Ga2O3半导体表面接触形成欧姆接触。
图3A是Ga2O3阴极和阳极的叠层金属在快速热退火前的结构示意图，B是Ga2O3阴极和阳极的叠层金属在快速热退火后的结构示意图。退火前，30nm厚的钛层，120nm厚的铝层，50nm厚的镍层以及50nm厚的金层依次沉积在器件阴极和阳极窗口的Ga2O3表面。退火后，Ti/Al/Ni/Au金属叠层转化为合金沉积在Ga2O3的表面，与Ga2O3半导体表面形成欧姆接触。
步骤三，在上述工作面再次涂胶，随后浸泡到HF缓冲液中得到含有Ga2O3器件的薄膜；
具体的，将制备有Ga2O3器件的SiO2/Si标记片的SiO2工作面全部均匀涂上一层二维转移胶，并在100℃热板上烘烤60min。随后将标记片浸泡到1:1的HF缓冲液，本案例中浸泡时间为8个小时，使得SiO2/Si标记片的SiO2层被HF刻蚀掉，从而含有Ga2O3器件的薄膜与标记片分离，漂浮在溶液中。
图4A是涂胶后Ga2O3在HF溶液中浸泡前的结构示意图，图4B是涂胶后Ga2O3在HF溶液中浸泡后的结构示意图。浸泡前，Ga2O3以及SiO2表面均匀的覆盖了一层胶。浸泡后，SiO2中间层被HF溶液刻蚀掉，使得含有Ga2O3器件的薄膜与标记片分离。
步骤四，在第二工作面的表面分别生长底电极和氧化介质材料。
具体的，将柔性PEN衬底放入物理沉积设备中沉积70nm的ITO，然后再衬底放入原子层沉积设备中沉积30nm的HfO2。
图5是本发明的实施例1中的柔性衬底沉积底电极和介质层后的结构示意图。如图5所示，底电极和介质层被均匀的沉积在了柔性衬底上。
步骤五，将上述制备的Ga2O3薄膜转移到所述第二工作面，去胶，得到透明可折叠的Ga2O3晶体管。
具体的，将步骤三中的Ga2O3薄膜用载玻片将其从HF溶液中捞起来，然后转移到在步骤五中制备的柔性衬底的表面。
图6是本发明的实施例1中的Ga2O3转移到柔性衬底后的结构示意图，如图6所示，Ga2O3器件被整体的转移到了柔性衬底上。
综上所述，本发明一种透明可折叠的Ga2O3晶体管的制作方法，具有可折叠、透明、简易的制作工艺。本发明制备的透明可折叠的Ga2O3晶体管可靠性高。性能优异，可重复性强，为新一代功率半导体Ga2O3器件的应用提供了一种具有指导意义的方法，具有广泛的应用前景。
本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是具有与本申请相同或相近似的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种透明可折叠的Ga2O3晶体管的制备方法，其特征在于，包括：
步骤一、制备背栅Ga2O3场效应晶体管：将Ga2O3薄膜覆盖在标记片的工作面的第一区域，在Ga2O3薄膜和标记片的工作面上光刻出阴极窗口和阳极窗口，在标记片的工作面的第二区域上沉积金属电极；
步骤二、形成欧姆接触：将制备的背栅Ga2O3场效应晶体管在预定温度下、惰性气氛中快速退火预定时间；
步骤三、制备含有Ga2O3器件薄膜：在标记片的工作面上涂胶后浸泡在HF缓冲液中；
步骤四、制备柔性衬底：在柔性衬底层上分别生长底电极和介质层；
步骤五、转移含有Ga2O3器件薄膜：将含有Ga2O3器件薄膜转移至柔性衬底表面。
2.根据权利要求1所述的透明可折叠的Ga2O3晶体管的制备方法，其特征在于，标记片选择SiO2/Si、ZrO2/Si、HfO2/Si、AlON/Si、AlN/Si、Al2O3/Si中的任意一种，标记片的非硅底的一面为工作面。
3.根据权利要求1所述的透明可折叠的Ga2O3晶体管的制备方法，其特征在于，在标记片的工作面上均匀涂光刻胶后烘烤固化，在Ga2O3薄膜的表面和标记片的工作面光刻阴极窗口和阳极窗口，将光刻后的标记片浸泡在显影液中显影后置于异丙醇中定影。
4.根据权利要求1所述的透明可折叠的Ga2O3晶体管的制备方法，其特征在于，第二区域对应Ga2O3薄膜上的阴极窗口和阳极窗口所在的区域。
5.根据权利要求1所述的透明可折叠的Ga2O3晶体管的制备方法，其特征在于，金属电极为叠层金属，金属电极选择为Ti/Au、Ni/Au、Mg/Au、ITO/Au、AZO/Au、AZO/Ti/Au、Ti/Ni/Au、Ti/Al/Ni/Au、Ti/Al/Ni/Au中的任意一种。
6.根据权利要求1所述的透明可折叠的Ga2O3晶体管的制备方法，其特征在于，预定温度指的是350℃～600℃，预定时间为60S～300S，惰性气氛为氩气气氛、氮气气氛、氢气氛围以及氮氢混合气氛中的任意一种。
7.根据权利要求1所述的透明可折叠的Ga2O3晶体管的制备方法，其特征在于，介质层的介质材料为SiO2、Al2O3、HfO2、ZrO2、HfZrO、AlN、AlON中的任意一种。
8.根据权利要求1所述的透明可折叠的Ga2O3晶体管的制备方法，其特征在于，柔性衬底层选择为PI、PEN、PE、PDMS、LCP、COP、PET、BOPET中的任意一种。
9.一种透明可折叠的Ga2O3晶体管，其特征在于，由权利要求1到8任一所述的透明可折叠的Ga2O3晶体管的制备方法制备得到，包括依次设置的含有Ga2O3器件薄膜、介质层、底电极和柔性衬底层，含有Ga2O3器件薄膜整体转移到柔性衬底的介质层上。
10.一种由权利要求1到8任一所述的透明可折叠的Ga2O3晶体管的制备方法制备得到的透明可折叠的Ga2O3晶体管，其特征在于，用于制备透明可折叠的电子产品。
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