Ⅲ-氮化物半导体材料pn结的制作方法

摘要

一种III-氮化物半导体材料pn结的制作方法，包括如下步骤：步骤1：在一衬底上生长p型GaN基材料；步骤2：在p型GaN基材料上面外延非掺杂GaN基材料；步骤3：在非掺杂的GaN基材料上生长非掺杂薄层；步骤4：在非掺杂薄层上生长n型GaN基材料。

权利要求

1.一种III-氮化物半导体材料pn结的制作方法，包括如下步骤：步骤1：在一衬底上生长p型GaN基材料；

步骤2：在p型GaN基材料上面外延非掺杂GaN基材料；

步骤3：在非掺杂的GaN基材料上生长非掺杂薄层，该非掺杂薄层的厚度为3-10nm；

步骤4：在非掺杂薄层上生长n型GaN基材料；

其中生长非掺杂薄层的温度低于外延非掺杂GaN基材料的温度。

2.根据权利要求1所述的III-氮化物半导体材料pn结的制作方法，其中在衬底上生长p型GaN基材料时，二戊镁作为p型掺杂源。

3.根据权利要求1所述的III-氮化物半导体材料pn结的制作方法，其中制备p型GaN基材料、非掺杂的GaN基材料、非掺杂薄层、n型GaN基材料采用的是金属有机化学气相沉积技术。

4.根据权利要求1所述的III-氮化物半导体材料pn结的制作方法，其中非掺杂的GaN基材料的生长温度在900℃-1050℃范围内，厚度为5-15nm。

5.根据权利要求1所述的III-氮化物半导体材料pn结的制作方法，其中非掺杂薄层为非掺杂的GaN基材料。

6.根据权利要求1或5所述的III-氮化物半导体材料pn结的制作方法，其中非掺杂薄层的生长温度在550℃-800℃范围内。

7.根据权利要求1或5所述的III-氮化物半导体材料pn结的制作方法，其中生长非掺杂薄层时采用三乙基镓或三甲基镓作为镓的金属有机源。

说明书

III-氮化物半导体材料pn结的制作方法

技术领域

[0001] 本发明涉及半导体材料技术领域，特别是一种III-氮化物半导体材料pn结的制作方法。

背景技术

[0002] III-氮化物是继Si、GaAs等第一、第二代半导体材料之后的第三代新型半导体材料，其中GaN作为宽禁带半导体材料有许多优点，诸如饱和漂移速度高，击穿电压大，载流子输运性能优异以及能够形成AlGaN、InGaN三元合金和AlInGaN四元合金等，容易制作GaN基的pn结。鉴于此，近几年来GaN基材料和器件得到了广泛和深入的研究，MOCVD技术生长GaN基材料日趋成熟；在器件研究方面，GaN基LED、LDs等光电子器件以及GaN基高迁移率晶体管(HEMT)等微电子器件方面的研究都取得了显著的成绩和长足的发展。目前GaN基器件结构材料生长的难点之一是生长高性能的GaN基pn结(n型层在p型层之上)，造成这一难点的主要原因是由于p型GaN生长中存在Mg的记忆效应。MOCVD技术生长p型GaN基材料时，由于MOCVD生长环境中存在大量的H，GaN中的受主掺杂剂Mg被大量H钝化而不产生空穴，使得激活处理后自由空穴浓度比Mg原子掺杂浓度低2-3个数量级。因此为了获得足够的空穴浓度，需要很大的掺杂浓度，并且由于p型掺杂剂Mg的有机金属化合物是二戊镁(Cp2Mg)，这种化合物饱和蒸气压低、表面附着性强，即使关闭有机源，在生长室及材料表面还会有大量的残留，因此在p型层生长完后，会在材料表面产生富镁层，并且大量的Mg原子会进入在其上面生长的n型层，造成pn结结面模糊并使得部分n型层被补偿，严重时造成pn结失效。正是由于存在这一难点，使得含有pn结(n型层在p型层之上)结构的GaN基器件研究滞后，发展缓慢，例如GaN基双极晶体管(BJTs和HBTs)。为了克服这一难点，目前采取的措施主要有：生长完p型层后用不含有Mg原子的气体长时间吹扫烘烤生长室和衬托，以减少残余Mg，见D.J.H.Lambert，D.E.Lin，R.D.Dupuis.Simulation of the electrical characteristics of AlGaN/GaNheterojunction bipolar transistors.Solid-State Electron.2000，44：253；或采用二次外延方法，即生长完p型层后从生长室中取出，放入没有使用Mg源的生长室中再生长n型层或者采用MBE技术二次外延n型层，见Lee S.McCarthy，Ioulia P.Smorchkova，Huili Xing，et.al，GaNHBT：Toward an RF Device.IEEE Trans Electron Dev，48：543，2001。但是由于进入n型层中的Mg原子与生长p型层时形成的富Mg层中Mg的重新分配有很大关系，因此长时间吹扫生长室或采用二次外延的方法对减少Mg的记忆效应效果不明显，并且造成生长工艺上的复杂性，容易导致二次生长层晶体质量下降，使pn结性能降低。

