Ⅲ-氮化物半導體材料pn結的制作方法

專利名稱：Ⅲ-氮化物半導體材料pn結的制作方法
技術領域：
本發明涉及半導體材料技術領域，特別是一種III-氮化物半導體材料pn結的制作方法。
背景技術：
III-氮化物是繼Si、GaAs等第一、第二代半導體材料之后的第三代新型半導體材 料，其中GaN作為寬禁帶半導體材料有許多優點，諸如飽和漂移速度高，擊穿電壓大，載流 子輸運性能優異以及能夠形成AlGaN、InGaN三元合金和AlInGaN四元合金等，容易制作GaN 基的pn結。鑒于此，近幾年來GaN基材料和器件得到了廣泛和深入的研究，MOCVD技術生 長GaN基材料日趨成熟；在器件研究方面，GaN基LED、LDs等光電子器件以及GaN基高遷移 率晶體管(HEMT)等微電子器件方面的研究都取得了顯著的成績和長足的發展。目前GaN 基器件結構材料生長的難點之一是生長高性能的GaN基pn結(η型層在ρ型層之上)，造 成這一難點的主要原因是由于P型GaN生長中存在Mg的記憶效應。MOCVD技術生長ρ型 GaN基材料時，由于MOCVD生長環境中存在大量的H，GaN中的受主摻雜劑Mg被大量H鈍化 而不產生空穴，使得激活處理后自由空穴濃度比Mg原子摻雜濃度低2-3個數量級。因此為 了獲得足夠的空穴濃度，需要很大的摻雜濃度，并且由于P型摻雜劑Mg的有機金屬化合物 是二戊鎂(Cp2Mg)，這種化合物飽和蒸氣壓低、表面附著性強，即使關閉有機源，在生長室及 材料表面還會有大量的殘留，因此在ρ型層生長完后，會在材料表面產生富鎂層，并且大量 的Mg原子會進入在其上面生長的η型層，造成pn結結面模糊并使得部分η型層被補償，嚴 重時造成pn結失效。正是由于存在這一難點，使得含有pn結(η型層在P型層之上)結構 的GaN基器件研究滯后，發展緩慢，例如GaN基雙極晶體管(BJTs和HBTs)。為了克服這一 難點，目前采取的措施主要有生長完P型層后用不含有Mg原子的氣體長時間吹掃烘烤生 長室和襯托，以減少殘余 Mg，見 D. J. H. Lambert, D. Ε. Lin, R. D. Dupuis. Simulation of the electrical characteristics of AlGaN/GaN heterojunction bipolar transistors. Solid-State Electron. 2000,44 :253 ；或采用二次外延方法，即生長完ρ型層后從生長室 中取出，放入沒有使用Mg源的生長室中再生長η型層或者采用MBE技術二次外延η型層， 見 Lee S.McCarthy, Ioulia P.Smorchkova, Huili Xing, et.al, GaN HBT Toward an RF Device. IEEE Trans Electron Dev，48 :543，2001。但是由于進入 η 型層中的 Mg 原子與生 長P型層時形成的富Mg層中Mg的重新分配有很大關系，因此長時間吹掃生長室或采用二 次外延的方法對減少Mg的記憶效應效果不明顯，并且造成生長工藝上的復雜性，容易導致 二次生長層晶體質量下降，使pn結性能降低。

發明內容
根據以上提出的問題，本發明的目的是提供一種III-氮化物半導體材料pn結的 制作方法，尤其是可以減小Mg記憶效應的GaN基pn結的制作方法。利用此方法在生長GaN 基pn結時可以使因Mg的記憶效應造成的表面富Mg層控制在ρ型層中并且減小Mg進入η型層中的濃度，增加Pn結結面的ρ型摻雜陡峭性，從而提高pn結性能。本發明提供一種III-氮化物半導體材料pn結的制作方法，包括如下步驟步驟1 在一襯底上生長ρ型GaN基材料；步驟2 在ρ型GaN基材料上面外延非摻雜GaN基材料；步驟3 在非摻雜的GaN基材料上生長非摻雜薄層；步驟4 在非摻雜薄層上生長η型GaN基材料。其中在襯底上生長ρ型GaN基材料時，二戊鎂作為ρ型摻雜源。其中制備ρ型GaN基材料、非摻雜的GaN基材料、非摻雜薄層、η型GaN基材料采 用的是金屬有機化學氣相沉積技術。其中非摻雜的GaN基材料的生長溫度在900°C _1050°C范圍內，厚度為5-15nm。