CN117855166A - 电卡制冷增强散热的氧化镓器件及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了电卡制冷增强散热的氧化镓器件，主要解决由于氧化镓低的导热率，造成氧化镓器件自热效应严重、可靠性降低、输出功率减小的问题。其技术关键是通过电卡制冷技术提高器件散热性能，即在氧化镓场效应晶体管的衬底和传热界面层之间增设电卡制冷层，并在其上下表面设置金属电极层，通过施加电场使电卡制冷层中的压电材料相变，加快衬底到传热界面层的热传递。对于垂直氧化镓肖特基二极管，是在其Si₃N₄钝化层与热界面层之间增加设有上下电极的压电薄膜，通过施加电场使压电薄膜相变，增加Si₃N₄钝化层到热界面层的热传递。本发明减小了器件热阻，抑制了器件的自热效应，提高了器件的散热性能，可用作微波功率器件和电力电子器件。

Description

电卡制冷增强散热的氧化镓器件及制备方法

技术领域

本发明属于半导体器件技术领域，具体涉及一种氧化镓器件及制备方法，可用作微波功率器件和电力电子器件。

背景技术

Ga₂O₃是一种超宽禁带半导体材料，其按照不同的晶体结构分为α-Ga₂O₃，β-Ga₂O₃，γ-Ga₂O₃，δ-Ga₂O₃和ε-Ga₂O₃。在多种Ga₂O₃晶体结构中，β-Ga₂O₃是正常温度和压力条件下最稳定的晶体结构，具有非常好的化学稳定性，目前报道的Ga₂O₃器件绝大多数采用β-Ga₂O₃。在材料特性上，相较于第三代半导体SiC和GaN，β-Ga₂O₃半导体材料具有4.8eV的超宽禁带宽度和8MV/cm的超高临界击穿场强等优异物理特性。同时Ga₂O₃作为宽禁带半导体中唯一可以使用熔融法生长晶圆的材料具有天然的低成本优势，是下一代电子器件的最有利竞争者。

Ga₂O₃作为一种重要的半导体材料，在微波功率器件和电力电子器件等领域表现出色。然而，尽管Ga₂O₃具有许多优势，但该材料却存在热导率低的问题，其热导率只有SiC的三十分之一、GaN的十分之一。这一低的热导率性能限制了Ga₂O₃材料在高功率、高温度环境下的应用。在高功率工作状态下，器件会因为难以有效散热而导致温度升高，从而影响电子迁移率和器件的稳定性。此外，高温度还可能引起器件中的热应力，导致器件失效或寿命缩短。因此，解决Ga₂O₃热导率低的问题对于提高器件性能和稳定性至关重要。

申请号为CN202311267759.1的专利文献公开了一种高效散热Ga₂O₃ LDMOSFET器件及其制备方法，其在金刚石衬底上直接制作Ga₂O₃器件，增强了器件散热能力，提高了器件高温特性。但是高导热率衬底和Ga₂O₃之间存在较大的边界热阻，器件的散热性能有待进一步提高。

申请号为CN202210192776.2的专利文献公开了一种具有P型金刚石倾斜台面结终端的Ga₂O₃肖特基二极管，其在Ga₂O₃器件表面沉积金刚石，使热量从离热源更近的器件表面直接耗散。但是金刚石沉积需要超高的温度，同时在金刚石界面会存在额外的应力使得器件性能下降。

申请号为CN202310474680.X的专利文献公开了一种具有微流道的异质集成Ga₂O₃场效应晶体管及制备方法，其在Ga₂O₃异质集成结构中直接制备嵌入式的微流道，使得冷却剂接近器件热源流过，从而实现高效的散热。但是该器件在工作中需要输送冷却剂，增加了器件的能量消耗。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出电卡制冷增强散热的Ga₂O₃器件及制备方法，以进一步提升Ga₂O₃器件的散热性能，避免额外应力造成器件性能下降，减小器件的能量损耗。

实现本发明目的的技术方案包括如下：

技术方案1：

一种电卡制冷增强散热的Ga₂O₃金属氧化物半导体场效应管，自下而上包括:热沉层，传热界面层，衬底层，缓冲层，沟道层，介质层以及位于沟道层和介质层上的金属电极，钝化层包裹在金属电极的外围，其特征在于：

所述衬底层和所述传热界面层之间设有电卡制冷层，该电卡制冷层的上下表面分别设有上金属电极层和下金属电极层；

所述上金属电极层上表面至钝化层上表面的一侧设有上电极连接通孔，用于将上金属电极引出至钝化层的上表面；

所述下金属电极层上表面至钝化层上表面的一侧设有下电极连接通孔，用于将下金属电极引出至钝化层的上表面；

所述上电极连接通孔和下电极连接通孔内均设有绝缘材料和金属互联材料，以实现上下金属电极层和沟道层的电气隔离及上下金属电极层和通孔的电气连接，增强散热效果。

作为优选，所述电卡制冷层，采用钛酸钡基压电陶瓷、锆钛酸铅压电薄膜、聚偏二氟乙烯及其共聚物中的任意一种有压电效应的材料，其厚度为1～2000μm。

作为优选，所述的上金属电极层和下金属电极层，其厚度为0.2～2μm，且均采用金属Cu或金属Au或其他高导热率金属沉积而成，用于对电卡制冷层表面施加电压形成电场，使压电材料相变，提高器件散热能力。

技术方案2：

一种电卡制冷增强散热的垂直Ga₂O₃异质结二极管，自下而上包括:阴极电极、n⁺β-Ga₂O₃衬底层、n^-β-Ga₂O₃外延层、p-NiO介质层、阳极电极，热界面层，散热层，阳极电极外围包裹有Si₃N₄钝化层，其特征在于：

所述Si₃N₄钝化层和所述热界面层之间设有压电薄膜，该压电薄膜的上下表面分别设有上电极和下电极，以提高器件散热能力。

作为优选，所述压电薄膜，采用钛酸钡基压电陶瓷、锆钛酸铅压电薄膜、聚偏二氟乙烯及其共聚物中的任意一种有压电效应的材料，其厚度为1～2000μm。

作为优选，所述的上电极和下电极，其厚度为0.2～2μm，且均采用金属Cu或金属Au或其他高导热率金属沉积而成。

技术方案3：

一种制备技术方案1器件的方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1)采用高温退火将预制备具有缓冲层和沟道层的β-Ga₂O₃晶圆与衬底进行异质键合，并通过离子切割减薄β-Ga₂O₃晶圆；

S2)对沟道层表面进行平滑处理，并在沟道层上外延沉积介质层；

S3)在沟道层和介质层上通过电子束蒸发E-Beam沉积电极金属，并进行离子注入隔离，沉积钝化层；

S4)将钝化层上表面通过键合工艺连接到外部载片晶圆上；

S5)对衬底背面进行磨片减薄和表面抛光的预处理；

S6)在预处理后的衬底背面至钝化层上表面的一侧刻蚀上电极连接通孔，在上电极连接通孔内壁通过等离子增强化学气相沉积PECVD沉积绝缘材料，再溅射金属阻挡层、金属种子层，最后电镀金属使上电极连接通孔完全填充；

S7)在预处理后衬底的背面通过电子束蒸发E-Beam沉积上金属电极层，再在上金属电极层下表面制作电卡制冷层；

S8)在电卡制冷层背面至钝化层上表面的一侧刻蚀下电极连接通孔，在下电极连接通孔内壁通过等离子增强化学气相沉积PECVD先沉积绝缘材料，再依次溅射金属阻挡层、金属种子层，再电镀金属使下电极连接通孔完全填充，最后通过电子束蒸发E-Beam沉积下金属电极层；

S9)在下金属电极层表面通过传热界面材料粘接热沉材料，并去除载片晶圆，完成器件制作。

技术方案4：

一种制备技术方案2器件的方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)将n⁺β-Ga₂O₃衬底先进行有机超声清洗，再在N₂环境下干燥；

