CN117672867A - 一种适用于高温环境的氧化镓器件欧姆接触制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种适用于高温环境的氧化镓器件欧姆接触制造方法，涉及半导体技术领域。其中，此方法包括：对高掺氧化镓单晶衬底表面进行重离子辐照，形成具有导电通道的重离子辐照层，在具有导电通道的重离子辐照层的样品表面依次沉积底层欧姆金属和顶层欧姆金属后，进行快速热退火形成氧化镓欧姆接触。本发明技术方案对高掺氧化镓单晶衬底进行重离子辐照，使高掺氧化镓单晶衬底表面产生大量由晶格损伤引起的有极高热稳定性的导电通道，以实现欧姆接触；此外，采用的底层欧姆金属具有高熔点且其氧化物自由能高于氧化镓，避免在高温下与氧化镓反应生成高阻氧化物。采用此方法制备的氧化镓欧姆接触能在高温下保持良好的欧姆特性。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种适用于高温环境的氧化镓器件欧姆接触制造方法。
背景技术
氧化镓(Ga2O3)作为一种新兴的超宽禁带半导体，能够实现更高的击穿电压、更低的导通电阻，使得Ga2O3半导体器件可以应用在高压大功率的电力电子器件中。由于Ga2O3器件的超宽禁带，使得Ga2O3器件可以应用在高温和辐照等极端环境中。Ga2O3器件在制作的一个重要工序是欧姆接触，欧姆接触是指半导体和金属接触时不产生明显的附加阻抗，而且不会使半导体内部的平衡载流子浓度发生显著的改变。欧姆接触的好坏，直接影响Ga2O3器件的输出功率，良好的欧姆接触有利于电流的输入和输出，使得电流较大，进而使得输出功率较大。
目前，实现Ga2O3器件欧姆接触的方式是，将以低功函数金属钛(Ti)为基础的合金体系，淀积在重掺杂的Ga2O3衬底上，以低功函数金属Ti为基础的合金体系可以是Ti、铝(Al)、镍(Ni)、金(Au)组成的合金体系，或Ti、Au组成的合金体系，通过一次性高温快速退火，实现欧姆接触，退火温度为450℃～500℃。
然而，现有技术实现的Ga2O3欧姆接触在高温环境下极易退化。这是因为Ti氧化物形成的自由能比Ga2O3小，所以，在高温环境下Ti容易还原Ga2O3，使得在Ti和Ga2O3衬底的界面处形成绝缘氧化层，形成的绝缘氧化层会使欧姆接触电阻变大，即欧姆接触发生退化，欧姆接触退化会使器件的导通电阻增大，导通电阻的增大会使电流变小，导致在高温环境下工作的Ga2O3器件的电学性能下降甚至失效。
发明内容
本发明实施例的目的是提供一种适用于高温环境的Ga2O3器件欧姆接触制造方法，解决以现有方法形成欧姆接触的Ga2O3器件在高温环境下电学特性下降的问题。
为解决上述技术问题，本发明实施例提供如下技术方案：
本发明第一方面提供一种适用于高温环境的Ga2O3器件欧姆接触制造方法，方法包括：
对高掺Ga2O3单晶衬底的表面进行重离子辐照，使重离子破坏高掺Ga2O3单晶衬底的预设区域的晶格结构，形成具有导电通道的重离子辐照层，预设区域为高掺Ga2O3单晶衬底的表面到距离表面预设深度的区域；
在具有导电通道的重离子辐照层的样品表面，依次沉积底层欧姆金属和顶层欧姆金属，底层欧姆金属的金属氧化物的自由能大于高掺Ga2O3单晶衬底Ga2O3的自由能，且底层欧姆金属的熔点大于1500℃；
将底层欧姆金属和顶层欧姆金属沉积后的样品进行快速热退火，使底层欧姆金属与具有导电通道的重离子辐照层界面处的Ga2O3金属化，形成Ga2O3欧姆接触。
在本发明第一方面的一些变更实施方式中，对高掺Ga2O3单晶衬底的表面进行重离子辐照，使重离子破坏高掺Ga2O3单晶衬底的预设区域的晶格结构，形成具有导电通道的重离子辐照层，包括：
设置重离子源设备的参数，参数包括重离子种类、入射能量、入射剂量和线性能量传输值，重离子种类为原子核质量数大于4的重离子，入射能量为80KeV～1000MeV，入射剂量为1×108～1×1012n/cm2，线性能量传输值大于10MeV·cm2/mg；
