CN102800571A - 一种制造半导体薄膜的方法及其半导体薄膜 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种制造半导体薄膜的方法，包括：获取基底材料；在基底材料上形成氮化镓层；在氮化镓层上形成铝镓氮层，并使铝镓氮层中铝的含量从靠近氮化镓层的部分到远离氮化镓层的部分线性变化。本发明的实施例的半导体薄膜中，通过氮化镓和氮化铝的自极化效应及其极化强度的差异，可以构建出内部极化电场，该极化电场还可以将衬底内的载流子吸入电场，从而实现超高载流子浓度的掺杂。此方法操作可控，简单易行，可重复性好，可以实现超高载流子浓度的掺杂。并且其载流子浓度不受温度影响。

Description

一种制造半导体薄膜的方法及其半导体薄膜

 

技术领域

本发明涉及半导体材料领域，尤其是涉及一种制造半导体薄膜的方法及其半导体薄膜。

背景技术

氮化镓（GaN）及相关的宽禁带氮化物半导体，例如铝镓氮（AlGaN）薄膜，由于具有较高的饱和电子速率和饱和偏压等优良材料特性，在光伏、高功率、高频、高温器件等应用领域受到广泛应用。由于氮化镓及其铝化合物的禁带较宽（>3.4eV），导致AlGaN薄膜材料中的p型或n型掺杂都很难实现超高载流子浓度。此外，电子气的迁移率会随着掺杂浓度的升高而降低，并且随着温度的升高，只有通过改变膜层的结构和组分来改善电子气的稳定性。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种能实现较高载流子浓度的制造半导体薄膜的方法及其半导体薄膜。

本发明的目的之一是提供一种得到的半导体薄膜的电子浓度和迁移率不受温度影响、稳定性高的制造半导体薄膜的方法及其半导体薄膜。

本发明实施例公开的技术方案包括：

一种制造半导体薄膜的方法，其特征在于，包括：获取基底材料；在所述基底材料上形成氮化镓层；以及掺杂步骤：在所述氮化镓层上形成铝镓氮层，并使所述铝镓氮层中铝的含量从靠近所述氮化镓层的部分中到远离所述氮化镓层的部分中线性变化。

进一步地，所述掺杂步骤包括：在所述氮化镓层上形成铝镓氮层并使所述铝镓氮层中铝的含量从靠近所述氮化镓层的部分到远离所述氮化镓层的部分线性增加。

进一步地，所述在所述氮化镓层上形成铝镓氮层并使所述铝镓氮层中铝的含量从靠近所述氮化镓层的部分到远离所述氮化镓层的部分线性增加包括：将形成了所述氮化镓层的所述基底材料放置于分子束外延生长仪中；向所述分子束外延生长仪中通入铝金属分子束和镓金属分子束；其中：使所述铝金属分子束的流量线性增加和/或使所述镓金属分子束的流量线性减小。

进一步地，所述氮化镓层为氮极性，其中在所述掺杂步骤之前还包括：在所述氮化镓层上形成铝镓氮过渡层，并且使在所述铝镓氮过渡层中从靠近所述氮化镓层的部分到远离所述氮化镓层的部分铝的含量相同。

进一步地，其中所述掺杂步骤包括：在所述铝镓氮过渡层上形成铝镓氮层并使所述铝镓氮层中铝的含量从靠近所述铝镓氮过渡层的部分到远离所述铝镓氮过渡层的部分线性减小。

进一步地，所述在所述铝镓氮过渡层上形成铝镓氮层并使所述铝镓氮层中铝的含量从靠近所述铝镓氮过渡层的部分到远离所述铝镓氮过渡层的部分线性减小包括：将形成了所述铝镓氮过渡层的所述基底材料放置于分子束外延生长仪中；向所述分子束外延生长仪中通入铝金属分子束和镓金属分子束；其中：使所述铝金属分子束的流量线性减小和/或使所述镓金属分子束的流量线性增加。

