CN106449907B - 一种p型指数掺杂结构GaN光电阴极材料的生长方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种p型指数掺杂结构GaN光电阴极材料的生长方法，通过在蓝宝石衬底上吸附镓、氮和镁原子，形成p型指数掺杂结构的GaN薄膜，生长出的GaN光电阴极材料具有连续的内建电场，且该方法制备思路清晰、方法简单，生长出的GaN光电阴极性能显著提高。

Description

一种p型指数掺杂结构GaN光电阴极材料的生长方法
技术领域
本发明涉及半导体材料技术领域，尤其涉及一种p型指数掺杂结构GaN光电阴极材料的生长方法。
背景技术
氮化镓(GaN)材料是一种具有宽禁带、低介电常数、耐腐蚀、耐高温、抗辐射等优良特性的半导体材料。GaN基光电阴极具有量子效率高、暗电流小、发射电子能量分布集中等优点，是满足微弱紫外探测要求的非常理想的新型紫外光电阴极，在紫外真空探测、高能物理、微电子技术、电子束平面印刷以及电子显微镜等领域有广泛应用。
之前的研究发现，通过p型掺杂浓度变化的方式可以有效地提高光电阴极的性能。变掺杂主要包括梯度掺杂和指数掺杂，其中指数掺杂被证明是更有效的方式。GaN光电阴极的厚度一般不超过500nm，但是传统的MOCVD等方法难以在纳米级别的厚度上控制p型的掺杂浓度，因此最多只能实现梯度掺杂，很难达到指数掺杂的要求，也限制了GaN光电阴极性能的提高。
发明内容
基于背景技术存在的技术问题，本发明提出了一种p型指数掺杂结构GaN光电阴极材料的生长方法，且生长出的GaN光电阴极材料具有连续的内建电场，且制备思路清晰、方法简单，生长出的GaN光电阴极性能显著提高。
一种p型指数掺杂结构GaN光电阴极材料的生长方法，包括以下步骤：
A、将清洗后双面抛光的c轴向蓝宝石衬底置于原子层沉积系统生长室内；
B、向所述原子层沉积系统生长室内通入镓源气体和载体气体，所述的镓源气体作为第一反应前驱体在蓝宝石衬底上进行化学吸附，所述镓源气体中的镓原子吸附在所述的蓝宝石衬底上；
C、吸附在蓝宝石衬底上的镓原子与电离后的氮源前驱体发生反应，直到所述蓝宝石衬底表面的镓原子完全反应；
D、向原子层沉积系统中通入作为掺杂元素的前驱体镁源气体和载体气体，类似镓原子的吸附过程，镁原子会吸附在材料的生长表面，形成p型掺杂；
E、按照一定的比例关系重复步骤B、C、D，并且在每个步骤后都通入清洗气体，即可在所述蓝宝石衬底上形成p型指数掺杂结构的GaN薄膜。
优选的，所述镓源气体是氯化镓(GaCl)或三甲基镓(TMGa)；
优选的，所述的清洗气体和载体气体是氩气。
优选的，所述的氮源前驱体是氨气。
优选的，所述的镁源前驱体是二茂镁(Cp2Mg)。
本发明的有益之处在于：利用原子层沉积单层生长的特点，解决了传统方法难以在纳米级别上控制p型掺杂浓度的问题，实现了指数掺杂GaN光电阴极材料的生长，提高了GaN光电阴极的量子效率等性能，实验发现指数掺杂GaN光电阴极的效率比均匀掺杂的提高20％以上。
附图说明：
图1：p型指数掺杂结构GaN光电阴极材料掺杂浓度随循环周期的变化情况图。
图2：p型指数掺杂结构GaN光电阴极材料的ALD生长流程图。
图3：掺杂周期示意图。
具体实施方式：
实施例
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细地说明。
图1是p型指数掺杂结构GaN光电阴极材料掺杂浓度随循环周期的变化情况。
图2是p型指数掺杂结构GaN光电阴极材料的ALD(原子层沉积)生长流程。
对蓝宝石表面进行清洗，干燥氮气吹干，将蓝宝石衬底置于原子层沉积系统生长室中；
设置衬底生长温度为550℃(以550℃为例，不限于此温度)，存放氯化镓的喷嘴式容器保持在70℃，氨气被用来作为反应氮源，氩气作为载体和净化气体，开启真空泵抽真空达到要求的工作环境，向生长室中通入氩气清洗腔室。
如图2中所示，ALD循环有两种：a.镓源循环，氯化镓(7s,50sccm氩气为载体气体)，氩气净化气体(30s,500sccm)，氨气(10s,500sccm)，氩气净化气体(30s,500sccm)；和b.镁源循环，二茂镁(10s,50sccm氩气为载体气体)，氩气净化气体(30s,500sccm)，氨气(10s,500sccm)，氩气净化气体(30s,500sccm)。其中a循环为GaN生长过程，b循环为p型掺杂过程。