2)在n⁺β-Ga₂O₃衬底上通过金属有机物化学气相沉积MOCVD外延沉积n^-β-Ga₂O₃外延层；

3)在n^-β-Ga₂O₃外延层上通过磁控溅射技术沉积p-NiO介质层；

4)在n⁺β-Ga₂O₃衬底背面通过电子束蒸发E-beam沉积阴极电极，再进行快速退火，得到良好的欧姆接触；

5)在p-NiO介质层上先通过光刻显影工艺形成阳极电极区域，再通过电子束蒸发E-beam沉积阳极电极；

6)通过原子层沉积ALD在阳极电极的外围沉积Si₃N₄钝化层；

7)在Si₃N₄钝化层上通过电子束蒸发E-beam沉积下电极，再在下电极上制作压电薄膜，最后在压电薄膜上通过电子束蒸发E-beam沉积上电极；

8)在上电极表面通过热界面材料连接散热材料，完成器件制作。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

其一，本发明技术方案1的Ga₂O₃器件，由于在衬底层和传热界面层间设有电卡制冷层，并通过电卡制冷层上下表面的上下金属电极层施加或撤销电场，可使电卡制冷层中的压电材料发生相变，实现材料温度的增加或降低，提高了器件的散热性能；同时由于使用的电卡制冷技术只需要对电卡制冷层或压电薄膜施加周期性电场，对比与微流通道冷却技术需要运输冷却剂所消耗的能量减小，降低了能量的损耗；此外由于在上下金属电极层上表面至钝化层上表面的一侧均设有通孔，将上下金属电极层引出至器件表面，同时在通孔内填充了高导热率的金属，进一步提升了器件的散热性能。

其二，本发明技术方案2的Ga₂O₃器件，由于在钝化层和热界面层间设有压电薄膜，并通过压电薄膜上下表面的上下电极施加或撤销电场，可使压电薄膜中的压电材料发生相变，实现材料温度的增加或降低，提高了器件的散热性能；同时由于使用的电卡制冷技术为主动冷却技术，相比于使用高导热率衬底或高导热率钝化层的被动冷却技术可以更好的降低器件的热阻，实现更优异的器件散热性能，且避免了高导热率材料和Ga₂O₃器件直接接触所带来的额外应力；此外由于将压电薄膜直接异质集成在钝化层上，实现了更短的热量传播路径，提高了器件的整体散热能效，且便于器件集成，有助于减小设备的尺寸和重量，提高器件的可靠性和稳定性。

附图说明

图1是本发明技术方案1器件的结构示意图；

图2是本发明技术方案2器件的结构示意图；

图3是本发明技术方案1器件的制作工艺流程示意图；

图4是本发明技术方案2器件的制作工艺流程示意图。

具体实施方式：

以下结合附图和实施例对本发明做进一步详尽描述。

参照图1，本发明的电卡制冷增强散热的Ga₂O₃金属氧化物半导体场效应管，包括热沉层1，传热界面层2，电卡制冷层3，衬底层4，缓冲层5，沟道层6，介质层7，钝化层8，及源极S，漏极D，栅极G。其中：

所述衬底层4采用SiC或AlN，其厚度为200～500μm。

所述缓冲层5采用β-Ga₂O₃，厚度为0.3～2μm，其位于衬底层4之上。

所述沟道层6采用β-Ga₂O₃，厚度为20～500nm，其位于缓冲层5之上。

所述介质层7采用Al₂O₃或NiO或Al₂O₃和Hf_0.5Zr_0.5O₂，厚度为20～200nm，其位于沟道层6之上。

所述源极S和漏极D采用Ti/Au，厚度为20～60/80～160nm，其位于沟道层6之上；

所述栅极G采用Ni/Au，厚度为20～60/60～200nm，其位于源极S和漏极D之间、介质层7之上。

所述钝化层8采用SiO₂或Si₃N₄，厚度为80～200nm，其包裹在源极S、漏极D、栅极G的外围。

所述电卡制冷层3采用钛酸钡基压电陶瓷、锆钛酸铅压电薄膜、聚偏二氟乙烯及其共聚物中的任意一种有压电效应的材料，厚度为1～2000μm，其位于衬底层4的背面。

所述电卡制冷层3的上下表面分别设有上金属电极层31和下金属电极层32，厚度均为0.2～2μm，且均采用金属Cu或金属Au或其他高导热率金属沉积而成。

所述上金属电极层31上表面至钝化层8上表面的一侧设有上电极连接通孔9，下金属电极层32上表面至钝化层8上表面的一侧设有与上电极连接通孔9平行的下电极连接通孔10，这两个通孔均为圆孔或方孔，直径为5～100μm。

所述上电极连接通孔9和下电极连接通孔10，其内均填有绝缘材料11和金属互联材料12，其中绝缘材料11采用SiO₂，填充厚度为0.5～2μm；金属互联材料12采用Ti和Cu或者Ti和Au，其位于绝缘材料11之外，完全填充满至上电极连接通孔9和下电极连接通孔10的内壁。

所述传热界面层2采用导热硅胶、导热硅脂或环氧树脂中任意一种，厚度为0.5～5μm，其位于下金属电极层32的下表面。

所述热沉层1采用铜合金、铝合金或高导热率陶瓷材料中任意一种，厚度为0.1～5mm，其位于传热界面层2的下表面。

参照图2，本发明的电卡制冷增强散热的垂直Ga₂O₃异质结二极管，包括阴极电极，n⁺β-Ga₂O₃衬底层，n^-β-Ga₂O₃外延层，p-NiO介质层，阳极电极，Si₃N₄钝化层，压电薄膜，热界面层，散热层。其中：

所述n⁺β-Ga₂O₃衬底层，厚度为400～600μm。

所述阴极电极采用Ti/Au，厚度为20～60/80～160nm，其位于n⁺β-Ga₂O₃衬底层背面。

所述n^-β-Ga₂O₃外延层，厚度为8～20μm，其位于n⁺β-Ga₂O₃衬底层之上。

所述p-NiO介质层，厚度为400～600nm，其位于n^-β-Ga₂O₃外延层之上。

所述阳极电极采用Ni/Au，厚度为20～60/60～200nm，其位于p-NiO介质层之上。

所述Si₃N₄钝化层，厚度为100～300nm，其包裹在阳极电极外围。

所述压电薄膜采用钛酸钡基压电陶瓷、锆钛酸铅压电薄膜、聚偏二氟乙烯及其共聚物中的任意一种有压电效应的材料，其厚度为1～2000μm，其位于Si₃N₄钝化层之上。

所述压电薄膜的上下表面分别设有上电极和下电极，厚度均为0.2～2μm，且均采用金属Cu或金属Au或其他高导热率金属沉积而成。

所述热界面层采用导热硅胶、导热硅脂或环氧树脂中任意一种，厚度为0.5～5μm，其位于上电极之上。

所述散热层采用铜合金、铝合金或高导热率陶瓷材料中任意一种，厚度为0.1～5mm，其位于热界面层之上。

参照图3，本发明给出制作电卡制冷增强散热的Ga₂O₃金属氧化物半导体场效应晶体管的三种实施例，但本发明的实施方式不限于此。下述实施例中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得。

实施例一，制作电卡制冷层为钛酸钡基压电陶瓷，厚度为500μm，介质层为Al₂O₃，厚度为20nm的Ga₂O₃金属氧化物半导体场效应晶体管。

步骤1：采用高温退火将预制备的具有缓冲层5和沟道层6的β-Ga₂O₃晶圆与衬底4进行异质键合，并通过离子切割减薄β-Ga₂O₃晶圆，如图3(a)。

1.1)对厚度为500μm的SiC衬底4依次用丙酮、异丙醇、去离子水进行有机超声清洗，清洗时间分别为15min、10min、5min，超声功率为100W，清洗完成后使用N₂吹干SiC衬底4表面；

1.2)选取预先制备的β-Ga₂O₃晶圆，其包括厚度为0.8μm、非故意掺杂的β-Ga₂O₃缓冲层5和厚度为500μm、掺杂浓度为2×10¹⁷cm^-3的β-Ga₂O₃沟道层6，在β-Ga₂O₃晶圆缓冲层5的一侧进行H离子注入，在距缓冲层5表面1.5μm处的β-Ga₂O₃晶圆中形成缺陷；

1.3)对SiC衬底4正面进行Ar离子轰击1min，形成非晶态层，再将SiC衬底4的正面和β-Ga₂O₃晶圆缓冲层5的一侧在真空中进行高温退火键合，退火温度为800℃，时间为40s；