进一步地，使所述铝镓氮层中铝的含量从靠近所述氮化镓层的部分到远离所述氮化镓层的部分从零开始线性增加。

进一步地，在在所述氮化镓层上形成铝镓氮层之前还包括：清洗形成了所述氮化镓层的所述基底材料。

本发明的实施例还提供了一种半导体薄膜，其特征在于，包括：基底材料；氮化镓层，所述氮化镓层形成在所述基底材料上；铝镓氮层，所述铝镓氮层形成在所述氮化镓层上，并且所述铝镓氮层中铝的含量从靠近所述氮化镓层的部分到远离所述氮化镓层的部分线性增加。

本发明的实施例中还提供了一种半导体薄膜，其特征在于，包括：基底材料；氮化镓层，所述氮化镓层形成在所述基底材料上；铝镓氮过渡层，所述铝镓氮过渡层形成在所述氮化镓层上，并且所述铝镓氮过渡层中从靠近所述氮化镓层的部分到远离所述氮化镓层的部分铝的含量相同；铝镓氮层，所述铝镓氮层形成在所述铝镓氮过渡层上，并且所述铝镓氮层中铝的含量从靠近所述铝镓氮过渡层的部分到远离所述铝镓氮过渡层的部分线性减小。

根据本发明的实施例的方法制造的半导体薄膜中，由于基底材料上的衬底（氮化镓层）存在一定数量的位错和氮原子空位缺陷，因此具有一定浓度的自由电子，这种非人为掺杂的衬底（氮化镓层）中的自由电子能够为极化诱导建立的正电场提供载流子“源”。而铝镓氮层中铝的含量线性变化，由于氮化镓和氮化铝的自极化效应及其极化强度的差异，可以构建出内部极化电场。因此，除了表面电荷外，该极化电场还可以将衬底（氮化镓层）内的载流子吸入电场，作为线性渐变生长的铝镓氮层中极化电场的掺杂“源”，从而实现超高载流子浓度的掺杂。此方法操作可控，简单易行，可重复性好，可以实现超高载流子浓度的掺杂。本发明的实施例中，在无需任何掺杂元素前提下，可以实现载流子浓度达到或高于10¹⁹cm^-3的数量级。此外，由于掺杂是极化诱导实现的，其载流子浓度不受温度影响。因此，本发明的实施例的方法为提高基于氮化镓基异质结的器件响应速率及器件稳定性提供了可能性。

附图说明

图1是本发明一个实施例的制造半导体薄膜的方法的流程示意图；

图2是本发明另一个实施例的制造半导体薄膜的方法的流程示意图；

图3是本发明一个实施例的半导体薄膜的结构示意图；

图4是本发明另一个实施例的半导体薄膜的结构示意图。

具体实施方式

本发明的一个实施例中，一种制造半导体薄膜的方法包括步骤10、步骤12和步骤14。

步骤10：获取基底材料。

本发明的实施例中，首先获取用于制造半导体薄膜的基底材料。本发明的实施例中，可以使用任何适合的材料作为基底材料。例如，一个实施例中，可以使用蓝宝石、金刚石或准绝缘的块状氮化镓（GaN）材料作为基底材料。

步骤12：在基底材料上形成氮化镓层。

本发明的实施例中，在获得基底材料之后，在基底材料上形成一定厚度的氮化镓层作为衬底。本发明的实施例中，可以使用任何适合的方法在基底材料上形成该氮化镓层，例如，一个实施例中，可以使用分子束外延生长或金属有机化合物化学气相沉积（MOCVD）方法等方法。氮化镓层的厚度可以根据实际情况设定。例如，一个实施例中，氮化镓层的厚度可以为3-7微米。

步骤14：在氮化镓层上形成铝镓氮层。

本发明的实施例中，在基底材料上形成氮化镓层后，随后在该氮化镓层上形成铝镓氮层，本发明的实施例中，该步骤即为掺杂步骤。其中，本发明的实施例中，在在该氮化镓层上形成铝镓氮层的过程中，使得在被形成的铝镓氮层中铝的含量从靠近该氮化镓层的部分中到远离该氮化镓层的部分中线性变化。例如，一个实施例中，在该铝镓氮层中，根据有无过渡层，铝的含量从靠近氮化镓层的部分中到远离该氮化镓层的部分中线性增加或减小。