通过设置好参数的重离子源设备，对高掺Ga2O3单晶衬底进行辐照，使重离子破坏高掺Ga2O3单晶衬底的预设区域的晶格结构，形成具有导电通道的重离子辐照层。
在本发明第一方面的一些变更实施方式中，对高掺Ga2O3单晶衬底的表面进行重离子辐照，使重离子破坏高掺Ga2O3单晶衬底的预设区域的晶格结构，形成具有导电通道的重离子辐照层之后，方法还包括：
对具有导电通道的重离子辐照层的Ga2O3样品，依次使用丙酮、剥离液、异丙醇和去离子水进行清洗。
在本发明第一方面的一些变更实施方式中，预设深度为10nm～10μm。
在本发明第一方面的一些变更实施方式中，高掺Ga2O3单晶衬底的掺杂浓度范围为1×1018～1×1020cm-3，高掺Ga2O3单晶衬底的掺杂离子种类为硅离子或锡离子。
在本发明第一方面的一些变更实施方式中，底层欧姆金属为钨、钨钛和钼中的一种。
在本发明第一方面的一些变更实施方式中，重离子为钽离子和铋离子中的一种。
在本发明第一方面的一些变更实施方式中，在对高掺Ga2O3单晶衬底的表面进行重离子辐照，使重离子破坏高掺Ga2O3单晶衬底的预设区域的晶格结构，形成具有导电通道的重离子辐照层之前，方法还包括：
对高掺Ga2O3单晶衬底，依次使用丙酮、剥离液、异丙醇和去离子水进行清洗。
相较于现有技术，本发明提供的适用于高温环境的Ga2O3器件欧姆接触制造方法，在实现Ga2O3器件欧姆接触时，先对高掺Ga2O3单晶衬底的表面进行重离子辐照，使重离子破坏高掺Ga2O3单晶衬底的预设区域的晶格结构，形成具有导电通道的重离子辐照层，再在具有导电通道的重离子辐照层的样品表面，依次沉积底层欧姆金属和顶层欧姆金属，最后将底层欧姆金属和顶层欧姆金属沉积后的样品进行快速热退火，使底层欧姆金属与具有导电通道的重离子辐照层界面处的Ga2O3金属化，形成Ga2O3欧姆接触。和现有技术的将以低功函数Ti为基础的合金体系，淀积在重掺杂的Ga2O3衬底上实现欧姆接触相比，本发明在实现Ga2O3器件欧姆接触时，由于选用的底层欧姆金属为其金属氧化物的自由能大于高掺Ga2O3单晶衬底Ga2O3的自由能，且熔点大于1500℃的金属，这种金属往往其金属功函数较高，不能通过一次性高温快速退火与高掺Ga2O3单晶衬底形成良好的欧姆接触，此时，需要对高掺Ga2O3单晶衬底的表面进行重离子辐照，重离子辐照后的高掺Ga2O3单晶衬底的表面到距离表面预设深度的区域，会形成大量由晶格损伤引起的导电通道，由于导电通道能够导电，在具有导电通道的重离子辐照层的样品表面所沉积的底层欧姆金属也能进行导电，并且在高温环境下底层欧姆金属不会还原Ga2O3形成绝缘氧化层，具有导电通道的重离子辐照层具有极高的高温稳定性，使得Ga2O3器件在高温下具有良好的欧姆接触，即使在高温环境下仍然能够保持良好的导电特性，可使Ga2O3器件用于高温特种领域。
附图说明
通过参考附图阅读下文的详细描述，本发明示例性实施方式的上述以及其他目的、特征和优点将变得易于理解。在附图中，以示例性而非限制性的方式示出了本发明的若干实施方式，相同或对应的标号表示相同或对应的部分，其中：
图1示意性地示出了适用于高温环境的Ga2O3器件欧姆接触制造方法的流程图一；
图2示意性地示出了适用于高温环境的Ga2O3器件欧姆接触制造方法的流程图二；
图3(a)～图3(e)示意性地示出了适用于高温环境的Ga2O3器件欧姆接触的工艺流程图；
图4示意性地示出了适用于高温环境的Ga2O3器件欧姆接触与现有技术的性能对比图。
附图标记说明
1、高掺Ga2O3单晶衬底；2、具有导电通道的重离子辐照层；3、底层欧姆金属；4、顶层欧姆金属。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施方式。虽然附图中显示了本发明的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