1.4)将键合后的片子置于N₂环境中，在800℃温度下进行二次退火30min，以自缺陷处剥离去除β-Ga₂O₃晶圆，在SiC衬底4表面留下厚度为0.8μm的缓冲层5和厚度为0.7μm的沟道层6。

步骤2：对沟道层6表面进行平滑处理，在沟道层6上外延生长介质层7，如图3(b)。

2.1)采用化学机械抛光CMP技术，对沟道层6表面进行研磨抛光，以将沟道层6的厚度减小为0.3μm；

2.2)采用原子层沉积ALD技术，在反应腔室温度为320℃、压强为1.6mbar的工艺条件下，在沟道层6上沉积厚度为20nm的Al₂O₃介质层7；

步骤3：在沟道层6和介质层7上分别沉积源极S、漏极D和栅极G金属，进行离子注入隔离，沉积钝化层8，如图3(c)。

3.1)对介质层7表面进行光刻，即在介质层7上先涂一层光刻胶，再依次进行对准、曝光、显影、图形检测形成器件源极S至漏极D的有源区；

3.2)采用感应耦合等离子体刻蚀ICP技术对有源区外的介质层7进行刻蚀，直至露出沟道层6，再将片子放入光刻胶剥离液中去除光刻胶；

3.3)对沟道层6表面进行光刻形成源、漏极区域，对源、漏极区域的沟道层6进行离子注入掺杂，以降低源、漏极区域的电阻，掺杂元素为Si，掺杂浓度为5×10¹⁸cm^-3；

3.4)通过电子束蒸发E-Beam，在工作室抽真空至2.0×10^-4Pa，电子枪加速电压为10Kv，电子枪束流为0.3A，蒸发时间为100s的工艺条件下，在源、漏极区域沉积厚度为20/80nm的Ti/Au作为源极S和漏极D，再将片子放入光刻胶剥离液中去除光刻胶；

3.5)将完成源极S和漏极D金属沉积的片子放入退火炉中，在N₂环境中快速退火30s，退火温度为860℃，以在源、漏极和沟道层6的接触面形欧姆接触；

3.6)对介质层7表面再次进行光刻形成栅极区域，通过电子束蒸发E-Beam，在工作室抽真空至2.0×10^-4Pa，电子枪加速电压为10Kv，电子枪束流为0.3A，蒸发时间为80s的工艺条件下，在栅极区域沉积厚度为20/60nm的Ni/Au作为栅极G，以在栅极G和介质层7的接触面形成肖特基接触，再将片子放入光刻胶剥离液中去除光刻胶；

3.7)采用离子注入技术，在注入能量为320keV、离子浓度为8×10¹⁴cm^-2的工艺条件下，对片子有源区外的沟道层6表面进行高能离子注入，完成器件隔离；

3.8)采用原子层沉积ALD技术，在反应腔室温度为300℃、压强为2.5mbar的工艺条件下，在源极S、漏极D、栅极G外围的沟道层6和介质层7上外延生长厚度为100nm的Si₃N₄钝化层8。

步骤4：将钝化层8的表面通过高温石蜡层201与蓝宝石载片晶圆202粘贴，并对其施加压力进行键合，如图3(d)。

步骤5：对SiC衬底4的背面进行处理，如图3(e)。

5.1)对制作有衬底层4，缓冲层5，沟道层6，介质层7，钝化层8，及源极S，漏极D，栅极G的器件的SiC衬底4背面行磨片减薄，使其厚度减小为200μm；

5.2)利用抛光技术，对减薄后的SiC衬底4背面进行抛光处理，以提高晶圆表面的光洁度及平整度。

步骤6：制作上电极连接通孔9，并在其内壁填充绝缘材料11和金属互联材料12，如图3(f)。

6.1)采用感应耦合等离子体刻蚀ICP技术，在SiC衬底4的背面至其正面的钝化层8上表面刻蚀直径为20μm、通孔形状为圆形的上电极连接通孔9；

6.2)采用等离子增强化学气相沉积PECVD技术，在SiH₄和N₂O为前驱气体，流速分别为60cm³/min、200cm³/min，温度为260℃，生长压强为100Pa，射频功率为80W的工艺条件下，在该上电极连接通孔9的内壁沉积厚度为1μm的SiO₂绝缘材料11；

6.3)采用溅射技术，在绝缘材料11之外沉积金属互联材料12，即先在绝缘材料11之外依次沉积厚度为0.3μm的Ti阻挡层和厚度为0.5μm的Cu种子层，再采用周期脉冲反向PPR电镀技术，在Cu种子层之外沉积金属Cu，直到上电极连接通孔9被完全填充满。

步骤7：在SiC衬底4背面沉积上金属电极层31，并制作电卡制冷层3，如图3(g)。

7.1)通过电子束蒸发E-Beam，在工作室抽真空至2.5×10^-4Pa，电子枪加速电压为8Kv，电子枪束流为0.5A，蒸发时间为1000s的工艺条件下，在SiC衬底4背面沉积厚度为1μm的金属Cu作为上金属电极层31；

7.2)采用流延工艺，将带粘结剂的钛酸钡基压电陶瓷浆料过滤后导入流延机中，再使用流延刮刀将陶瓷浆料平铺在上金属电极层31表面，最后将片子放入烤箱中60℃下烘干固化1h，得到厚度为500μm的钛酸钡基压陶瓷；

7.3)将完成固化后的钛酸钡基压陶瓷在20Mpa条件下压实处理，并在600℃下煅烧2h，得到致密化的钛酸钡基压陶瓷，完成电卡制冷层3的制作。

步骤8：制作下电极连接通孔10，并在其内壁填充绝缘材料11和金属互联材料12，再沉积下金属电极层32，如图3(h)。

8.1)采用感应耦合等离子体刻蚀ICP技术，在电卡制冷层3的背面至其正面的钝化层8上表面刻蚀直径为20μm、通孔形状为圆形的下电极连接通孔10；

8.2)采用等离子增强化学气相沉积PECVD技术，在SiH₄和N₂O为前驱气体，流速分别为60cm³/min、200cm³/min，温度为260℃，生长压强为100Pa，射频功率为80W的工艺条件下，在该下电极连接通孔10的内壁沉积厚度为1μm的SiO₂绝缘材料11；

8.3)采用溅射技术，在绝缘材料11之外沉积金属互联材料12，即先在绝缘材料11之外依次沉积厚度为0.3μm的Ti阻挡层和厚度为0.5μm的Cu种子层，再采用周期脉冲反向PPR电镀技术，在Cu种子层之外沉积金属Cu，直到下电极连接通孔10被完全填充满；

8.4)通过电子束蒸发E-Beam，在工作室抽真空至2.5×10^-4Pa，电子枪加速电压为8Kv，电子枪束流为0.5A，蒸发时间为1000s的工艺条件下，在电卡制冷层3背面沉积厚度为1μm的金属Cu作为下金属电极层32。

步骤9：在下金属电极层32表面通过传热界面层2粘接热沉层1，并去除载片晶圆，如图3(i)。

9.1)在下金属电极层32上滴环氧树脂后以转速为2000r/s旋转40s，得到厚度为2μm的环氧树脂薄膜，将厚度为1mm的铜钼合金热沉放置在环氧树脂薄膜上，然后将其放入烤箱中在80℃下固化环氧树脂薄膜10min，以完成热沉连接；

9.2)采用去蜡液将钝化层表面粘合的蓝宝石载片202去除，完成器件的制备。

实施例二，制作电卡制冷层为聚偏二氟乙烯及其共聚物，厚度为20μm，介质层为NiO，厚度为100nm的带异质结的Ga₂O₃金属氧化物半导体场效应管。

步骤一：采用高温退火将预制备的具有缓冲层5和沟道层6的β-Ga₂O₃晶圆与衬底4进行异质键合，并通过离子切割减薄β-Ga₂O₃晶圆，如图3(a)。

对厚度为500μm的AlN衬底4依次用丙酮、异丙醇、去离子水进行有机超声清洗，清洗时间分别为15min、10min、5min，超声功率为100W，清洗完成后使用N₂吹干AlN衬底4表面；