其中非摻雜薄層為非摻雜的GaN基材料。其中非摻雜薄層的生長溫度在550°C -800°C范圍內，厚度為3-lOnm。其中生長非摻雜薄層時采用三乙基鎵或三甲基鎵作為鎵的金屬有機源。其中GaN基材料指( N、Al( N、AlN、In( N、 N及AlInGaN等III-氮化物半導體 材料。本生長方法可以減少GaN基pn結生長時Mg的記憶效應，和傳統的連續生長 n-AlGaN/p-GaN結構對比，二次離子質譜結果得出通過用本方法生長的AWaN/GaN pn結中 的P型層中的富鎂層沒有像傳統方法那樣大量進入η型AlGaN層中，而是在pn結結面處停 止，并且Mg在η型AlGaN中的背景濃度延遲顯著下降，ρ型摻雜界面陡峭度由通常的IlOnm/ decade下降為60nm/decade。因此采用這種新型生長方法，可降低Mg的記憶效應，從而提 高GaN基pn結的界面摻雜陡峭度，改善pn結性能。


為進一步說明本發明的具體技術內容，以下結合實施例以及附圖詳細說明如后， 其中圖1是本發明pn結生長方法示意圖；圖2是本發明方法生長的pn結樣品的SIMS( 二次離子質譜)圖譜；圖3是樣品一的SIMS圖譜；圖4是樣品二的SIMS圖譜。
具體實施例方式請參閱圖1所示，本發明提出了一種III-氮化物半導體材料pn結的制作方法，包 括如下步驟步驟1 在一襯底100上生長ρ型GaN基材料10 ；在襯底100上生長ρ型GaN基材 料10時，二戊鎂作為P型摻雜源；步驟2 在ρ型GaN基材料10上面外延非摻雜GaN基材料11 ；該非摻雜的GaN基 材料11的生長溫度在900°C _1050°C范圍內，厚度為5-15nm ；步驟3 在非摻雜的GaN基材料11上生長非摻雜薄層12 ；該非摻雜薄層12為非摻 雜的GaN基材料；該非摻雜薄層12的生長溫度在550°C -800°C范圍內，厚度為3-lOnm ；其中生長非摻雜薄層12時采用三乙基鎵或三甲基鎵作為鎵的金屬有機源；步驟4 在非摻雜薄層12上生長η型GaN基材料13。其中制備ρ型GaN基材料10、非摻雜的GaN基材料11、非摻雜薄層12、η型GaN基 材料13采用的是金屬有機化學氣相沉積技術。我們采用MOCVD技術，在2英寸藍寶石襯底(0001)面上生長了 ηρη型AlGaN/GaN 異質結雙極晶體管(HBTs)材料，其中異質結雙極晶體管(HBTs)的發射結為pn結，在生長 發射結(P型GaN上面生長一層η型GaN基材料AKiaN)時采用了本發明的生長方法，按如 圖1所示的生長順序來生長發射結，即在襯底材料100 (本具體實施方式
中襯底材料100指 收集區GaN材料)上生長Mg摻雜ρ型GaN基材料10，在ρ型GaN基材料10生長完后生長 非摻雜的GaN基材料11，非摻雜的GaN基材料11生長條件為除了關閉Cp2Mg源，其它條件 (生長溫度、壓力、流量等條件)與Mg摻雜ρ型GaN基材料10的生長條件相同，生長時間 約為2min，厚度約為IOnm左右。在非摻雜的GaN基材料11生長完成后，降低生長室溫度， 在550°C生長8nm左右外延非摻雜層12，該非摻雜層12為GaN低溫覆蓋層，同時也作為發 射區和基區的隔離層，然后再生長η型GaN基材料13 (本具體實施方式
中η型GaN基材料 13指η型AlGaN材料)。圖2是采用這種方法生長的發射結中η型GaN基材料13 (η型AWaN)中Al和ρ 型層(GaN)中Mg組分二次離子質譜分析結果，從圖中可以看出ρ型基區表面BB'區域為富 鎂層，由于關閉鎂源生長非摻雜的GaN基材料11，富鎂層位于η型GaN基材料13生長之前 (圖中A位置表示AlGaN開始生長)，記憶效應弓丨起的Mg元素二次離子質譜譜線拖尾(摻雜 濃度變化)可以用來評估結面摻雜的陡峭度，圖2中結面摻雜濃度變化約為eOnm/decade。為了顯示出這種生長方法的優越性，我們用兩種與本發明不同的方法生長了兩個 樣品(樣品一和樣品二)，以便與用我們發明的方法所生長的樣品進行對比。