CN107305919A - P型氮化镓及其制备方法、包含其的半导体器件 - Google Patents
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Abstract
一种P型氮化镓的制备方法，包括：(1)准备衬底；(2)在所述衬底上制备外延层，包括制备重度掺杂P型氮化镓层，其中制备重度掺杂P型氮化镓层时反应室压强为30Torr‑100Torr。以及一种P型氮化镓和半导体器件。该制备方法工艺简单，通过控制反应室的压强控制碳杂质浓度，同时直接利用金属有机化合物中的碳作为碳源，不需要额外引入新的掺杂材料。
Description
技术领域
本发明涉及半导体材料制备技术领域，特别是涉及一种P型氮化镓及其制备方法，以及包含该P型氮化镓的半导体器件。
背景技术
近十几年来，III族氮化物材料在固体发光二极管、蓝/绿光激光器、高电子迁移率晶体管和太阳能电池等光电子及微电子器件领域表现出优良的特性。氮化镓材料作为其中代表之一，其相关器件受到世界各国的科研机构的重视并被广泛研究。
但P型氮化镓的欧姆接触一直是其得到广泛应用的重大阻碍。由于氮化镓中镁受主杂质难电离，其电离能高达200meV，室温下电离率只有1％左右，难以获得空穴浓度高的P型氮化镓。同时，缺少合适的金属体系，因此难以实现低比接触电阻率的欧姆接触。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种P型氮化镓的制备方法。
为实现上述目的，本发明提供一种P型氮化镓的制备方法，包括：
(1)准备衬底；
(2)在所述衬底上制备外延层，包括制备重度掺杂P型氮化镓层，其中制备重度掺杂P型氮化镓层时反应室压强为30Torr-100Torr。
根据本发明的一具体实施方案，制备重度掺杂P型氮化镓层工艺中，采用金属有机化合物中的碳作为碳源。
根据本发明的一具体实施方案，制备重度掺杂P型氮化镓层工艺中，反应室压强为40Torr-75Torr。
根据本发明的一具体实施方案，制备重度掺杂P型氮化镓层工艺中，还包括退火工艺：在氮气环境下，将包含重度掺杂P型氮化镓层的P型氮化镓进行高温退火，以激活镁受主杂质。
根据本发明的一具体实施方案，在制备重度掺杂P型氮化镓层工艺之后，包括生长金属层，形成欧姆接触。6、根据权利要求5所述的P型氮化镓的制备方法，其特征在于，所述金属层为镍金双层金属层。
根据本发明的一具体实施方案，制备重度掺杂P型氮化镓层工艺中，镁受主杂质的浓度范围为1×1019cm-3～1×1020cm-3。
根据本发明的一具体实施方案，制备重度掺杂P型氮化镓层工艺中，生长温度为800℃-1000℃，厚度为10nm～50nm。
根据本发明的一方面，提供一种根据上述任意一个所述的制备方法制备的P型氮化镓。
根据本发明的一方面，提供一种半导体器件，包括以上任意所述的P型氮化镓。
通过上述技术方案，本发明的有益效果在于：
(1)重度掺杂P型氮化镓层工艺中，通过降低反应室压强(现有技术的压强超过100Torr)，提高重度掺杂P型氮化镓层中碳杂质浓度，从而降低欧姆接触的比接触电阻率；
(2)重度掺杂P型氮化镓层工艺中，通过控制反应室的压强控制碳杂质浓度，提高掺杂浓度的可控性；
(3)重度掺杂P型氮化镓层工艺中，直接利用金属有机化合物中的碳作为碳源，不需要额外引入新的掺杂材料，提高利用效率和简化工艺过程；
(4)通过选择合适的金属体系尤其是选择镍金双层金属膜，实现低比接触电阻率的欧姆接触。
附图说明
为使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明，其中：
图1a和1b分别是本发明一具体实施例的P型氮化镓外延结构的俯视图和截面示意图。
图2是本发明一具体实施例的中不同反应室压强下P型氮化镓的比接触电阻率测量结果。