需要注意的是：除非另有说明，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。
现有技术中通常将以低功函数Ti为基础的合金体系，淀积在重掺杂的Ga2O3衬底上，通过一次性高温快速退火实现欧姆接触。然而，本发明考虑到现有技术中在Ti和Ga2O3衬底的界面处，于高温环境下容易形成绝缘氧化层，形成的绝缘氧化层会使欧姆接触电阻变大，即欧姆接触发生退化，欧姆接触退化会使器件的导通电阻增大，导通电阻的增大会使电流变小，导致在高温环境下工作的Ga2O3器件的电学性能下降甚至失效，需要一个高温环境下欧姆接触不退化的方式，替换掉现有技术的以低功函数Ti为基础的合金体系，淀积在重掺杂的Ga2O3衬底上，通过一次性高温快速退火实现欧姆接触的方式。本发明先对高掺Ga2O3单晶衬底的表面进行重离子辐照，使重离子破坏高掺Ga2O3单晶衬底的预设区域的晶格结构，形成具有导电通道的重离子辐照层，再在具有导电通道的重离子辐照层的样品表面，依次沉积底层欧姆金属和顶层欧姆金属，最后将底层欧姆金属和顶层欧姆金属沉积后的样品进行快速热退火，使底层欧姆金属与具有导电通道的重离子辐照层界面处的Ga2O3金属化，形成Ga2O3欧姆接触。由于底层欧姆金属为其金属氧化物的自由能大于高掺Ga2O3单晶衬底Ga2O3的自由能，且熔点大于1500℃的金属，这种金属往往其金属功函数较高，不能通过一次性高温快速退火与高掺Ga2O3单晶衬底形成良好的欧姆接触，此时，需要对高掺Ga2O3单晶衬底的表面进行重离子辐照，重离子辐照后的高掺Ga2O3单晶衬底的表面到距离表面预设深度的区域，会形成大量由晶格损伤引起的导电通道，由于导电通道能够导电，在具有导电通道的重离子辐照层的样品表面所沉积的底层欧姆金属也能进行导电，并且在高温环境下底层欧姆金属不会还原Ga2O3形成绝缘氧化层，具有导电通道的重离子辐照层具有极高的高温稳定性，使得Ga2O3器件在高温下具有良好的欧姆接触，即使在高温环境下仍然能够保持良好的导电特性。
本发明的主要思路是对高掺Ga2O3单晶衬底的表面进行重离子辐照，使得重离子破坏高掺Ga2O3单晶衬底的表面到距离表面预设深度的区域的晶格结构，形成大量由晶格损伤引起的导电通道，在具有导电通道的重离子辐照层上沉积的底层欧姆金属，选择金属氧化物的自由能大于高掺Ga2O3单晶衬底Ga2O3的自由能，且金属的熔点大于1500℃的金属，使得底层欧姆金属与具有导电通道的重离子辐照层接触以进行导电，并且在高温环境下底层欧姆金属不会还原Ga2O3形成绝缘氧化层，从而使得Ga2O3器件即使在高温环境下仍然能够保持良好的欧姆接触。
下面对本发明实施例中的方法进行详细说明。
图1示意性地示出了本发明实施例中的一种适用于高温环境的Ga2O3器件欧姆接触制造方法的流程图，参见图1所示，该方法可以包括：
S101、对高掺Ga2O3单晶衬底的表面进行重离子辐照，使重离子破坏高掺Ga2O3单晶衬底的预设区域的晶格结构，形成具有导电通道的重离子辐照层。
其中，预设区域为高掺Ga2O3单晶衬底的表面到距离表面预设深度的区域。
具体的，通过重离子源设备，对高掺Ga2O3单晶衬底的表面进行重离子辐照，使得可以实现在真空条件下给重离子加速，高速率的重离子会打到高掺Ga2O3单晶衬底的表面到距离表面预设深度的区域，打到的地方就会形成晶格损伤引起的导电通道，这些导电通道会布满高掺Ga2O3单晶衬底的表面到距离表面预设深度的区域，可以形成具有导电通道的重离子辐照层。具有导电通道的重离子辐照层的厚度值与预设深度的值相同。
高掺Ga2O3单晶衬底的掺杂浓度范围为1×1018～1×1020cm-3，高掺Ga2O3单晶衬底的掺杂离子种类为硅离子或锡离子。高掺Ga2O3单晶衬底的厚度为100μm～650μm。预设深度小于高掺Ga2O3单晶衬底的厚度，预设深度为10nm～10μm。