选取预先制备的β-Ga₂O₃晶圆，其包括厚度为0.5μm、非故意掺杂的β-Ga₂O₃缓冲层5和厚度为500μm、掺杂浓度为2×10¹⁷cm^-3的β-Ga₂O₃沟道层6，在β-Ga₂O₃晶圆缓冲层5的一侧进行H离子注入，在距缓冲层5表面1μm处的β-Ga₂O₃晶圆中形成缺陷；

对AlN衬底4正面进行Ar离子轰击1min，形成非晶态层，然后将AlN衬底4的正面和β-Ga₂O₃晶圆缓冲层5的一侧在真空中进行高温退火键合，退火温度为700℃，时间为1min；

将键合后的片子置于N₂环境中，在500℃温度下进行二次退火2h，以自缺陷处剥离去除β-Ga₂O₃晶圆，在AlN衬底4上留下厚度为0.5μm的缓冲层5和厚度为0.5μm的沟道层6。

步骤二：对沟道层6表面进行平滑处理，在沟道层6上外延生长介质层7，如图3(b)。

采用化学机械抛光CMP技术，对沟道层6表面进行研磨抛光，以将沟道层6的厚度减小为0.2μm；

设置沉积室真空度为5.5×10^-4Pa，生长压强为1Pa，溅射功率为25W的工艺条件，采用磁控溅射技术，在沟道层6上沉积p型NiO介质层7，其厚度为100nm，掺杂浓度为1×10¹⁸cm^-3。

步骤三：在沟道层6和介质层7上分别沉积源极S、漏极D和栅极G金属，进行离子注入隔离，沉积钝化层8，如图3(c)。

对介质层7表面进行光刻，即在介质层7上先涂一层光刻胶，再依次进行对准、曝光、显影、图形检测形成器件源极S至漏极D的有源区；

采用感应耦合等离子体刻蚀ICP技术对有源区外的介质层7进行刻蚀，直至露出沟道层6，再将片子放入光刻胶剥离液中去除光刻胶；

对沟道层6表面进行光刻形成源、漏极区域，对源、漏极区域的沟道层6进行离子注入掺杂，以降低源、漏极区域的电阻，掺杂元素为Si，掺杂浓度为5×10¹⁸cm^-3；

设置工作室真空度为2.0×10^-4Pa，电子枪加速电压为9Kv，电子枪束流为0.5A，蒸发时间为140s的工艺条件，通过电子束蒸发E-Beam，在源、漏极区域沉积厚度为40/100nm的Ti/Au作为源极S和漏极D，再将片子放入光刻胶剥离液中去除光刻胶；

将完成源极S和漏极D金属沉积的片子放入退火炉中，在N₂环境中快速退火40s，退火温度为800℃，以在源、漏极和沟道层6的接触面形欧姆接触；

对介质层7表面再次进行光刻形成栅极区域，设置工作室真空度为2.0×10^-4Pa，电子枪加速电压为9Kv，电子枪束流为0.5A，蒸发时间为110s的工艺条件，通过电子束蒸发E-Beam，在栅极区域沉积厚度为30/80nm的Ni/Au作为栅极G，以在栅极G和介质层7的接触面形成肖特基接触，再将片子放入光刻胶剥离液中去除光刻胶；

设置注入能量为320keV、离子浓度为8×10¹⁴cm^-2的工艺条件，采用离子注入技术，对片子有源区外的沟道层6表面进行高能离子注入，完成器件隔离；

设置反应腔室温度为400℃、压强为3mbar的工艺条件，采用原子层沉积ALD技术，在源极S、漏极D、栅极G外围的沟道层6和介质层7上外延生长厚度为140nm的SiO₂钝化层8。

步骤四：将钝化层8的表面通过高温石蜡层201与蓝宝石载片晶圆202粘贴，并对其施加压力进行键合，如图3(d)。

步骤五：对AlN衬底4的背面进行处理，如图3(e)。

对制作有衬底层4，缓冲层5，沟道层6，介质层7，钝化层8，及源极S，漏极D，栅极G的器件的AlN衬底4背面行磨片减薄，使其厚度减小为300μm；

利用抛光技术，对减薄后的AlN衬底4背面进行抛光处理，以提高晶圆表面的光洁度及平整度。

步骤六：制作上电极连接通孔9，并在其内壁填充绝缘材料11和金属互联材料12，如图3(f)。

采用感应耦合等离子体刻蚀ICP技术，在AlN衬底4的背面至其正面的钝化层8上表面刻蚀直径为15μm、通孔形状为方形的上电极连接通孔9；

设置SiH₄和N₂O为前驱气体，流速分别为75cm³/min、185cm³/min，温度为270℃，生长压强为80Pa，射频功率为100W的工艺条件，采用等离子增强化学气相沉积PECVD技术，在该上电极连接通孔9的内壁沉积厚度为0.5μm的SiO₂绝缘材料11；

采用溅射技术，在绝缘材料11之外沉积金属互联材料12，即先在绝缘材料11之外依次沉积厚度为0.3μm的Ti阻挡层和厚度为0.5μm的Au种子层，再采用周期脉冲反向PPR电镀技术，在Au种子层之外沉积金属Au，直到上电极连接通孔9被完全填充满。

步骤七：在AlN衬底4背面沉积上金属电极层31，并制作电卡制冷层3，如图3(g)。

设置工作室真空度为2.5×10^-4Pa，电子枪加速电压为7Kv，电子枪束流为0.6A，蒸发时间为500s的工艺条件，通过电子束蒸发E-Beam，在AlN衬底4背面沉积厚度为0.5μm的金属Au作为上金属电极层31；

将聚偏二氟乙烯及其共聚物的均质溶液滴在上金属电极层31表面后以转速为1000r/s旋转60s，然后将其放在烤箱中在60℃下烘干12h去除有机溶剂，得到厚度为20μm的聚偏二氟乙烯及其共聚物薄膜；

将完成烘干后的片子放入退火炉中，在真空环境中进行退火，退火温度为100℃，时间为10h，以提高聚偏二氟乙烯及其共聚物薄膜的结晶性以及和上金属电极层31的键合质量，完成电卡制冷层3的制作，其中本步骤使用的聚偏二氟乙烯及其共聚物具体为聚(偏氟乙烯-三氟乙烯-氟氯乙烯)聚合物。

步骤八：制作下电极连接通孔10，并在其内壁填充绝缘材料11和金属互联材料12，再沉积下金属电极层32，如图3(h)。

采用感应耦合等离子体刻蚀ICP技术，在电卡制冷层3的背面至其正面的钝化层8上表面刻蚀直径为15μm、通孔形状为方形的下电极连接通孔10；

设置SiH₄和N₂O为前驱气体，流速分别为75cm³/min、185cm³/min，温度为270℃，生长压强为80Pa，射频功率为100W的工艺条件，采用等离子增强化学气相沉积PECVD技术，在该下电极连接通孔10的内壁沉积厚度为0.5μm的SiO₂绝缘材料11；

采用溅射技术，在绝缘材料11之外沉积金属互联材料12，即先在绝缘材料11之外依次沉积厚度为0.3μm的Ti阻挡层和厚度为0.5μm的Au种子层，再采用周期脉冲反向PPR电镀技术，在Au种子层之外沉积金属Au，直到下电极连接通孔10被完全填充满；

设置工作室真空度为2.5×10^-4Pa，电子枪加速电压为7Kv，电子枪束流为0.6A，蒸发时间为500s的工艺条件，通过电子束蒸发E-Beam，在电卡制冷层3背面沉积厚度为0.5μm的金属Au作为下金属电极层32。

步骤九：在下金属电极层32表面通过传热界面层2粘接热沉层1，并去除载片晶圆，如图3(i)。

在下金属电极层32表面滴导热硅胶后以转速为2500r/s旋转30s，得到厚度为1μm的导热硅胶薄膜，将厚度为0.5mm的铝镁硅合金热沉放置在导热硅胶薄膜上，然后将其放入烤箱中在80℃下固化导热硅胶薄膜8min，以完成热沉连接；

采用去蜡液将钝化层表面粘合的蓝宝石载片202去除，完成器件的制备。

实施例三，制作电卡制冷层为锆钛酸铅压电薄膜，厚度为2μm，介质层为Al₂O₃和Hf_0.5Zr_0.5O₂，厚度分别为10nm和20nm的带铁电存储栅的Ga₂O₃金属氧化物半导体场效应管。