例如，通常形成的铝镓氮可以表示为Al_xGa_1-xN，这里的“x”即表示铝镓氮中铝的含量，相应地“1-x”即为镓的含量。本发明的实施例中，即，使在氮化镓层上形成的铝镓氮层中，从靠近氮化镓层的部分中到远离氮化镓层的部分中，铝的含量（即x）线性增大或者线性减小。相应地，此时，在该铝镓氮层中，从靠近氮化镓层的部分中到远离氮化镓层的部分中，镓的含量（即1-x）线性减小或者线性增大。

本发明的一个实施例中，可以使铝镓氮层中铝的含量从靠近氮化镓层的部分到远离氮化镓层的部分从零开始线性增加。这样，可以避免铝镓氮层和氮化镓层之间的晶格错位。

本发明的一个实施例中，可以使用分子束外延生长方法形成该铝镓氮层，在该分子束外延生长的过程中，通过调节供给的铝金属分子束或镓金属分子束的流量，即可实现在最终生成的铝镓氮层中铝的含量的线性变化。

例如，一个实施例中，在氮化镓层上形成铝镓氮层并使铝镓氮层中铝的含量从靠近氮化镓层的部分到远离氮化镓层的部分线性增加的过程可以包括：

将形成了氮化镓层的基底材料放置于分子束外延生长仪中；

向该分子束外延生长仪中通入铝金属分子束和镓金属分子束；

使铝金属分子束的流量线性增加和/或使镓金属分子束的流量线性减小。

容易理解，本发明的实施例中，铝金属分子束的流量的变化可以通过改变供给到分子束外延生长仪中的铝源的温度而实现，而镓金属分子束的流量的变化可以通过改变供给到分子束外延生长仪的镓源的温度而实现，在此不再详细描述。

例如，本发明的一个实施例中，可以使用分子束外延生长的方法在氮化镓层上生长铝镓氮层。此时，可以线性调节铝源和镓源的温度，保证这两种金属气体通量（或者金属分子束的流量）的变化步长相等，并且通量之和等于氮等离子体的通量（或者流量），并且在生长过程中，铝的数量（铝金属气体通量或者铝金属分子束的流量）线性增加。这样，即可通过外延生长方法在氮化镓层上形成铝镓氮层。并且通过控制铝源（铝金属气体或者铝金属分子束）和/或镓源（镓金属气体或者镓金属分子束）的气体通量（或者流量），可以实现在获得的铝镓氮层中铝的含量从靠近氮化镓层的部分到远离氮化镓层的部分线性增加或者线性减小。

相应地，当使用其它方法形成该铝镓氮层时，也可以用与该其它的方法相应的调节获得的铝镓氮层中的铝的含量方法来调节铝的含量。

本发明的实施例中，前述的铝镓氮层的厚度可以根据实际情况设定。例如，一个实施例中，该铝镓氮层的厚度可以是50-150纳米。

本发明的实施例中，在步骤12中在基底材料上形成的氮化镓层衬底可能有两种极性：一种极性是金属镓极性，此时，可以如前文所述的一样在该氮化镓层上形成前述的铝镓氮层；一种极性是氮极性，此时，在该氮化镓层上形成前述的铝镓氮层之间，可以先在该氮化镓层上形成一层另外的铝镓氮过渡层，其中，使在该铝镓氮过渡层中铝的含量是一个定值，即，在铝镓氮过渡层中从靠近氮化镓层的部分到远离氮化镓层的部分铝的含量相同，为一个定值。本发明的实施例中，这个定值可以根据实际情况灵活设定。

例如，如图2所示，本发明另一个实施例中，在前述的实施例的基础上，在步骤12中在基底材料上形成氮化镓层之后，还包括步骤120，在步骤120中，在氮化镓层上形成铝镓氮过渡层，并且该铝镓氮过渡层中铝的含量是不变的，为一个定值。随后，在步骤14中，在该铝镓氮过渡层上形成前述的其中铝的含量有变化的铝镓氮层。