S102、在具有导电通道的重离子辐照层的样品表面，依次沉积底层欧姆金属和顶层欧姆金属。
其中，底层欧姆金属氧化物的自由能大于高掺Ga2O3单晶衬底Ga2O3的自由能，且底层欧姆金属的熔点大于1500℃。
具体的，采用磁控溅射或电子束蒸发的方法，在步骤S101形成的具有导电通道的重离子辐照层的样品表面，先沉积底层欧姆金属，再在底层欧姆金属上沉积顶层欧姆金属。
底层欧姆金属的厚度为20～100nm，顶层欧姆金属为Au，Au的厚度为20～400nm。
底层欧姆金属氧化物的自由能大于高掺Ga2O3单晶衬底Ga2O3的自由能，也可以说，底层欧姆金属氧化物的自由能比高掺Ga2O3单晶衬底Ga2O3自由能更正。选择其金属氧化物自由能比高掺Ga2O3单晶衬底Ga2O3自由能更正的金属作底层欧姆金属的目的在于，避免Ga2O3器件在高温环境下工作时，金属与Ga2O3反应形成绝缘氧化层，即避免欧姆接触在高温环境下由于上述原因退化。
选择熔点大于1500℃的金属作为底层欧姆金属目的在于，避免高温环境下工作时，底层欧姆金属本身发生物理化学反应(金属熔化、氧化等)使得底层欧姆金属表面形貌变差，从而导致欧姆接触退化。
S103、将底层欧姆金属和顶层欧姆金属沉积后的样品进行快速热退火，使底层欧姆金属与具有导电通道的重离子辐照层界面处的Ga2O3金属化，形成Ga2O3欧姆接触。
具体的，采用RTP快速退火炉，将步骤S102得到的样品在惰性气体中进行快速热退火，使底层欧姆金属与具有导电通道的重离子辐照层界面处的Ga2O3金属化，形成Ga2O3欧姆接触。
为了使沉积的底层欧姆金属、顶层欧姆金属与高掺Ga2O3单晶衬底接触良好，以减小电阻，沉积的底层欧姆金属、顶层欧姆金属与高掺Ga2O3单晶衬底接触后，需要进行快速热退火。
退火温度为400℃～600℃，退火时间为1～3分钟。
基于上述图1的实现方式可以看出，本发明实施例在实现Ga2O3器件欧姆接触时，由于选用的底层欧姆金属为其金属氧化物的自由能比高掺Ga2O3单晶衬底Ga2O3自由能更正，且熔点大于1500℃的金属，这种金属往往其金属功函数较高，不能通过一次性高温快速退火与高掺Ga2O3单晶衬底形成良好的欧姆接触，此时，需要对高掺Ga2O3单晶衬底的表面进行重离子辐照，使得重离子破坏高掺Ga2O3单晶衬底的表面到距离表面预设深度的区域的晶格结构，形成大量由晶格损伤引起的导电通道，由于导电通道能够导电，在具有导电通道的重离子辐照层的样品表面所沉积的底层欧姆金属也能进行导电，并且在高温环境下底层欧姆金属不会还原Ga2O3形成绝缘氧化层，具有导电通道的重离子辐照层具有极高的高温稳定性，使得Ga2O3器件在高温下具有良好的欧姆接触，即使在高温环境下仍然能够保持良好的导电特性，可使Ga2O3器件用于高温特种领域。
作为对上述实施例的细化和扩展，可以通过图2对适用于高温环境的Ga2O3器件欧姆接触制造的具体操作进行示意，图2为本发明实施例中的一种适用于高温环境的Ga2O3器件欧姆接触制造方法的流程图二，参见图2所示，本发明实施例提供的一种适用于高温环境的Ga2O3器件欧姆接触制造方法可以包括：
S201、对高掺Ga2O3单晶衬底，依次使用丙酮、剥离液、异丙醇和去离子水进行清洗。
高掺Ga2O3单晶衬底的掺杂浓度范围为1×1018～1×1020cm-3，高掺Ga2O3单晶衬底的掺杂离子种类为硅离子或锡离子，Ga2O3材料厚度为100μm～650μm。
对高掺Ga2O3单晶衬底，依次使用丙酮、剥离液、异丙醇和去离子水，在超声强度2.0条件下超声清洗3分钟，然后使用氮气吹干。
图3(a)～图3(e)示意性地示出了适用于高温环境的Ga2O3器件欧姆接触的工艺流程图，其中，图3(a)为对高掺Ga2O3单晶衬底1进行清洗，具体为对高掺Ga2O3单晶衬底，依次使用丙酮、剥离液、异丙醇和去离子水，在超声强度2.0条件下超声清洗3分钟，然后使用氮气吹干。