步骤A：采用高温退火将预制备的具有缓冲层5和沟道层6的β-Ga₂O₃晶圆与衬底4进行异质键合，并通过离子切割减薄β-Ga₂O₃晶圆，如图3(a)。

A1)对厚度为500μm的SiC衬底4依次用丙酮、异丙醇、去离子水进行有机超声清洗，清洗时间分别为15min、10min、5min，超声功率为100W，清洗完成后使用N₂吹干SiC衬底4表面；

A2)选取预先制备的β-Ga₂O₃晶圆，其包括厚度为1μm、非故意掺杂的β-Ga₂O₃缓冲层5和厚度为500μm、掺杂浓度为2×10¹⁷cm^-3的β-Ga₂O₃沟道层6，在β-Ga₂O₃晶圆缓冲层5的一侧进行H离子注入，在距缓冲层5表面1.8μm处的β-Ga₂O₃晶圆中形成缺陷；

A3)对SiC衬底4正面进行Ar离子轰击1min，形成非晶态层，然后将SiC衬底4的正面和β-Ga₂O₃晶圆缓冲层5的一侧在真空中进行高温退火键合，退火温度为600℃，时间为2min；

A4)将键合后的片子置于N₂环境中，在700℃温度下进行二次退火1h，以自缺陷处剥离去除β-Ga₂O₃晶圆，在SiC衬底4上留下厚度为1μm的缓冲层5和厚度为0.8μm的沟道层6。

步骤B：对沟道层6表面进行平滑处理，在沟道层6上外延生长介质层7，如图3(b)。

B1)采用化学机械抛光CMP技术，对沟道层6表面进行研磨抛光，以将沟道层6的厚度减小为0.35μm；

B2)分别设置反应腔室温度为350℃、压强为1.8mbar和反应腔室温度为250℃、压强为2.8mbar的工艺条件，采用原子层沉积ALD技术，在沟道层6上依次沉积厚度为10nm的Al₂O₃和厚度为20nm Hf_0.5Zr_0.5O₂作为介质层7，其中沉积Al₂O₃的原子层沉积ALD的工艺条件如下：

反应腔室温度为350℃，

反应腔压强为1.8mbar，

沉积Hf_0.5Zr_0.5O₂的原子层沉积ALD的工艺条件如下：

反应腔室温度为250℃，

反应腔室压强为2.8mbar。

步骤C：在沟道层6和介质层7上分别沉积源极S、漏极D和栅极G金属，进行离子注入隔离，沉积钝化层8，如图3(c)。

C1)对介质层7表面进行光刻，即在介质层7上先涂一层光刻胶，再依次进行对准、曝光、显影、图形检测形成器件源极S至漏极D的有源区；

C2)采用感应耦合等离子体刻蚀ICP技术对有源区外的介质层7进行刻蚀，直至露出沟道层6，再将片子放入光刻胶剥离液中去除光刻胶；

C3)对沟道层6表面进行光刻形成源、漏极区域，对源、漏极区域的沟道层6进行离子注入掺杂，以降低源、漏极区域的电阻，掺杂元素为Si，掺杂浓度为5×10¹⁸cm^-3；

C4)通过电子束蒸发E-Beam，在源、漏极区域沉积厚度为50/130nm的Ti/Au作为源极S和漏极D，再将片子放入光刻胶剥离液中去除光刻胶，其中电子束蒸发E-Beam的工艺条件如下：

工作室真空度为2.0×10^-4Pa，

电子枪加速电压为8Kv，

电子枪束流为0.6A，

蒸发时间为180s；

C5)将完成源、漏极金属沉积的片子放入退火炉中，在N₂环境中快速退火45s，退火温度为760℃，以在源、漏极和沟道层6的接触面形欧姆接触；

C6)对介质层7表面再次进行光刻形成栅极区域，通过电子束蒸发E-Beam，在栅极区域沉积厚度为50/130nm的Ni/Au作为栅极G，以在栅极G和介质层7的接触面形成肖特基接触，再将片子放入光刻胶剥离液中去除光刻胶，其中电子束蒸发E-Beam的工艺条件如下：

工作室真空度为2.0×10^-4Pa，

电子枪加速电压为8Kv，

电子枪束流为0.6A，

蒸发时间为180s；

C7)采用离子注入技术，对片子有源区外的沟道层6表面进行高能离子注入，完成器件隔离，其中离子注入的工艺条件如下：

注入能量为320keV，

离子浓度为8×10¹⁴cm^-2；

C8)采用原子层沉积ALD技术，在源极S、漏极D、栅极G外围的沟道层6和介质层7上外延生长厚度为180nm的SiO₂钝化层8，其中原子层沉积ALD的工艺条件如下：

反应腔室温度为450℃，

反应腔室压强为3.6mbar。

步骤D：将钝化层8的表面通过高温石蜡层201与蓝宝石载片晶圆202粘贴，并对其施加压力进行键合，如图3(d)。

步骤E：对SiC衬底4的背面进行处理，如图3(e)。

E1)对制作有衬底层4，缓冲层5，沟道层6，介质层7，钝化层8，及源极S，漏极D，栅极G的器件的SiC衬底4背面行磨片减薄，使其厚度减小为250μm；

E2)利用抛光技术，对减薄后的SiC衬底4背面进行抛光处理，以提高晶圆表面的光洁度及平整度。

步骤F：制作上电极连接通孔9，并在其内壁填充绝缘材料11和金属互联材料12，如图3(f)。

F1)采用感应耦合等离子体刻蚀ICP技术，在SiC衬底4的背面至其正面的钝化层8上表面刻蚀直径为25μm、通孔形状为圆形的上电极连接通孔9；

F2)采用等离子增强化学气相沉积PECVD技术，在该上电极连接通孔9的内壁沉积厚度为1.5μm的SiO₂绝缘材料11，其中等离子增强化学气相沉积PECVD的工艺条件如下：

SiH₄和N₂O为前驱气体，

流速分别为80cm³/min、160cm³/min，

温度为300℃，

生长压强为80Pa，

射频功率为100W；

F3)采用溅射技术，在绝缘材料11之外沉积金属互联材料12，即先在绝缘材料11之外依次沉积厚度为0.3μm的Ti阻挡层和厚度为0.5μm的Cu种子层，再采用周期脉冲反向PPR电镀技术，在Cu种子层之外沉积金属Cu，直到上电极连接通孔9被完全填充满。

步骤G：在SiC衬底4背面沉积上金属电极层31，并制作电卡制冷层3，如图3(g)。

G1)通过电子束蒸发E-Beam，在SiC衬底4背面沉积厚度为0.8μm的金属Cu作为上金属电极层31，其中电子束蒸发E-Beam的工艺条件如下：

工作室真空度为2.5×10^-4Pa，

电子枪加速电压为10Kv，

电子枪束流为0.3A，

蒸发时间为800s；

G2)将聚偏二氟乙烯及其共聚物的均质溶液滴在上金属电极层31表面后以转速为1000r/s旋转60s，然后将其放在烤箱中在60℃下烘干12h去除有机溶剂，得到厚度为20μm的聚偏二氟乙烯及其共聚物薄膜；

G3)将完成烘干后的片子放入退火炉中，在真空环境中进行退火，退火温度为100℃，时间为10h，以提高聚偏二氟乙烯及其共聚物薄膜的结晶性以及和上金属电极层31的键合质量，完成电卡制冷层3的制作，其中本步骤使用的聚偏二氟乙烯及其共聚物具体为聚(偏氟乙烯-三氟乙烯-氟氯乙烯)聚合物。

步骤H：制作下电极连接通孔10，并在其内壁填充绝缘材料11和金属互联材料12，再沉积下金属电极层32，如图3(h)。

H1)采用感应耦合等离子体刻蚀ICP技术，在电卡制冷层3的背面至其正面的钝化层8上表面刻蚀直径为25μm、通孔形状为圆形的下电极连接通孔10；

H2)，采用等离子增强化学气相沉积PECVD技术，在该下电极连接通孔10的内壁沉积厚度为1.5μm的SiO₂绝缘材料11，其中等离子增强化学气相沉积PECVD的工艺条件如下：