形成铝镓氮过渡层的方法也可以使用任何适合的方法。例如，一个实施例中，也使用分子束外延生长的方法生长形成该铝镓氮过渡层。此时，通过控制铝源和/或镓源的温度而控制铝金属分子束和/或镓金属分子束的流量，即可使该铝镓氮过渡层中铝的含量保持在设定的定值上。

此时，步骤14中，在前述形成在氮化镓层上的铝镓氮过渡层上形成铝镓氮层并且是该铝镓氮层中铝的含量从靠近铝镓氮过渡层的部分到远离铝镓氮过渡层的部分线性减小。

与前面的实施例类似，当使用分子束外延生长方法形成该铝镓氮层时，一个实施例中，在铝镓氮过渡层上形成铝镓氮层并使铝镓氮层中铝的含量从靠近铝镓氮过渡层的部分到远离铝镓氮过渡层的部分线性减小的过程可以包括：

将形成了铝镓氮过渡层的基底材料放置于分子束外延生长仪中；

向该分子束外延生长仪中通入铝金属分子束和镓金属分子束；

使铝金属分子束的流量线性减小和/或使镓金属分子束的流量线性增加。

同样，类似地，本发明的实施例中，铝金属分子束的流量的变化可以通过改变供给到分子束外延生长仪中的铝源的温度而实现，而镓金属分子束的流量的变化可以通过改变供给到分子束外延生长仪的镓源的温度而实现，在此不再详细描述。

本发明的前述的实施例中，在在基底材料上形成氮化镓层之后，在该氮化镓层上形成铝镓氮层或者铝镓氮过渡层之前，还可以包括清洗步骤，对形成在基底材料上的氮化镓层衬底进行清洗。

一个实施例中，该清洗步骤可以包括：

依次在丙酮、乙醇、去离子水中超声清洗生成了氮化镓层的基底材料；

在300℃真空腔中放置30分钟，将该生成了氮化镓层的基底材料烘干；

在800℃下烘烤该生成了氮化镓层的基底材料30分钟，做热清洗；

在该生成了氮化镓层的基底材料上生长100纳米的氮化镓膜，以覆盖其上的残留物。

随后，该清洗后的生成了氮化镓层的基底材料即可被用于后续的步骤120或者步骤14的处理。

因此，相应地，本发明的实施例中还揭露了一种半导体薄膜，如图3所示，该半导体薄膜包括：基底材料3；氮化镓层2，氮化镓层2形成在基底材料3上；铝镓氮层1，铝镓氮层1形成在氮化镓层2上，并且铝镓氮层1中铝的含量从靠近氮化镓层2的部分到远离氮化镓层2的部分线性增加。

本发明的另一个实施例中还揭露了一种半导体薄膜，如图4所示，该半导体薄膜包括：基底材料3；氮化镓层2，氮化镓层2形成在基底材料3上；铝镓氮过渡层4，铝镓氮过渡层4形成在氮化镓层2上，并且铝镓氮过渡层4中从靠近氮化镓层2的部分到远离氮化镓层2的部分铝的含量相同；铝镓氮层1，铝镓氮层1形成在铝镓氮过渡层4上，并且铝镓氮层1中铝的含量从靠近铝镓氮过渡层4的部分到远离铝镓氮过渡层4的部分线性减小。

根据本发明的实施例的方法制造的半导体薄膜中，由于基底材料上的衬底（氮化镓层）存在一定数量的位错和氮原子空位缺陷，因此具有一定浓度的自由电子，这种非人为掺杂的衬底（氮化镓层）中的自由电子能够为极化诱导建立的正电场提供载流子“源”。而铝镓氮层中铝的含量线性变化，由于氮化镓和氮化铝的自极化效应及其极化强度的差异，可以构建出内部极化电场。因此，除了表面电荷外，该极化电场还可以将衬底（氮化镓层）内的载流子吸入电场，作为线性渐变生长的铝镓氮层中极化电场的掺杂“源”，从而实现超高载流子浓度的掺杂。此方法操作可控，简单易行，可重复性好，可以实现超高载流子浓度的掺杂。本发明的实施例中，在无需任何掺杂元素前提下，可以实现载流子浓度达到或高于10¹⁹cm^-3的数量级。此外，由于掺杂是极化诱导实现的，其载流子浓度不受温度影响。因此，本发明的实施例的方法为提高基于氮化镓基异质结的器件响应速率及器件稳定性提供了可能性。

