CN102800572A

CN102800572A - 一种制造镁掺杂半导体薄膜的方法及其半导体薄膜

Info

Publication number: CN102800572A
Application number: CN2012103268075A
Authority: CN
Inventors: 李世彬; 肖战菲; 吴志明; 蒋亚东
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2012-09-06
Filing date: 2012-09-06
Publication date: 2012-11-28

Abstract

本发明实施例公开了一种制造镁掺杂半导体薄膜的方法，包括：获取基底材料；在基底材料上形成氮化镓层；在氮化镓层上形成镁掺杂的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。本发明的实施例中，在非有意掺杂的氮化镓上形成铝含量发生变化的铝镓氮层，同时掺杂微量镁元素。由于氮化铝和氮化镓的自极化效应及极化强度呈规律性变化，从而在该铝镓氮层中形成内建电场，该内建电场排斥负性载流子，吸引正性载流子，因此诱导自由空穴集中于铝镓氮层中，从而提高了提高正性载流子浓度，极大地提高了镁的掺杂效率。

Description

一种制造镁掺杂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镁掺杂半导体薄膜的方法及其半导体薄膜。

背景技术

在宽禁带半导体（如氮化镓（GaN）、氮化铝（AlN）及氧化锌（ZnO））中实现高效率空穴掺杂是限制其在光电器件上应用的技术难题。普通半导体的电导率由掺杂物的浓度决定，然而对宽禁带半导体而言，空穴的超高热激活能导致P型杂质掺杂的掺杂效率极低，目前氮化镓中镁的掺杂效率低至1%以下。过度提高镁的掺杂浓度不仅会导致材料缺陷增加，而且会使得材料的极性发生改变。因此不能过度提高镁的掺杂量来增加镁的有效掺杂浓度。而且随着铝组分增加，禁带宽度增加，掺杂效率进一步降低。此外，电子气的迁移率会随着掺杂浓度的升高而降低，且随着温度的升高，只有改变膜层的结构和组分才能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镁掺杂效率高的制造镁掺杂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空穴浓度和迁移率不受温度影响、稳定性高的制造镁掺杂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：

一种制造镁掺杂半导体薄膜的方法，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镁掺杂的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变化。

进一步地，所述掺杂步骤包括：在所述氮化镓层上形成镁掺杂的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，其中在所述氮化镓层上形成镁掺杂的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、镓金属分子束和镁金属分子束；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，并且使所述镁金属分子束的流量保持不变。

进一步地，所述铝金属分子束的流量由零开始线性增加。

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镁掺杂的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，其中在所述铝镓氮过渡层上形成镁掺杂的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、镓金属分子束和镁金属分子束；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，并且使所述镁金属分子束的流量保持不变。

进一步地，所述铝金属分子束的流量和所述镓金属分子束的流量按照相同的步长变化。

本发明的实施例中还提供一种半导体薄膜，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，并且所述铝镓氮层包括镁掺杂分子；其中，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，并且所述铝镓氮层包括镁掺杂分子；其中，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。

本发明的实施例中，在非有意掺杂的氮化镓上形成铝含量发生变化的铝镓氮层，同时掺杂微量镁元素。由于氮化铝和氮化镓的自极化效应及极化强度呈规律性变化，从而在该铝镓氮层中形成内建电场，该内建电场排斥负性载流子，吸引正性载流子，因此诱导自由空穴集中于铝镓氮层中，从而提高了提高正性载流子浓度，极大地提高了镁的掺杂效率，使得在铝镓氮层中的镁掺杂效率可以高达30％。与在氮化镓层中直接掺杂镁相比，此方法得到的镁的掺杂效率较前者高一个数量级。同时，由于获得的铝镓氮层的空穴浓度和迁移率不受温度影响，因此基于铝氮化镓层的光电器件的稳定性将会得到提高。

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。

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、金刚石或者准绝缘块状氮化镓（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方法、金属有机化合物化学气相沉积（MOCVD）等等。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，以保证衬底材料的薄膜性。

步骤14：掺杂步骤，在氮化镓层上形成镁掺杂的铝镓氮层。

本发明的实施例中，在基底材料上形成氮化镓层后，随后进行掺杂步骤，即在该氮化镓层上形成镁掺杂的铝镓氮层。其中，本发明的实施例中，在在该氮化镓层上形成镁掺杂的铝镓氮层的过程中，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到远离该氮化镓层的部分线性变化。

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到远离氮化镓层的部分，x的值（即铝的含量）线性增加或者线性减小。相应地，此时，在该铝镓氮层中，从靠近氮化镓层的部分到远离氮化镓层的部分，1-x（即镓的含量）线性减小或者线性增加。

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。

本发明的实施例中，可以使用任何适合的方法在氮化镓层上形成铝镓氮层，相应地在该方法中可以用对应的调节方式或者控制方式来控制或者改变形成的铝镓氮层中的铝的含量。

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形成镁掺杂的铝镓氮层。此时，在氮化镓层上形成镁掺杂的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；

向分子束外延生长仪中通入铝金属分子束、镓金属分子束和镁金属分子束，这样，在分子束外延生长仪中，在氮化镓层上生成镁掺杂的铝镓氮层。其中，在该生长的过程中，也就是在向分子束外延生长仪中通入铝金属分子束、镓金属分子束和镁金属分子束的过程中，调节铝金属分子束源和/或镓金属分子束源的温度，即可控制在该生长过程中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，而使镁金属分子束的流量保持不变。