第一種生長方 法為(樣品一)在生長發射結(P型GaN上面生長一層η型AlGaN)時，生長完Mg摻雜ρ型 GaN基材料10后，然后采用高溫(1000°C左右)生長非摻雜的GaN基材料11和η型GaN基 材料13 (發射區)。這種方法生長的發射結中Al和Mg組分二次離子質譜分析結果如圖3 所示，可看出BB'富鎂層與η型GaN基材料13 (η型AKiaN)出現重疊，說明Mg記憶效應引 起的富鎂層出現在發射區，這將造成pn結的嚴重補償，而且結面摻雜濃度變化約為90nm/ decade。第二種生長方法(樣品二)是生長Mg摻雜ρ型GaN基材料10后，然后生長非摻 雜的GaN基材料11，非摻雜的GaN基材料11生長條件除關閉Cp2Mg源，其它生長條件與Mg 摻雜P型GaN基材料10的生長條件相同，生長時間約為2min，厚度約為IOnm左右；然后在 非摻雜的GaN基材料11上高溫(KKKTC左右)生長非摻雜層12，然后再生長η型GaN基材 料13 (η型AlGaN)。用這種方法生長的發射結中Al和Mg組分二次離子質譜分析結果如圖4 所示，可看出BB'富鎂層與AWaN層基本沒有出現重疊，說明生長Mg摻雜ρ型層GaN基材 料10后再生長一層生長非摻雜的GaN基材料11可以有效防止富鎂層產生在η型GaN基材 料13(η型AlGaN)中而引起pn結補償甚至失效，但由于沒有使用本發明中采用的低溫生長 非摻雜薄層12，Mg元素在η型GaN基材料13 (η型AKkiN)中的拖尾依然較嚴重，pn結結面 摻雜濃度變化約為SOnm/decade。用以上兩種方法生長的pn結結面摻雜陡峭度明顯差于本 發明中所采用的方法所生長的pn結結面摻雜陡峭度(Mg摻雜濃度變化約為eOnm/decade)。因此采用本發明中的生長III-氮化物半導體pn結的方法，有效減小了 Mg在pn結界面的記憶效應。 雖然本發明已以實施例揭露如上，然其并非用以限定本發明，任何所屬技術領域 中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和范圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明 的保護范圍當視權利要求所界定的為準。
權利要求
1.一種III-氮化物半導體材料pn結的制作方法，包括如下步驟步驟1 在一襯底上生長P型GaN基材料；步驟2 在ρ型GaN基材料上面外延非摻雜GaN基材料；步驟3 在非摻雜的GaN基材料上生長非摻雜薄層；步驟4 在非摻雜薄層上生長η型GaN基材料。
2.根據權利要求1所述的III-氮化物半導體材料pn結的制作方法，其中在襯底上生 長ρ型GaN基材料時，二戊鎂作為ρ型摻雜源。
3.根據權利要求1所述的III-氮化物半導體材料pn結的制作方法，其中制備ρ型GaN 基材料、非摻雜的GaN基材料、非摻雜薄層、η型GaN基材料采用的是金屬有機化學氣相沉 積技術。
4.根據權利要求1所述的III-氮化物半導體材料pn結的制作方法，其中非摻雜的GaN 基材料的生長溫度在900°C _1050°C范圍內，厚度為5-15nm。
5.根據權利要求1所述的III-氮化物半導體材料pn結的制作方法，其中非摻雜薄層 為非摻雜的GaN基材料。
6.根據權利要求1或5所述的III-氮化物半導體材料pn結的制作方法，其中非摻雜 薄層的生長溫度在550°C _800°C范圍內，厚度為3-lOnm。
7.根據權利要求1或5所述的III-氮化物半導體材料pn結的制作方法，其中生長非 摻雜薄層時采用三乙基鎵或三甲基鎵作為鎵的金屬有機源。
全文摘要
一種III-氮化物半導體材料pn結的制作方法，包括如下步驟步驟1在一襯底上生長p型GaN基材料；步驟2在p型GaN基材料上面外延非摻雜GaN基材料；步驟3在非摻雜的GaN基材料上生長非摻雜薄層；步驟4在非摻雜薄層上生長n型GaN基材料。
文檔編號H01L21/18GK102054673SQ20091023670
公開日2011年5月11日 申請日期2009年10月28日 優先權日2009年10月28日
發明者冉軍學, 李建平, 李晉閩, 楊翠柏, 王曉亮, 王翠梅, 肖紅領, 胡國新 申請人:中國科學院半導體研究所