SiH₄和N₂O为前驱气体，

流速分别为80cm³/min、160cm³/min，

温度为300℃，

生长压强为80Pa，

射频功率为100W；

H3)采用溅射技术，在绝缘材料11之外沉积金属互联材料12，即先在绝缘材料11之外依次沉积厚度为0.3μm的Ti阻挡层和厚度为0.5μm的Cu种子层，再采用周期脉冲反向PPR电镀技术，在Cu种子层之外沉积金属Cu，直到下电极连接通孔10被完全填充满；

H4)通过电子束蒸发E-Beam，在电卡制冷层3背面沉积厚度为0.8μm的金属Cu作为下金属电极层32，其中电子束蒸发E-Beam的工艺条件如下：

工作室真空度为2.5×10^-4Pa，

电子枪加速电压为10Kv，

电子枪束流为0.3A，

蒸发时间为800s。

步骤I：在下金属电极层32表面通过传热界面层2粘接热沉层1，并去除载片晶圆，如图3(i)。

I1)在下金属电极层32表面滴导热硅脂后以转速为1800r/s旋转50s，得到厚度为2.5μm的导热硅脂薄膜，将厚度为1.5mm的铜钨合金热沉放置在导热硅脂薄膜上，然后将其放入烤箱中在100℃下固化导热硅脂薄膜8min，以完成热沉连接；

I2)采用去蜡液将钝化层表面粘合的蓝宝石载片202去除，完成器件的制备。

参照图4，本发明给出制作电卡制冷增强散热的垂直Ga₂O₃异质结二极管的如下三种实施例，但本发明的实施方式不限于此。下述实施例中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得。

实施例四，制作压电薄膜为锆钛酸铅，厚度为2μm的垂直Ga₂O₃异质结二极管。

步骤1：清洗衬底，如图4(a)。

选用厚度为500μm、Si掺杂浓度为5×10¹⁸cm^-3的n⁺β-Ga₂O₃衬底，依次用丙酮、异丙醇、去离子水进行有机超声清洗，清洗时间分别为15min、10min、5min，超声功率为100W，清洗完成后使用N₂吹干衬底表面。

步骤2：沉积外延层，如图4(b)。

采用金属有机物化学气相沉积MOCVD技术，在O₂和TMGa的流速比为20，温度为600℃，生长压强为55mbar的工艺条件下，在n⁺β-Ga₂O₃衬底上沉积厚度为10μm，Si掺杂浓度为1×10¹⁶cm^-3的n^-β-Ga₂O₃外延层。

步骤3：沉积介质层，如图4(c)。

采用磁控溅射技术，在沉积室抽真空至5.5×10^-4Pa，生长压强为1.5Pa，溅射功率为28W的工艺条件下，在n^-β-Ga₂O₃外延层表面沉积厚度为400nm，掺杂浓度为1×10¹⁸cm^-3的p-NiO介质层。

步骤4：制作阴极电极，如图4(d)。

4.1)通过电子束蒸发E-beam，在工作室抽真空至2.0×10^-4Pa，电子枪加速电压为10Kv，电子枪束流为0.3A，蒸发时间为100s的工艺条件下，先在n⁺β-Ga₂O₃衬底背面沉积厚度为20/80nm的Ti/Au阴极电极；

4.2)将完成阴极电极沉积的片子放入退火炉内，在N₂环境中进行快速退火，炉内温度为860℃，退火时间为30s，以在阴极电极和n⁺β-Ga₂O₃衬底的接触面形成良好欧姆接触。

步骤5：制作阳极电极，如图4(e)。

5.1)对p-NiO介质层表面进行光刻，即在p-NiO介质层上先涂一层光刻胶，再依次进行对准、曝光、显影、图形检测形成器件阳极区域；

5.2)通过电子束蒸发E-Beam，在工作室抽真空至2.0×10^-4Pa，电子枪加速电压为10Kv，电子枪束流为0.3A，蒸发时间为100s的工艺条件下，在阳极区域沉积厚度为20/80nm的Ni/Au阳极电极，以在阳极电极和p-NiO介质层的接触面形成肖特基接触，最后将片子放入光刻胶剥离液中去除光刻胶。

步骤6：采用原子层沉积ALD技术，在反应腔室温度为260℃、压强为1.5mbar的工艺条件下，在阳极电极外围沉积厚度为150nm的Si₃N₄钝化层，如图4(f)。

步骤7：制作上、下电极，如图4(g)。

7.1)通过电子束蒸发E-beam，在工作室抽真空至2.5×10^-4Pa，电子枪加速电压为8Kv，电子枪束流为0.4A，蒸发时间为200s的工艺条件下，在Si₃N₄钝化层表面沉积一层厚度为0.2μm的金属Au作为压电薄膜的下电极；

7.2)将锆钛酸铅溶胶滴在下电极表面后以转速为3000r/s旋转30s，再将其放在烤箱中300℃下烘干3min去除有机物质，再在500℃下烘干固化3min，得到厚度为2μm的锆钛酸铅压电薄膜；

7.3)将完成烘干后的片子放入退火炉中，在空气环境中进行快速退火，退火温度为650℃，时间为10min，以提高锆钛酸铅压电薄膜的结晶性及键合质量，完成压电薄膜的制作；

7.4)通过电子束蒸发E-beam，在工作室抽真空至2.5×10^-4Pa，电子枪加速电压为8Kv，电子枪束流为0.4A，蒸发时间为200s的工艺条件下，在压电薄膜表面沉积一层厚度为0.2μm的金属Au作为压电薄膜的上电极。

步骤8：连接散热层，如图4(h)。

8.1)在上电极表面滴导热硅胶后以转速为2500r/s旋转30s，得到厚度为1μm导热硅胶的薄膜；

8.2)将厚度为0.5mm的铜钨合金放置在导热硅胶薄膜上，再将其放入烤箱中在80℃下固化导热硅胶薄膜8min，以连接散热层，最终完成器件制作。

实施例五，制作压电薄膜为聚偏二氟乙烯及其共聚物，厚度为10μm的垂直Ga₂O₃异质结二极管。

步骤一：清洗衬底，如图4(a)。

选用厚度为600μm、Sn掺杂浓度为1×10¹⁹cm^-3的n⁺β-Ga₂O₃衬底，依次用丙酮、异丙醇、去离子水分别进行15min、10min、5min的100W有机超声功率清洗，之后再使用N₂吹干衬底表面。

步骤二：沉积外延层，如图4(b)。

设置O₂和TMGa的流速比为30，温度为700℃，生长压强为60mbar的工艺条件，采用金属有机物化学气相沉积MOCVD技术，在n⁺β-Ga₂O₃衬底上生长厚度为15μm，Sn掺杂浓度为5×10¹⁶cm^-3的n^-β-Ga₂O₃外延层。

步骤三：沉积介质层，如图4(c)。

设置沉积室真空度为5.5×10^-4Pa，生长压强为2Pa，溅射功率为30W的工艺条件，采用磁控溅射技术，在n^-β-Ga₂O₃外延层表面生长厚度为500nm，掺杂浓度为5×10¹⁸cm^-3的p-NiO介质层。

步骤四：制作阴极电极，如图4(d)。

设置工作室真空度为2.0×10^-4Pa，电子枪加速电压为8Kv，电子枪束流为0.5A，蒸发时间为160s的工艺条件，通过电子束蒸发E-beam，在n⁺β-Ga₂O₃衬底背面沉积厚度为40/120nm的Ti/Au阴极电极；再将完成阴极电极沉积的片子放入退火炉内，在炉内温度为800℃的N₂环境中进行快速退火40s，以在阴极电极和n⁺β-Ga₂O₃衬底的接触面形成良好欧姆接触。

步骤五：制作阳极电极，如图4(e)。

对p-NiO介质层表面进行光刻，即在p-NiO介质层上先涂一层光刻胶，再依次进行对准、曝光、显影、图形检测形成器件阳极区域；

再设置工作室真空度为2.0×10^-4Pa，电子枪加速电压为8Kv，电子枪束流为0.5A，蒸发时间为180s的工艺条件，通过电子束蒸发E-Beam，在阳极区域沉积厚度为50/130nm的Ni/Au阳极电极，以在阳极电极和p-NiO介质层的接触面形成肖特基接触，再将片子放入光刻胶剥离液中去除光刻胶。