循环a和b的关系：
以每进行一次b循环为一个掺杂周期，那么在第n个掺杂周期内，定义循环a的次数为Mn，如图3所示。当Mn为一个常数时，即每进行一次b循环对应的a循环次数是固定的，此时进行的就是p型掺杂浓度恒定的GaN材料生长过程。
而对于掺杂浓度随厚度呈指数变化时，Mn的情况要复杂得多。首先确定当n＝1，即第一个掺杂周期时至少对应一个a循环，否则生长的材料就变成了MgNx而非p型GaN，那么起始镁的掺杂浓度的最大值为NGa/2，其中NGa为GaN中的镓原子浓度。
在第n个掺杂周期内，对应的a循环次数为Mn，此时总循环次数为总的生长厚度为R为ALD的周期生长速率。此掺杂周期内镁的掺杂浓度为要使掺杂浓度随厚度呈指数降低，则需满足：
其中A为指数变化系数，Mn按四舍五入取整。
当镓源的循环次数Mn＝1时先进行a循环再进行b循环，即最开始由镓源循环开始；当Mn＞1时，尽量在Mn次a循环的中间位置进行b循环，即进行Mn/2个a循环后进行一次b循环，随后再进行Mn/2个a循环，如图3所示。
最后以GaCl3(7s,50sccm氩气为载体气体)，氩气净化气体(30s,500sccm)为结束。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种p型指数掺杂结构GaN光电阴极材料的生长方法，其特征在于，包括以下步骤：
A、将清洗后双面抛光的c轴向蓝宝石衬底置于原子层沉积系统生长室内；
B、向所述原子层沉积系统生长室内通入镓源气体和载体气体，所述的镓源气体作为第一反应前驱体在蓝宝石衬底上进行化学吸附，所述镓源气体中的镓原子吸附在所述的蓝宝石衬底上；
C、吸附在蓝宝石衬底上的镓原子与电离后的氮源前驱体发生反应，直到所述蓝宝石衬底表面的镓原子完全反应；
D、向原子层沉积系统中通入作为掺杂元素的前驱体镁源气体和载体气体，类似镓原子的吸附过程，镁原子会吸附在材料的生长表面，形成p型掺杂；
E、按照一定的比例关系重复步骤B、C、D，并且在每个步骤后都通入清洗气体，即可在所述蓝宝石衬底上形成p型指数掺杂结构的GaN薄膜；
所述的步骤E中所述的按照一定的比例关系重复步骤B、C、D，是通过以下特定的方式控制掺杂浓度随厚度呈指数变化的，具体为：
当镓源的循环次数Mn＝1时先进行a循环再进行b循环，即最开始由镓源循环开始；当Mn＞1时，尽量在Mn次a循环的中间位置进行b循环，即进行Mn/2个a循环后进行一次b循环，随后再进行Mn/2个a循环；
其中，所述的a循环为镓源循环：氯化镓，氩气净化气体，氨气，氩气净化气体；
所述的b循环为镁源循环：二茂镁，氩气净化气体，氨气，氩气净化气体；
其中a循环为GaN生长过程，b循环为p型掺杂过程；
循环a和b的关系：
以每进行一次b循环为一个掺杂周期，那么在第n个掺杂周期内，定义循环a的次数为Mn；
对于掺杂浓度随厚度呈指数变化时，首先确定当n＝1，即第一个掺杂周期时至少对应一个a循环，否则生长的材料就变成了MgNx而非p型GaN，那么起始镁的掺杂浓度的最大值为NGa/2，其中NGa为GaN中的镓原子浓度；
在第n个掺杂周期内，对应的a循环次数为Mn，此时总循环次数为总的生长厚度为R为ALD的周期生长速率；此掺杂周期内镁的掺杂浓度为要使掺杂浓度随厚度呈指数降低，则需满足：
其中A为指数变化系数，Mn按四舍五入取整。
2.如权利要求1所述的p型指数掺杂结构GaN光电阴极材料的生长方法，其特征在于，所述镓源气体是氯化镓或三甲基镓。
3.如权利要求1所述的p型指数掺杂结构GaN光电阴极材料的生长方法，其特征在于，所述的清洗气体和载体气体是氩气。
4.如权利要求1所述的p型指数掺杂结构GaN光电阴极材料的生长方法，其特征在于，所述的氮源前驱体是氨气。
5.如权利要求1所述的p型指数掺杂结构GaN光电阴极材料的生长方法，其特征在于，所述的前驱体镁源是二茂镁。
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