发明内容

[0003] 根据以上提出的问题，本发明的目的是提供一种III-氮化物半导体材料pn结的制作方法，尤其是可以减小Mg记忆效应的GaN基pn结的制作方法。利用此方法在生长GaN基pn结时可以使因Mg的记忆效应造成的表面富Mg层控制在p型层中并且减小Mg进入n型层中的浓度，增加pn结结面的p型掺杂陡峭性，从而提高pn结性能。

[0004] 本发明提供一种III-氮化物半导体材料pn结的制作方法，包括如下步骤：

[0005] 步骤1：在一衬底上生长p型GaN基材料；

[0006] 步骤2：在p型GaN基材料上面外延非掺杂GaN基材料；

[0007] 步骤3：在非掺杂的GaN基材料上生长非掺杂薄层；

[0008] 步骤4：在非掺杂薄层上生长n型GaN基材料。

[0009] 其中在衬底上生长p型GaN基材料时，二戊镁作为p型掺杂源。

[0010] 其中制备p型GaN基材料、非掺杂的GaN基材料、非掺杂薄层、n型GaN基材料采用的是金属有机化学气相沉积技术。

[0011] 其中非掺杂的GaN基材料的生长温度在900℃-1050℃范围内，厚度为5-15nm。

[0012] 其中非掺杂薄层为非掺杂的GaN基材料。

[0013] 其中非掺杂薄层的生长温度在550℃-800℃范围内，厚度为3-10nm。

[0014] 其中生长非掺杂薄层时采用三乙基镓或三甲基镓作为镓的金属有机源。

[0015] 其中GaN基材料指GaN、AlGaN、AlN、InGaN、InN及AlInGaN等III-氮化物半导体材料。

[0016] 本生长方法可以减少GaN基pn结生长时Mg的记忆效应，和传统的连续生长n-AlGaN/p-GaN结构对比，二次离子质谱结果得出通过用本方法生长的AlGaN/GaN pn结中的p型层中的富镁层没有像传统方法那样大量进入n型AlGaN层中，而是在pn结结面处停止，并且Mg在n型AlGaN中的背景浓度延迟显著下降，p型掺杂界面陡峭度由通常的110nm/decade下降为60nm/decade。因此采用这种新型生长方法，可降低Mg的记忆效应，从而提高GaN基pn结的界面掺杂陡峭度，改善pn结性能。

附图说明

[0017] 为进一步说明本发明的具体技术内容，以下结合实施例以及附图详细说明如后，其中：

[0018] 图1是本发明pn结生长方法示意图；

[0019] 图2是本发明方法生长的pn结样品的SIMS(二次离子质谱)图谱；

[0020] 图3是样品一的SIMS图谱；

[0021] 图4是样品二的SIMS图谱。

具体实施方式

[0022] 请参阅图1所示，本发明提出了一种III-氮化物半导体材料pn结的制作方法，包括如下步骤：

[0023] 步骤1：在一衬底100上生长p型GaN基材料10；在衬底100上生长p型GaN基材料10时，二戊镁作为p型掺杂源；

[0024] 步骤2：在p型GaN基材料10上面外延非掺杂GaN基材料11；该非掺杂的GaN基材料11的生长温度在900℃-1050℃范围内，厚度为5-15nm；

[0025] 步骤3：在非掺杂的GaN基材料11上生长非掺杂薄层12；该非掺杂薄层12为非掺杂的GaN基材料；该非掺杂薄层12的生长温度在550℃-800℃范围内，厚度为3-10nm；其中生长非掺杂薄层12时采用三乙基镓或三甲基镓作为镓的金属有机源；