步骤六：设置反应腔室温度为400℃、压强为5mbar的工艺条件，采用原子层沉积ALD技术，在阳极电极外围沉积厚度为200nm的Si₃N₄钝化层，如图4(f)。

步骤七：制作上、下电极，如图4(g)。

设置工作室真空度为2.5×10^-4Pa，电子枪加速电压为10Kv，电子枪束流为0.3A，蒸发时间为500s的工艺条件，通过电子束蒸发E-beam，在Si₃N₄钝化层表面沉积一层厚度为0.5μm的金属Cu作为压电薄膜的下电极；再将聚偏二氟乙烯及其共聚物的均质溶液滴在下电极表面，并以2000r/ss的转速旋转40s，该聚偏二氟乙烯及其共聚物具体为聚(偏氟乙烯-三氟乙烯-氟氯乙烯)聚合物；

然后将其放在烤箱中在60℃下烘干8h去除有机溶剂，得到厚度为10μm的聚偏二氟乙烯及其共聚物薄膜；

将完成烘干后的片子放入退火炉中，在温度为100℃的真空环境中进行退火8h，以提高聚偏二氟乙烯及其共聚物薄膜的结晶性以及和下电极的键合质量，完成压电薄膜的制作；

设置工作室真空度为2.5×10^-4Pa，电子枪加速电压为10Kv，电子枪束流为0.3A，蒸发时间为500s的工艺条件，通过电子束蒸发E-beam在压电薄膜表面沉积一层厚度为0.5μm的金属Cu作为压电薄膜的上电极。

步骤八：连接散热层，如图4(h)。

在上电极表面滴导热硅脂后以2200r/s的转速旋转40s，得到厚度为2μm的导热硅脂薄膜；

将厚度为1mm的铝硅碳合金放置在导热硅脂薄膜上，再将其放入烤箱中在80℃下固化导热硅脂薄膜10min，以连接散热层，最终完成器件制作。

实施例六，制作压电薄膜为钛酸钡基压电陶瓷，厚度为100μm的垂直Ga₂O₃异质结二极管。

步骤A：清洗衬底，如图4(a)。

选用厚度为550μm，Si掺杂浓度为1×10¹⁸cm^-3的n⁺β-Ga₂O₃衬底，依次用丙酮、异丙醇、去离子水进行有机超声清洗，清洗时间分别为15min、10min、5min，超声功率为100W，清洗完成后使用N₂吹干衬底表面。

步骤B：沉积外延层，如图4(b)。

采用金属有机物化学气相沉积MOCVD技术，在n⁺β-Ga₂O₃衬底上沉积厚度为20μm，Sn掺杂浓度为2×10¹⁶cm^-3的n^-β-Ga₂O₃外延层，其中金属有机物化学气相沉积MOCVD的工艺条件如下：

O₂和TMGa的流速比为10，

温度为650℃，

生长压强为65mbar。

步骤C：沉积介质层，如图4(c)。

采用磁控溅射技术，在n^-β-Ga₂O₃外延层表面生长厚度为550nm，掺杂浓度为2×10¹⁸cm^-3的p-NiO介质层，其中磁控溅射的工艺条件如下：

沉积室真空度为5.5×10^-4Pa，

生长压强为1Pa，

溅射功率为25W。

步骤D：制作阴极电极，如图4(d)。

D1)通过电子束蒸发E-beam，在n⁺β-Ga₂O₃衬底背面沉积厚度为30/100nm的Ti/Au阴极电极，其中电子束蒸发E-beam的工艺条件如下：

工作室真空度为2.0×10^-4Pa，

电子枪加速电压为9Kv，

电子枪束流为0.4A，

蒸发时间为130s；

D2)将完成阴极电极沉积的片子放入退火炉内，在N₂环境中，设置炉内温度为760℃，进行45s的退火，以在阴极电极和n⁺β-Ga₂O₃衬底的接触面形成良好欧姆接触。

步骤E：制作阳极电极，如图4(e)。

E1)在p-NiO介质层上先涂一层光刻胶，再依次进行对准、曝光、显影、图形检测，以在p-NiO介质层表面光刻出器件阳极区域；

E2)通过电子束蒸发E-Beam在阳极区域沉积厚度为30/100nm的Ni/Au阳极电极形成肖特基接触，其中电子束蒸发E-Beam的工艺条件如下：

工作室真空度为2.0×10^-4Pa，

电子枪加速电压为9Kv，

电子枪束流为0.4A，

蒸发时间为130s；

E3)将沉积有阳极电极的片子放入光刻胶剥离液中去除光刻胶。

步骤F：采用原子层沉积ALD技术，在阳极电极外围沉积厚度为180nm的Si₃N₄钝化层，如图4(f)，其中原子层沉积ALD的工艺条件是：反应腔室温度为350℃、压强为2.5mbar。

步骤G：制作上、下电极，如图4(g)。

G1)通过电子束蒸发E-beam，在Si₃N₄钝化层表面沉积一层厚度为0.8μm的金属Cu作为压电薄膜的下电极，其中电子束蒸发E-beam的工艺条件如下：

工作室真空度为2.5×10^-4Pa，

电子枪加速电压为9Kv，

电子枪束流为0.4A，

蒸发时间为800s；

G2)采用流延工艺，将带粘结剂的钛酸钡基压电陶瓷浆料过滤后导入流延机中，再使用流延刮刀将陶瓷浆料平铺在下电极表面，最后将片子放入烤箱中60℃下烘干固化30min，得到厚度为100μm的钛酸钡基压陶瓷；

G3)将完成固化后的钛酸钡基压陶瓷在15Mpa条件下压实处理，并在550℃下煅烧1h，得到致密化的钛酸钡基压陶瓷，完成压电薄膜的制作；

G4)通过电子束蒸发E-beam，在压电薄膜表面沉积一层厚度为0.8μm的金属Cu作为压电薄膜的上电极，其中电子束蒸发E-beam的工艺条件如下：

工作室真空度为2.5×10^-4Pa，

电子枪加速电压为9Kv，

电子枪束流为0.4A，

蒸发时间为800s。

步骤H：连接散热层，如图4(h)。

H1)在上电极表面滴环氧树脂后以2000r/s的转速旋转40s，得到厚度为2μm的环氧树脂薄膜；

H2)将厚度为1mm的铜钼合金放置在环氧树脂薄膜上，再将其放入烤箱中在80℃下固化环氧树脂薄膜10min进行散热层连接，最终完成器件制作。

以上描述仅是本发明的六个具体实例，并未构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解本发明的内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结果的情况下，进行形式和细节上的各种修改和改变。例如热沉层除了使用铜合金、铝合金，还可以使用高导热率陶瓷材料；电卡制冷层除了使用钛酸钡基压电陶瓷、锆钛酸铅压电薄膜、聚偏二氟乙烯及其共聚物，还可以使用其他具有压电效应的材料；上下金属电极层除了使用Cu或Au，还可以使用其他高导热率金属，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (13)

1.一种电卡制冷增强散热的Ga₂O₃金属氧化物半导体场效应管，自下而上包括:热沉层(1)，传热界面层(2)，衬底层(4)，缓冲层(5)，沟道层(6)，介质层(7)以及位于沟道层(6)和介质层(7)上的金属电极，钝化层(8)包裹在金属电极的外围，其特征在于：

所述衬底层(4)和所述传热界面层(2)之间设有电卡制冷层(3)，该电卡制冷层(3)的上下表面分别设有上金属电极层(31)和下金属电极层(32)；

所述上金属电极层(31)上表面至钝化层(8)上表面的一侧设有上电极连接通孔(9)，用于将上金属电极引出至钝化层(8)的上表面；

所述下金属电极层(32)上表面至钝化层(8)上表面的一侧设有下电极连接通孔(10)，用于将下金属电极引出至钝化层(8)的上表面；

所述上电极连接通孔(9)和下电极连接通孔(10)内均设有绝缘材料(11)和金属互联材料(12)，以实现上下金属电极层和沟道层(6)的电气隔离及上下金属电极层和通孔的电气连接，增强散热效果。

2.根据权利要求1所述的器件，其特征在于：

所述电卡制冷层(3)，采用钛酸钡基压电陶瓷、锆钛酸铅压电薄膜、聚偏二氟乙烯及其共聚物中的任意一种有压电效应的材料，其厚度为1～2000μm；

所述的上金属电极层(31)和下金属电极层(32)，其厚度为0.2～2μm，且均采用金属Cu或金属Au或其他高导热率金属沉积而成，用于对电卡制冷层(3)表面施加电压形成电场，使压电材料相变，提高器件散热能力。