以上通过具体的实施例对本发明进行了说明，但本发明并不限于这些具体的实施例。本领域技术人员应该明白，还可以对本发明做各种修改、等同替换、变化等等，这些变换只要未背离本发明的精神，都应在本发明的保护范围之内。此外，以上多处所述的“一个实施例”表示不同的实施例，当然也可以将其全部或部分结合在一个实施例中。

Claims (10)

1.一种制造半导体薄膜的方法，其特征在于，包括：

获取基底材料；

在所述基底材料上形成氮化镓层；

掺杂步骤：在所述氮化镓层上形成铝镓氮层，并使所述铝镓氮层中铝的含量从靠近所述氮化镓层的部分中到远离所述氮化镓层的部分中线性变化。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述掺杂步骤包括：在所述氮化镓层上形成铝镓氮层并使所述铝镓氮层中铝的含量从靠近所述氮化镓层的部分到远离所述氮化镓层的部分线性增加。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于：所述在所述氮化镓层上形成铝镓氮层并使所述铝镓氮层中铝的含量从靠近所述氮化镓层的部分到远离所述氮化镓层的部分线性增加包括：

将形成了所述氮化镓层的所述基底材料放置于分子束外延生长仪中；

向所述分子束外延生长仪中通入铝金属分子束和镓金属分子束；

其中：

使所述铝金属分子束的流量线性增加和/或使所述镓金属分子束的流量线性减小。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述氮化镓层为氮极性，其中在所述掺杂步骤之前还包括：

在所述氮化镓层上形成铝镓氮过渡层，并且使在所述铝镓氮过渡层中从靠近所述氮化镓层的部分到远离所述氮化镓层的部分铝的含量相同。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于：其中所述掺杂步骤包括：在所述铝镓氮过渡层上形成铝镓氮层并使所述铝镓氮层中铝的含量从靠近所述铝镓氮过渡层的部分到远离所述铝镓氮过渡层的部分线性减小。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于：所述在所述铝镓氮过渡层上形成铝镓氮层并使所述铝镓氮层中铝的含量从靠近所述铝镓氮过渡层的部分到远离所述铝镓氮过渡层的部分线性减小包括：

将形成了所述铝镓氮过渡层的所述基底材料放置于分子束外延生长仪中；

向所述分子束外延生长仪中通入铝金属分子束和镓金属分子束；

其中：

使所述铝金属分子束的流量线性减小和/或使所述镓金属分子束的流量线性增加。

7.如权利要求2中任意一项所述的方法，其特征在于：使所述铝镓氮层中铝的含量从靠近所述氮化镓层的部分到远离所述氮化镓层的部分从零开始线性增加。

8.如权利要求1至7中任意一项所述的方法，其特征在于：在所述掺杂步骤之前还包括：清洗形成了所述氮化镓层的所述基底材料。

9.一种半导体薄膜，其特征在于，包括：

基底材料；

氮化镓层，所述氮化镓层形成在所述基底材料上；

铝镓氮层，所述铝镓氮层形成在所述氮化镓层上，并且所述铝镓氮层中铝的含量从靠近所述氮化镓层的部分到远离所述氮化镓层的部分线性增加。

10.一种半导体薄膜，其特征在于，包括：

基底材料；

氮化镓层，所述氮化镓层形成在所述基底材料上；

铝镓氮过渡层，所述铝镓氮过渡层形成在所述氮化镓层上，并且所述铝镓氮过渡层中从靠近所述氮化镓层的部分到远离所述氮化镓层的部分铝的含量相同；

铝镓氮层，所述铝镓氮层形成在所述铝镓氮过渡层上，并且所述铝镓氮层中铝的含量从靠近所述铝镓氮过渡层的部分到远离所述铝镓氮过渡层的部分线性减小。

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