S202、设置重离子源设备的参数。
其中，参数包括重离子种类、入射能量、入射剂量和线性能量传输值，重离子种类为原子核质量数大于4的重离子，入射能量为80KeV～1000MeV，入射剂量为1×108～1×1012n/cm2，线性能量传输值大于10MeV·cm2/mg。
在对高掺Ga2O3单晶衬底进行辐照之前，需要对使用的重离子源设备设置包括重离子种类、入射能量、入射剂量和线性能量传输值的参数，重离子可以设置为原子核质量数大于4的重离子，可以优选重离子为钽离子和铋离子中的一种，入射能量可以设置为80KeV～1000MeV，入射剂量可以设置为1×108～1×1012n/cm2，线性能量传输值可以设置为大于10MeV·cm2/mg。
线性能量传输值为单位密度单位长度上沉积的能量，是判定重离子辐照产生晶格损伤缺陷的标准。
设置重离子源设备的重离子种类为Ta，能量为30MeV，剂量为1×1019n/cm2，此时，线性能量传输值为17.9MeV·cm2/mg。
S203、通过设置好参数的重离子源设备，对高掺氧化镓单晶衬底进行辐照，使重离子破坏高掺氧化镓单晶衬底的预设区域的晶格结构，形成具有导电通道的重离子辐照层。
其中，预设区域为高掺Ga2O3单晶衬底的表面到距离表面预设深度的区域，预设深度为10nm～10μm。
具体的，将步骤S201清洗后的高掺Ga2O3单晶衬底，放入步骤S202设置好参数的重离子源设备中，放到重离子源设备的有效辐照区域；检查重离子种类、入射能量、入射剂量和线性能量传输值设置无误后，打开重离子源设备的总开关，对清洗后的高掺Ga2O3单晶衬底进行辐照，直到重离子源的剂量达到入射剂量后关闭重离子源设备的总开关，整个辐照的过程中重离子破坏高掺Ga2O3单晶衬底的表面到距离表面预设深度的区域的晶格结构，会形成大量由晶格损伤引起的导电通道，最终形成具有导电通道的重离子辐照层，具有导电通道的重离子辐照层布满导电通道。
预设深度是根据入射能量来确定的，入射能量越大距离高掺Ga2O3单晶衬底的表面的预设深度越大。具有导电通道的重离子辐照层的厚度值与预设深度的值相同。预设深度小于高掺Ga2O3单晶衬底的厚度，预设深度为10nm～10μm，即具有导电通道的重离子辐照层的厚度也为10nm～10μm，通过10nm～10μm厚度的具有导电通道的重离子辐照层，所形成的导电通道更容易使后续沉积的底层欧姆金属导电，进而使得Ga2O3器件在高温下具有良好的欧姆接触。
可以将在重离子源设备中形成的具有导电通道的重离子辐照层，从重离子源设备中取出后，在无尘环境下放置至少一周，再进行对具有导电通道的重离子辐照层，依次使用丙酮、剥离液、异丙醇和去离子水进行清洗的操作，这样，可以防止在重离子源设备中形成的具有导电通道的重离子辐照层的Ga2O3样品对人的健康造成损害。
图3(a)～图3(e)示意性地示出了适用于高温环境的Ga2O3器件欧姆接触的工艺流程图，其中，图3(b)为对高掺Ga2O3单晶衬底1进行重离子辐照，具体为将高掺Ga2O3单晶衬底1放入设置好参数的重离子源设备，对清洗后的高掺Ga2O3单晶衬底进行重离子辐照，重离子破坏高掺Ga2O3单晶衬底1的表面到距离表面预设深度的区域的晶格结构，会形成大量由晶格损伤引起的导电通道，最终形成具有导电通道的重离子辐照层2。
S204、对具有导电通道的重离子辐照层的氧化镓样品，依次使用丙酮、剥离液、异丙醇和去离子水进行清洗。
具体的，对具有导电通道的重离子辐照层的Ga2O3样品，依次使用丙酮、剥离液、异丙醇和去离子水，在超声强度2.0条件下超声清洗3分钟，然后使用氮气吹干，这样，可以去除辐照后Ga2O3样品表面可能的沾污物，沾污物可以是空气中的灰尘和水气等，使得Ga2O3样品表面更加干净，不会影响后续Ga2O3欧姆接触的制备，使得形成的Ga2O3器件有良好的欧姆接触。