3.根据权利要求1所述的器件，其特征在于：

所述的热沉层(1)，采用铜合金、铝合金或高导热率陶瓷材料中任意一种，其厚度为0.1～5mm，该铜合金包括铜钨合金、铜钼合金，铝合金包括铝镁硅合金、铝硅碳合金；

所述的传热界面层(2)，采用导热硅胶、导热硅脂或环氧树脂中任意一种，其厚度为0.5～5μm。

4.根据权利要求1所述的器件，其特征在于：

所述衬底层(4)，采用SiC或AlN，其厚度为200～500μm；

所述缓冲层(5)，采用β-Ga₂O₃，其厚度为0.3～2μm；

所述沟道层(6)，采用β-Ga₂O₃，其厚度为20～500nm；

所述介质层(7)，采用Al₂O₃或NiO或Al₂O₃和Hf_0.5Zr_0.5O₂，其厚度为20～200nm；

所述钝化层(8)，采用SiO₂或Si₃N₄，其厚度为80～200nm。

5.根据权利要求1所述的器件，其特征在于：

所述上电极连接通孔(9)和下电极连接通孔(10)为圆孔或方孔，其直径为5～100μm；

所述上电极连接通孔(9)和下电极连接通孔(10)内的绝缘材料(11)采用SiO₂，其厚度为0.5～2μm；

所述上电极连接通孔(9)和下电极连接通孔(10)内的金属互联材料(12)采用Ti和Cu或者Ti和Au，其中Ti用作金属阻挡层。

6.一种电卡制冷增强散热的垂直Ga₂O₃异质结二极管，自下而上包括:阴极电极、n⁺β-Ga₂O₃衬底层、n^-β-Ga₂O₃外延层、p-NiO介质层、阳极电极、热界面层、散热层，阳极电极外围包裹有Si₃N₄钝化层，其特征在于：

所述Si₃N₄钝化层和所述热界面层之间设有压电薄膜，该压电薄膜的上下表面分别设有上电极和下电极，以提高器件散热能力。

7.根据权利要求6所述器件，其特征在于：

所述压电薄膜，采用钛酸钡基压电陶瓷、锆钛酸铅压电薄膜、聚偏二氟乙烯及其共聚物中的任意一种有压电效应的材料，其厚度为1～2000μm；

所述的上电极和下电极，其厚度为0.2～2μm，且均采用金属Cu或金属Au或其他高导热率金属沉积而成。

8.根据权利要求6所述器件，其特征在于：

所述热界面层采用导热硅胶、导热硅脂或环氧树脂中任意一种，其厚度为0.5～5μm；

所述散热层采用铜合金、铝合金或高导热率陶瓷材料中任意一种，其厚度为0.1～5mm，其中铜合金包括铜钨合金、铜钼合金，铝合金包括铝镁硅合金、铝硅碳合金。

9.根据权利要求6所述器件，其特征在于：

所述n⁺β-Ga₂O₃衬底层的厚度为400～600μm，掺杂元素为Si或Sn，掺杂浓度为1×10¹⁸～1×10¹⁹cm^-3；

所述n-β-Ga₂O₃外延层的厚度为8～20μm，掺杂元素为Si或Sn，掺杂浓度为5×10¹⁵～1×10¹⁷cm^-3；

所述p-NiO介质层的厚度为400～600nm，掺杂元素为B，掺杂浓度为5×10¹⁷～5×10¹⁸cm^-3；

所述Si₃N₄钝化层的厚度为100～300nm。

10.一种制备权利要求1所述电卡制冷增强散热Ga₂O₃器件的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1)采用高温退火将预制备具有缓冲层和沟道层的β-Ga₂O₃晶圆与衬底进行异质键合，并通过离子切割减薄β-Ga₂O₃晶圆；

S2)对沟道层表面进行平滑处理，并在沟道层上外延沉积介质层；

S3)在沟道层和介质层上通过电子束蒸发E-Beam沉积电极金属，并进行离子注入隔离，沉积钝化层；

S4)将钝化层上表面通过键合工艺连接到外部载片晶圆上；

S5)对衬底背面进行磨片减薄和表面抛光的预处理；

S6)在预处理后的衬底背面至钝化层上表面的一侧刻蚀上电极连接通孔，在上电极连接通孔内壁通过等离子增强化学气相沉积PECVD沉积绝缘材料，再溅射金属阻挡层、金属种子层，最后电镀金属使上电极连接通孔完全填充；

S7)在预处理后衬底的背面通过电子束蒸发E-Beam沉积上金属电极层，再在上金属电极层下表面制作电卡制冷层；

S8)在电卡制冷层背面至钝化层上表面的一侧刻蚀下电极连接通孔，在下电极连接通孔内壁通过等离子增强化学气相沉积PECVD先沉积绝缘材料，再依次溅射金属阻挡层、金属种子层，再电镀金属使下电极连接通孔完全填充，最后通过电子束蒸发E-Beam沉积下金属电极层；

S9)在下金属电极层表面通过传热界面材料粘接热沉材料，并去除载片晶圆，完成器件制作。

11.一种制作权利要求6所述电卡制冷增强散热的Ga₂O₃器件的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将n⁺β-Ga₂O₃衬底先进行有机超声清洗，再在N₂环境下干燥；

2)在n⁺β-Ga₂O₃衬底上通过金属有机物化学气相沉积MOCVD外延沉积n^-β-Ga₂O₃外延层；

3)在n^-β-Ga₂O₃外延层上通过磁控溅射技术沉积p-NiO介质层；

4)在n⁺β-Ga₂O₃衬底背面通过电子束蒸发E-beam沉积阴极电极，再进行快速退火，得到良好的欧姆接触；

5)在p-NiO介质层上先通过光刻显影工艺形成阳极电极区域，再通过电子束蒸发E-beam沉积阳极电极；

6)通过原子层沉积ALD在阳极电极的外围沉积Si₃N₄钝化层；

7)在Si₃N₄钝化层上通过电子束蒸发E-beam沉积下电极，再在下电极上制作压电薄膜，最后在压电薄膜上通过电子束蒸发E-beam沉积上电极；

8)在上电极表面通过热界面材料连接散热材料，完成器件制作。

12.根据权利要求10所述的方法，其特征在于：

所述步骤S3)的电子束蒸发E-Beam，工艺条件如下：

工作室抽真空至2.0×10^-4Pa，电子枪加速电压为8～10Kv，电子枪束流为0.2～0.8A，蒸发时间为80～220s；

所述步骤S7)和步骤S8)中的电子束蒸发E-Beam，工艺条件如下：

工作室抽真空至2.5×10^-4Pa，电子枪加速电压为6～10Kv，电子枪束流为0.3～1A，蒸发时间为200～2000s。

所述步骤S6)和步骤S8)中等离子增强化学气相沉积PECVD，工艺条件如下：

以SiH₄和N₂O作为前驱气体，流速分别保持在50～80cm³/min、160～200cm³/min，温度保持在250～300℃，生长压强保持在80～100Pa，射频功率设置为60～100W。

13.根据权利要求11所述的方法，其特征在于：

所述步骤2)中的金属有机物化学气相沉积MOCVD，工艺条件如下：

将TMGa作为Ga的前驱体，O₂作为氧源，N₂作为载气，O₂和TMGa的流速比为10～40，温度保持在550～700℃，生长压强保持在55～65mbar；

所述步骤3)中的磁控溅射，工艺条件如下：

沉积室抽真空至5.5×10^-4Pa，生长压强保持在1～2Pa，溅射功率设置为25～30W；

所述步骤4)和步骤5)中的电子束蒸发E-beam，工艺条件如下：

工作室抽真空至2.0×10^-4Pa，电子枪加速电压为8～10Kv，电子枪束流为0.2～0.8A，蒸发时间为80～220s；

所述步骤7)中的电子束蒸发E-beam，工艺条件如下：

工作室抽真空至2.5×10^-4Pa，电子枪加速电压为6～10Kv，电子枪束流为0.3～1A，蒸发时间为200～2000s。