具体实施方式
在本发明中，中度掺杂是指镁杂质浓度为1×1018cm-3～1×1019cm-3，重度掺杂是指镁杂质浓度为1×1019cm-3～1×1020cm-3。
根据本发明总体上的发明构思，提供一种P型氮化镓的制备方法，包括制备重度掺杂P型氮化镓层，其中制备重度掺杂P型氮化镓层时反应室压强低于现有技术的压强，提高重度掺杂P型氮化镓层中碳杂质浓度，从而降低欧姆接触的比接触电阻率。
对于衬底，可以为氮化镓制备工艺中常见的衬底，例如衬底为蓝宝石衬底、碳化硅衬底或氮化镓衬底。
重度掺杂P型氮化镓层工艺中：
对于生长过程中的压强，优选低于现有技术的压强条件，进一步优选的为30-100Torr，更加优选的为40-75Torr，最优选的为50Torr。
对于生长过程中的其它参数条件，目的在于提高重掺杂中杂质的浓度，优选的温度为800-100℃，更加优选的为850-950℃；优选的生长厚度为10-50nm，进一步优选的为20-40nm。其中镁受主杂质的浓度在1×1019cm-3～1×1020cm-3。
对于其它外延层，选择制备氮化镓缓冲层，生长温度为500℃-600℃，厚度为10nm-50nm；之后选择制备非故意掺杂氮化镓层，生长温度为900℃-1100℃，厚度为500nm-2000nm；之后选择制备中度掺杂P型氮化镓层，生长温度为900℃-1100℃，厚度为500nm-2000nm，其中镁受主杂质的浓度在1×1018cm-3～1×1019cm-3。
对于重度掺P型氮化镓层上的金属层，优选具有良好欧姆接触的金属，进一步优选镍金双层金属薄膜，其中镍厚度为10nm-50nm，金厚度为10-50nm；镍金双层金属薄膜的制作方法为电子束蒸发或磁控溅射。
参见图1，本发明提供如下优选实施方案，提供了一种P型氮化镓的制备方法，该方法包括：
步骤1：对衬底1升温，在氢气环境下热处理，去除衬底表面的杂质；
步骤2：对衬底1温度，在衬底1上生长氮化镓缓冲层2；
步骤3：对衬底1升温，在氮化镓缓冲层2上生长非故意掺杂氮化镓层3；
步骤4：在非故意掺杂氮化镓层3上生长中度掺杂P型氮化镓层4；
步骤5：对衬底1降温，同时降低反应室压强，在中度掺杂P型氮化镓层4上生长重度掺杂P型氮化镓层5；
步骤6：在氮气环境下，将外延片进行高温退火，以激活镁受主杂质。
步骤7：在重度掺杂P型氮化镓层5制备镍金双层金属薄膜6；
步骤8：在氮气和氧气混合环境下，将外延片进行高温退火。
上述方案中，步骤1中所述对衬底1升温，是将衬底升温至1080℃；所述衬底1采用的蓝宝石衬底、碳化硅衬底或氮化镓衬底。
上述方案中，步骤2中所述氮化镓缓冲层2的生长温度为500℃-600℃，厚度为10nm-50nm。
上述方案中，步骤3中所述非故意掺杂氮化镓层3的生长温度为900℃-1100℃，厚度为500nm-2000nm。
上述方案中，步骤4中所述中度掺杂P型氮化镓层4的生长温度为900℃-1100℃，厚度为50nm-200nm，其中镁受主杂质的浓度在1×1017cm-3～1×1018cm-3。
上述方案中，步骤5中所述重度掺杂P型氮化镓层5的生长温度为900℃-1100℃，反应室压强为50Torr-100Torr，其厚度为500nm-2000nm，其中镁受主杂质的浓度在1×1018cm-3～1×1019cm-3。
上述方案中，步骤6中所述，快速热退火为氮气环境，退火时间为1-10min，退火温度为700℃-900℃。
上述方案中，步骤7中所述镍金双层金属薄膜6，制作方法为电子束蒸发或磁控溅射，其中镍厚度为10nm-50nm，金厚度为10-50nm。
上述方案中，步骤8中所述，快速热退火环境为氮气和氧气的混合气体，退火时间为1-10min，退火温度为500℃-600℃。