图3(a)～图3(e)示意性地示出了适用于高温环境的Ga2O3器件欧姆接触的工艺流程图，其中，图3(c)为对具有导电通道的重离子辐照层的Ga2O3样品进行清洗，具体为对从下而上依次包括高掺Ga2O3单晶衬底1和具有导电通道的重离子辐照层2的样品，依次使用丙酮、剥离液、异丙醇和去离子水，在超声强度2.0条件下超声清洗3分钟，然后使用氮气吹干，去除辐照后Ga2O3样品表面的沾污物。
S205、在具有导电通道的重离子辐照层的样品表面，依次沉积底层欧姆金属和顶层欧姆金属。
其中，底层欧姆金属氧化物的自由能大于高掺Ga2O3单晶衬底Ga2O3的自由能，且底层欧姆金属的熔点大于1500℃，优选底层欧姆金属为钨、钨钛和钼中的一种。
具体的，采用磁控溅射或电子束蒸发的方法，在步骤S204清洗后的样品中的具有导电通道的重离子辐照层的样品表面，先沉积底层欧姆金属，再在底层欧姆金属上沉积顶层欧姆金属。
底层欧姆金属的厚度为20～100nm，顶层欧姆金属为Au，Au的厚度为20～400nm。
底层欧姆金属在金属氧化物的自由能比高掺Ga2O3单晶衬底Ga2O3自由能更正，且金属熔点大于1500℃的金属中优选钨、钨钛和钼中的一种，由于在高温环境下进行快速热退火时，钨、钨钛、钼，更容易与具有导电通道的重离子辐照层进行更好的接触，使得更好接触的钨、钨钛、钼也能进行更好的导电，使得形成的Ga2O3器件有良好的欧姆接触。
图3(a)～图3(e)示意性地示出了适用于高温环境的Ga2O3器件欧姆接触的工艺流程图，其中，图3(d)为依次沉积底层欧姆金属和顶层欧姆金属，具体为采用磁控溅射或电子束蒸发的方法，在清洗后的样品中的具有导电通道的重离子辐照层2的表面，先沉积底层欧姆金属3，再在底层欧姆金属3上沉积顶层欧姆金属4。
S206、将底层欧姆金属和顶层欧姆金属沉积后的样品进行快速热退火，使底层欧姆金属与具有导电通道的重离子辐照层界面处的Ga2O3金属化，形成Ga2O3欧姆接触。
具体的，采用RTP快速退火炉，将步骤S205得到的样品在惰性气体中进行快速热退火，使底层欧姆金属与具有导电通道的重离子辐照层界面处的Ga2O3金属化，形成Ga2O3欧姆接触。
为了使沉积的底层欧姆金属、顶层欧姆金属与高掺Ga2O3单晶衬底接触良好，以减小电阻，沉积的底层欧姆金属、顶层欧姆金属与高掺Ga2O3单晶衬底接触后，需要进行快速热退火。由于底层欧姆金属为金属氧化物的自由能比高掺Ga2O3单晶衬底Ga2O3自由能更正，且熔点大于1500℃的金属，这种金属往往其金属功函数较高，不能通过一次性高温快速退火与高掺Ga2O3单晶衬底形成良好的欧姆接触。此时，需要对高掺Ga2O3单晶衬底的表面进行重离子辐照，重离子辐照后的高掺Ga2O3单晶衬底的表面到距离表面预设深度的区域，会形成大量由晶格损伤引起的导电通道，由于导电通道能够导电，在具有导电通道的重离子辐照层的表面所沉积的底层欧姆金属也能进行导电，并且在高温环境下底层欧姆金属不会还原Ga2O3形成绝缘氧化层，具有导电通道的重离子辐照层具有极高的高温稳定性，使得Ga2O3器件在高温下具有良好的欧姆接触，即使在高温环境下仍然能够保持良好的导电特性。
退火温度为400℃～600℃，退火时间为1～3分钟。
图3(a)～图3(e)示意性地示出了适用于高温环境的Ga2O3器件欧姆接触的工艺流程图，其中，图3(e)为对样品进行快速热退火，具体为采用RTP快速退火炉，将样品在惰性气体中进行快速热退火，使顶层欧姆金属4、底层欧姆金属3与具有导电通道的重离子辐照层2接触以进行导电，形成Ga2O3欧姆接触，退火温度为400℃～600℃，退火时间为1～3分钟。