[0026] 步骤4：在非掺杂薄层12上生长n型GaN基材料13。

[0027] 其中制备p型GaN基材料10、非掺杂的GaN基材料11、非掺杂薄层12、n型GaN基材料13采用的是金属有机化学气相沉积技术。

[0028] 我们采用MOCVD技术，在2英寸蓝宝石衬底(0001)面上生长了npn型AlGaN/GaN异质结双极晶体管(HBTs)材料，其中异质结双极晶体管(HBTs)的发射结为pn结，在生长发射结(p型GaN上面生长一层n型GaN基材料AlGaN)时采用了本发明的生长方法，按如图1所示的生长顺序来生长发射结，即在衬底材料100(本具体实施方式中衬底材料100指收集区GaN材料)上生长Mg掺杂p型GaN基材料10，在p型GaN基材料10生长完后生长非掺杂的GaN基材料11，非掺杂的GaN基材料11生长条件为除了关闭Cp2Mg源，其它条件(生长温度、压力、流量等条件)与Mg掺杂p型GaN基材料10的生长条件相同，生长时间约为2min，厚度约为10nm左右。在非掺杂的GaN基材料11生长完成后，降低生长室温度，在550℃生长8nm左右外延非掺杂层12，该非掺杂层12为GaN低温覆盖层，同时也作为发射区和基区的隔离层，然后再生长n型GaN基材料13(本具体实施方式中n型GaN基材料13指n型AlGaN材料)。

[0029] 图2是采用这种方法生长的发射结中n型GaN基材料13(n型AlGaN)中Al和p型层(GaN)中Mg组分二次离子质谱分析结果，从图中可以看出p型基区表面BB′区域为富镁层，由于关闭镁源生长非掺杂的GaN基材料11，富镁层位于n型GaN基材料13生长之前(图中A位置表示AlGaN开始生长)，记忆效应引起的Mg元素二次离子质谱谱线拖尾(掺杂浓度变化)可以用来评估结面掺杂的陡峭度，图2中结面掺杂浓度变化约为60nm/decade。

[0030] 为了显示出这种生长方法的优越性，我们用两种与本发明不同的方法生长了两个样品(样品一和样品二)，以便与用我们发明的方法所生长的样品进行对比。第一种生长方法为(样品一)在生长发射结(p型GaN上面生长一层n型AlGaN)时，生长完Mg掺杂p型GaN基材料10后，然后采用高温(1000℃左右)生长非掺杂的GaN基材料11和n型GaN基材料13(发射区)。这种方法生长的发射结中Al和Mg组分二次离子质谱分析结果如图3所示，可看出BB′富镁层与n型GaN基材料13(n型AlGaN)出现重叠，说明Mg记忆效应引起的富镁层出现在发射区，这将造成pn结的严重补偿，而且结面掺杂浓度变化约为90nm/decade。第二种生长方法(样品二)是生长Mg掺杂p型GaN基材料10后，然后生长非掺杂的GaN基材料11，非掺杂的GaN基材料11生长条件除关闭Cp2Mg源，其它生长条件与Mg掺杂p型GaN基材料10的生长条件相同，生长时间约为2min，厚度约为10nm左右；然后在非掺杂的GaN基材料11上高温(1000℃左右)生长非掺杂层12，然后再生长n型GaN基材料13(n型AlGaN)。用这种方法生长的发射结中Al和Mg组分二次离子质谱分析结果如图4所示，可看出BB′富镁层与AlGaN层基本没有出现重叠，说明生长Mg掺杂p型层GaN基材料10后再生长一层生长非掺杂的GaN基材料11可以有效防止富镁层产生在n型GaN基材料13(n型AlGaN)中而引起pn结补偿甚至失效，但由于没有使用本发明中采用的低温生长非掺杂薄层12，Mg元素在n型GaN基材料13(n型AlGaN)中的拖尾依然较严重，pn结结面掺杂浓度变化约为80nm/decade。用以上两种方法生长的pn结结面掺杂陡峭度明显差于本发明中所采用的方法所生长的pn结结面掺杂陡峭度(Mg掺杂浓度变化约为60nm/decade)。

[0031] 因此采用本发明中的生长III-氮化物半导体pn结的方法，有效减小了Mg在pn结界面的记忆效应。

[0032] 虽然本发明已以实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，故本发明的保护范围当视权利要求所界定的为准。