下面通过具体实施例，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。下述实施方式的说明旨在对本发明的总体发明构思进行解释，而不应当理解为对本发明的一种限制。
实施例：
请参阅图1所示，一种降低P型氮化镓欧姆接触的比接触电阻率的外延结构示意图，包括：
步骤1：衬底1升温至1080℃，所述衬底10采用的材料为蓝宝石、碳化硅或氮化镓；
步骤2：降低衬底1升温至，在衬底1上生长氮化镓缓冲层2；
步骤3：升高衬底温度至900℃-1100℃；在衬底1上生长厚度为50nm-200nm非故意掺杂氮化镓层3；
步骤4：在非故意掺杂氮化镓层3上生长中度掺杂P型氮化镓层4，其厚度为500nm-2000nm，其中镁受主杂质的浓度在1×1018cm-3～1×1019cm-3；
步骤5：降低衬底温度至800℃-1000℃，在中度掺杂P型氮化镓层4上生长重度掺杂P型氮化镓层5，反应室压强为50Torr-100Torr，其厚度为10nm～50nm，其中镁受主杂质的浓度在1×1019cm-3～1×1020cm-3；
步骤6：对外延结构进行快速热退火处理，退火环境为氮气，退火时间为1-10min，退火温度为700℃-900℃；
步骤7：光刻，形成采用圆形传输线模型测量比接触电阻率所需要的图形；
步骤8：采用电子束蒸发或磁控溅射方法在重度掺杂P型氮化镓层5上生长镍金双层金属薄膜6，其中镍厚度为10nm-50nm，金厚度为10-50nm；
步骤9：将多余的金属层剥离；
步骤10：进行快速热退火，退火环境为氮气和氧气的混合气体，退火时间为1-10min，退火温度为500℃-600℃。
请参见图2，分别测量步骤5中压强为50、75和100Torr下制备的P型氮化镓测量其欧姆接触的比接触电阻率ρc，结果显示均为10-4数量级，具有良好的比接触电阻率。
比较例：
与具体实施例的步骤相同，不同在于步骤5中反应室压强为200-400Torr。制备的P型氮化镓测量其欧姆接触的比接触电阻率，其数值为3-5×10-3Ω·cm2。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种P型氮化镓的制备方法，其特征在于包括：
(1)准备衬底；
(2)在所述衬底上制备外延层，包括制备重度掺杂P型氮化镓层，其中制备重度掺杂P型氮化镓层时反应室压强为30Torr-100Torr。
2.根据权利要求1所述的P型氮化镓的制备方法，其特征在于，制备重度掺杂P型氮化镓层工艺中，采用金属有机化合物中的碳作为碳源。
3.根据权利要求1所述的P型氮化镓的制备方法，其特征在于，制备重度掺杂P型氮化镓层工艺中，反应室压强为40Torr-75Torr。
4.根据权利要求1所述的P型氮化镓的制备方法，其特征在于，制备重度掺杂P型氮化镓层工艺中，还包括退火工艺：在氮气环境下，将包含重度掺杂P型氮化镓层的P型氮化镓进行高温退火，以激活镁受主杂质。
5.根据权利要求1所述的P型氮化镓的制备方法，其特征在于，在制备重度掺杂P型氮化镓层工艺之后，还包括生长金属层，形成欧姆接触。
6.根据权利要求5所述的P型氮化镓的制备方法，其特征在于，所述金属层为镍金双层金属层。
7.根据权利要求1所述的P型氮化镓的制备方法，其特征在于，制备重度掺杂P型氮化镓层工艺中，镁受主杂质的浓度范围为1×1019cm-3～1×1020cm-3。
8.根据权利要求1所述的P型氮化镓的制备方法，其特征在于，制备重度掺杂P型氮化镓层工艺中，生长温度为800℃-1000℃，厚度为10nm～50nm。
9.根据权利要求1-8任一项所述的制备方法制备的P型氮化镓。
10.一种半导体器件，包括权利要求9所述的P型氮化镓。
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