图4示意性地示出了适用于高温环境的Ga2O3器件欧姆接触与现有技术的性能对比图，其中，虚线(包括黑色虚线、红色虚线和蓝色虚线)表示本发明方案在一定电压下的电流密度，实线(包括黑色实线、红色实线和蓝色实线)表示背景技术方案在一定电压下的电流密度，横坐标表示电压，电压单位是V，纵坐标表示电流密度，电流密度单位是A/cm2。本发明方案的实验的实施方式为：
步骤一：对高掺Ga2O3单晶衬底，依次使用丙酮、剥离液、异丙醇和去离子水进行清洗。
选用厚度为0.65mm，有效掺杂载流子浓度为5×1018cm-3，掺杂离子种类为Sn离子的高掺Ga2O3单晶衬底，分别使用丙酮-剥离液-异丙醇-去离子水，在超声强度2.0条件下超声清洗3分钟，然后使用氮气吹干。
步骤二：对清洗后的高掺Ga2O3单晶衬底的表面进行重离子辐照，使重离子破坏高掺Ga2O3单晶衬底的预设区域的晶格结构，形成具有导电通道的重离子辐照层。
(1)设置重离子源设备的离子种类为Ta，能量为15MeV，剂量为1×1019n/cm2，此时，线性能量传输值为13.3MeV·cm2/mg。
(2)将清洗后的高掺Ga2O3单晶衬底的欧姆接触表面朝上，放入重离子源设备的有效辐照区域，检查重离子种类、入射能量、入射剂量和线性能量传输值设置无误后，打开重离子源设备的总开关，对清洗后的高掺Ga2O3单晶衬底进行辐照，直到重离子Ta的剂量达到入射剂量1×109n/cm2后，关闭重离子源设备的总开关，取出样品，辐照后会最终形成具有导电通道的重离子辐照层。
(3)将在重离子源设备中形成的具有导电通道的重离子辐照层，在无尘环境下放置一周后，开始下一步骤三。
步骤三：辐照后的Ga2O3样品清洗。
依次使用丙酮-剥离液-异丙醇-去离子水，在超声强度2.0条件下超声清洗3分钟，然后使用氮气吹干，以去除辐照后Ga2O3样品表面可能的沾污物；
步骤四：沉积欧姆金属。
采用磁控溅射或电子束蒸发的方法，依次将底层欧姆金属W和顶层欧姆金属Au沉积在具有导电通道的重离子辐照层的表面，且底层欧姆金属W的厚度为50nm，顶层欧姆金属Au的厚度为200nm。
步骤五：快速热退火(即欧姆退火)。
采用RTP快速退火炉，将步骤四沉积欧姆金属后的Ga2O3样品，在氮气气体中进行快速热退火，使底层欧姆金属与具有导电通道的重离子辐照层界面处的Ga2O3金属化，形成Ga2O3欧姆接触。退火温度600℃，时间60s。
背景技术方案的实施具体为：在重掺杂的Ga2O3衬底上，采用磁控溅射或电子束蒸发的方法，沉积以低功函数Ti和Au组成的合金，即先沉积Ti，Ti的厚度为50nm，再在Ti上沉积Au，Au的厚度为200nm，将沉积Ti和Au组成的合金的Ga2O3样品，采用RTP快速退火炉，在氮气气体中进行一次性高温快速退火实现欧姆接触，退火温度470℃，时间60s。
图4中在400℃的环境下，在0.2V的电压下，本发明的电流密度(即黑色虚线所示)是880A/cm2，背景技术方案的电流密度(即黑色实线所示)是690A/cm2，本发明的电流密度大于背景技术方案的电流密度，本发明的电流较大，使得Ga2O3器件在高温下具有更好的欧姆接触。在700℃的环境下，在0.2V的电压下，本发明的电流密度(即红色虚线所示)是560A/cm2，背景技术方案的电流密度(即红色实线所示)是380A/cm2，本发明的电流密度大于背景技术方案的电流密度，本发明的电流较大，使得Ga2O3器件在高温下具有更好的欧姆接触。在1000℃的环境下，在0.2V的电压下，本发明的电流密度(即蓝色虚线所示)是440A/cm2，背景技术方案的电流密度(即蓝色实线所示)接近0A/cm2，本发明的电流密度大于背景技术方案的电流密度。分析可知，本发明的方案比背景技术的方案，在高温环境下的欧姆接触的效果更好，背景技术的方案在高温环境下的欧姆接触不好，在高温环境下不能保持良好的导电特性，但本发明即使在高温环境下仍然能够保持良好的导电特性。