这样，即可使得外延生长完成后，获得的镁掺杂的铝镓氮层中，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。

本发明的实施例中，如前文所述，铝金属分子束的流量可以从零开始线性增加。这样，可以避免铝镓氮层和氮化镓层之间的晶格错位

本发明的实施例中，其中铝金属分子束的流量和镁金属分子束的流量可以按照相同的步长变化。

本发明的实施例中，前述的镁掺杂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。

例如，本发明一个实施例中，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，并且调节铝金属分子束源和镓金属分子束源的温度，使得在该分子束外延生长的过程中，镓金属分子束的流量的比重由1逐渐减小，铝金属分子束的流量按与镓金属分子束的流量减小的步长相同的步长由0逐渐增加，而镁金属分子束的流量保持不变。以这种方式在氮化镓层上生长获得厚度为100纳米的镁掺杂的铝镓氮层（Al_xGa_1-xN）。

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。

例如，一个实施例中，可以在氮化镓层上用分子束外延法生长铝镓氮过渡层，该铝镓氮过渡层的厚度可以为0.5-1.5微米。在分子束外延生长过程中，通过调节铝金属分子束源的温度和镓金属分子束源的温度，使得铝分子束流量的比重为0.3，镓分子束流量的比重为0.7，这样，使得形成的铝镓氮（Al_xGa_1-xN）过渡层中的x为0.3。容易理解，这里的x也可以为其它任何适合的值。

随后，在步骤14中，在该铝镓氮过渡层上形成镁掺杂的铝镓氮层并使在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。

类似地，本发明的一个实施例中，也可以使用分子束外延生长的方法在铝镓氮过渡层上生长形成镁掺杂的铝镓氮层。此时，在铝镓氮过渡层上形成镁掺杂的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；

向分子束外延生长仪中通入铝金属分子束、镓金属分子束和镁金属分子束，这样，在分子束外延生长仪中，在铝镓氮层上生成镁掺杂的铝镓氮层。其中，在该生长的过程中，也就是在向分子束外延生长仪中通入铝金属分子束、镓金属分子束和镁金属分子束的过程中，调节铝金属分子束源和/或镓金属分子束源的温度，即可控制在该生长过程中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，而使镁金属分子束的流量保持不变。

这样，即可使得外延生长完成后，获得的镁掺杂的铝镓氮层中，铝的含量从靠近铝镓氮过渡层（因此也靠近氮化镓层）的部分到远离铝镓氮过渡层（因此也远离氮化镓层）的部分线性减小。

例如，本发明的一个实施例中，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，并且线性调节铝金属分子束源和镓金属分子束源的温度，并使得其中镓金属分子束的流量的比重由0.7线性增加，铝金属分子束的流量按与镓金属分子束的流量的比重增加的步长相同的步长由0.3线性减小，而镁分子束流量保持不变。以这种方式生长获得厚度为100纳米的镁掺杂的铝镓氮（Al_xGa_1-xN）。

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，在掺杂步骤之前，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，该半导体薄膜包括：基底材料；氮化镓层，氮化镓层形成在基底材料上；铝镓氮层，铝镓氮层形成在氮化镓层上，并且铝镓氮层包括镁掺杂分子；其中，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逐渐增加，例如线性增加。

相应地，本发明的实施例中还揭露了一种半导体薄膜，该半导体薄膜包括：基底材料；氮化镓层，氮化镓层形成在基底材料上；铝镓氮过渡层，铝镓氮过渡层形成在氮化镓层上，并且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；铝镓氮层，铝镓氮层形成在铝镓氮过渡层上，并且铝镓氮层包括镁掺杂分子；其中，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逐渐减小，例如线性减小。

本发明的实施例中，在非有意掺杂的氮化镓上形成铝含量发生变化的的铝镓氮层，同时掺杂微量镁元素。由于氮化铝和氮化镓的自极化效应及极化强度呈规律性变化，从而在该铝镓氮层中形成内建电场，该内建电场排斥负性载流子，吸引正性载流子，因此诱导自由空穴集中于铝镓氮层中，从而提高了提高正性载流子浓度，极大地提高了镁的掺杂效率，使得在铝镓氮层中的镁掺杂效率可以高达30％。与在氮化镓层中直接掺杂镁相比，此方法得到的镁的掺杂效率较前者高一个数量级。同时，由于获得的铝镓氮层的空穴浓度和迁移率不受温度影响，因此基于铝氮化镓层的光电器件的稳定性将会得到提高。

本发明的实施例中方法操作可控，简单易行，可重复性好，为提高氮化镓基半导体光电器件的性能提供了可能性。

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

1.一种制造镁掺杂半导体薄膜的方法，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镁掺杂的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镁掺杂的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：其中在所述氮化镓层上形成镁掺杂的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、镓金属分子束和镁金属分子束；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，并且使所述镁金属分子束的流量保持不变。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于：所述铝金属分子束的流量由零开始线性增加。

5.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。

6.如权利要求5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镁掺杂的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。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于：其中在所述铝镓氮过渡层上形成镁掺杂的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；

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，并且使所述镁金属分子束的流量保持不变。

8.如权利要求3或者7所述的方法，其特征在于：所述铝金属分子束的流量和所述镓金属分子束的流量按照相同的步长变化。

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，并且所述铝镓氮层包括镁掺杂分子；其中，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，并且所述铝镓氮层包括镁掺杂分子；其中，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。