本发明在欧姆金属沉积前，先采用高能重离子对高掺Ga2O3单晶衬底的表面进行辐照，从而得到大量由晶格损伤引起的导电通道，这些导电通道具有极高的高温稳定性，因此即使在极高温度下仍然能够保持良好的导电特性；本发明采用W、WTi、Mo等金属，一方面这些金属的氧化物自由能比Ga2O3更正，高温下不会还原Ga2O3形成绝缘氧化层，另一方面，这些金属具有较高的熔点，高温下可以保持良好的表面形貌，因此保证了Ga2O3器件在高温下仍然具有良好的欧姆接触，进一步释放了Ga2O3作为超宽禁带半导体在高温特种环境下的应用潜力，最终实现一种可用于高温特种环境下的Ga2O3欧姆接触。
以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (8)
1.一种适用于高温环境的氧化镓器件欧姆接触制造方法，其特征在于，所述方法包括：
对高掺氧化镓单晶衬底的表面进行重离子辐照，使重离子破坏所述高掺氧化镓单晶衬底的预设区域的晶格结构，形成具有导电通道的重离子辐照层，所述预设区域为所述高掺氧化镓单晶衬底的表面到距离表面预设深度的区域；
在所述具有导电通道的重离子辐照层的样品表面，依次沉积底层欧姆金属和顶层欧姆金属，所述底层欧姆金属氧化物的自由能大于所述高掺氧化镓单晶衬底氧化镓的自由能，且所述底层欧姆金属的熔点大于1500℃；
将所述底层欧姆金属和所述顶层欧姆金属沉积后的样品进行快速热退火，使所述底层欧姆金属与具有导电通道的重离子辐照层界面处的氧化镓金属化，形成氧化镓欧姆接触。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对高掺氧化镓单晶衬底的表面进行重离子辐照，使重离子破坏所述高掺氧化镓单晶衬底的预设区域的晶格结构，形成具有导电通道的重离子辐照层，包括：
设置重离子源设备的参数，所述参数包括重离子种类、入射能量、入射剂量和线性能量传输值，所述重离子种类为原子核质量数大于4的重离子，所述入射能量为80KeV～1000MeV，所述入射剂量为1×108～1×1012n/cm2，所述线性能量传输值大于10MeV·cm2/mg；
通过设置好参数的重离子源设备，对所述高掺氧化镓单晶衬底进行辐照，使所述重离子破坏所述高掺氧化镓单晶衬底的预设区域的晶格结构，形成所述具有导电通道的重离子辐照层。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在对高掺氧化镓单晶衬底的表面进行重离子辐照，使重离子破坏所述高掺氧化镓单晶衬底的预设区域的晶格结构，形成具有导电通道的重离子辐照层之后，所述方法还包括：
对所述具有导电通道的重离子辐照层的氧化镓器件，依次使用丙酮、剥离液、异丙醇和去离子水进行清洗。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预设深度为10nm～10μm。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述高掺氧化镓单晶衬底的掺杂浓度范围为1×1018～1×1020cm-3，所述高掺氧化镓单晶衬底的掺杂离子种类为硅离子或锡离子。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述底层欧姆金属为钨、钨钛和钼中的一种。
7.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述重离子为钽离子和铋离子中的一种。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在对高掺氧化镓单晶衬底的表面进行重离子辐照，使重离子破坏所述高掺氧化镓单晶衬底的预设区域的晶格结构，形成具有导电通道的重离子辐照层之前，所述方法还包括：
对所述高掺氧化镓单晶衬底，依次使用丙酮、剥离液、异丙醇和去离子水进行清洗。
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