CN108538714B - p型Ⅲ族氮化物材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明适用于半导体技术领域，提供了一种p型Ⅲ族氮化物材料的制备方法。该方法包括：在衬底上生长非掺杂Ⅲ族氮化物外延层；在所述非掺杂Ⅲ族氮化物外延层的上表面生长p型掺杂的Ⅲ族氮化物外延层；在氮氧化物气氛中激活所述p型掺杂的Ⅲ族氮化物外延层中的掺杂元素。本发明能够提高p型Ⅲ族氮化物材料载流子浓度和导电性。
Description
技术领域
本发明属于半导体技术领域，尤其涉及一种p型Ⅲ族氮化物材料的制备方法。
背景技术
Ⅲ族氮化物是新一代半导体材料的代表，在光电子器件和电力电子器件中极具应用前景，能够应用于电导探测器、肖特基光探测器、金属-半导体场效应晶体管、太阳能肖特基光电管和高电子迁移率晶体管等多种器件中。p型Ⅲ族氮化物材料由于存在受主杂质的钝化效应与自补偿效应，载流子浓度很低，导致p型Ⅲ族氮化物材料的导电性很差，严重制约了氮化物材料及器件的应用与发展。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供了一种p型Ⅲ族氮化物材料的制备方法，以解决现有技术中p型Ⅲ族氮化物材料导电性差的问题。
本发明实施例提供了一种p型Ⅲ族氮化物材料的制备方法，包括：
在衬底上生长非掺杂Ⅲ族氮化物外延层；
在所述非掺杂Ⅲ族氮化物外延层的上表面生长p型掺杂的Ⅲ族氮化物外延层；
在氮氧化物气氛中激活所述p型掺杂的Ⅲ族氮化物外延层中的掺杂元素。
可选的，所述在氮氧化物气氛中激活所述p型掺杂的Ⅲ族氮化物外延层中的掺杂元素，包括：
在氮氧化物气氛中对生长p型掺杂的Ⅲ族氮化物外延层后的衬底进行等离子体处理，激活所述p型掺杂的Ⅲ族氮化物外延层中的掺杂元素。
进一步的，所述等离子体处理的处理温度为零下100摄氏度至2000摄氏度，所述等离子体处理的处理时间为1秒至72小时。
可选的，所述在氮氧化物气氛中激活所述p型掺杂的Ⅲ族氮化物外延层中的掺杂元素，包括：
在氮氧化物气氛中对生长p型掺杂的Ⅲ族氮化物外延层后的衬底进行退火处理，激活所述p型掺杂的Ⅲ族氮化物外延层中的掺杂元素。
进一步的，所述退火处理的处理温度为100摄氏度至2000摄氏度，所述退火处理的处理时间为1秒至72小时。
可选的，所述氮氧化物为NOx，其中，x大于0且小于100。
可选的，所述氮氧化物为NOx与O2、N2、Ar、Air、NH3、Cl2、HCl、CO和CO2中的一种或多种的混合物，其中，x大于0且小于100。
可选的，所述掺杂元素包括锂、铍、铬、汞、锌、镁、碳和/或硅。
可选的，所述衬底为碳化硅衬底、硅衬底、蓝宝石衬底、氮化铝衬底、氮化镓衬底、金刚石衬底或氧化镓衬底。
可选的，所述Ⅲ族氮化物为氮化镓、铝镓氮、氮化铟、铟铝氮、铟镓氮、氮化硼、硼铝氮、硼铟氮、硼镓氮、铟铝镓氮、硼铝镓氮、硼铟镓氮或硼铟铝氮。
本发明实施例与现有技术相比存在的有益效果是：本发明实施例通过在衬底上生长非掺杂Ⅲ族氮化物外延层，在非掺杂Ⅲ族氮化物外延层的上表面生长p型掺杂的Ⅲ族氮化物外延层，在氮氧化物气氛中激活p型掺杂的Ⅲ族氮化物外延层中的掺杂元素，由于氮氧化物在激活处理过程中能够分解除N和O，分解出的N能够降低受主杂质的自补偿效应，分解出的O能够减弱钝化效应，从而能够提高受主杂质的离化率，进而提高p型Ⅲ族氮化物材料载流子浓度和导电性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的p型Ⅲ族氮化物材料的制备方法的实现流程示意图。
具体实施方式
以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。
为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。
实施例一
请参考图1，p型Ⅲ族氮化物材料的制备方法，包括：
步骤S101，在衬底上生长非掺杂Ⅲ族氮化物外延层。
在本发明实施例中，衬底材料包括但不限于碳化硅、硅、蓝宝石、氮化铝、氮化镓、金刚石或氧化镓。非掺杂Ⅲ族氮化物包括但不限于GaN、AlGaN、InN、InAlN、InGaN、BN、BAlN、BInN、BGaN、InAlGaN、BAlGaN、BInGaN或BInAlN。通过金属有机化学气相沉积(Metal-organic Chemical Vapor Deposition，MOCVD)在衬底上生长非掺杂Ⅲ族氮化物外延层。
步骤S102，在所述非掺杂Ⅲ族氮化物外延层的上表面生长p型掺杂的Ⅲ族氮化物外延层。
在本发明实施例中，p型掺杂的Ⅲ族氮化物包括但不限于GaN、AlGaN、InN、InAlN、InGaN、BN、BAlN、BInN、BGaN、InAlGaN、BAlGaN、BInGaN或BInAlN。掺杂元素包括但不限于Li、Be、Cd、Hg、Zn、Mg、C和/或Si。通过MOCVD工艺在非掺杂Ⅲ族氮化物外延层的上表面生长p型掺杂的Ⅲ族氮化物外延层。
步骤S103，在氮氧化物气氛中激活所述p型掺杂的Ⅲ族氮化物外延层中的掺杂元素。
在本发明实施例中，由于p型掺杂的Ⅲ族氮化物外延层的极化场强小于非掺杂Ⅲ族氮化物外延层的极化场强，从而产生大量空穴。在氮氧化物气氛中激活掺杂元素时，氮氧化物在激活处理过程中能够分解出N和O，分解出的N能够填充p型Ⅲ族氮化物材料中本征n型缺陷VN，降低p型Ⅲ族氮化物材料中的自补偿效应，分解出的O能够与H形成H2O，减弱H的钝化效应，从而提高受主杂质的离化率，提高载流子浓度，进而获得高导电性的p型Ⅲ族氮化物材料。
本发明实施例通过在衬底上生长非掺杂Ⅲ族氮化物外延层，在非掺杂Ⅲ族氮化物外延层的上表面生长p型掺杂的Ⅲ族氮化物外延层，在氮氧化物气氛中激活掺杂元素，由于氮氧化物在激活处理过程中能够分解除N和O，分解出的N能够降低受主杂质的自补偿效应，分解出的O能够减弱钝化效应，从而能够提高受主杂质的离化率，进而提高p型Ⅲ族氮化物材料载流子浓度和导电性。
可选的，步骤S103的具体实现方式为：在氮氧化物气氛中对生长p型掺杂的Ⅲ族氮化物外延层后的衬底进行等离子体处理，激活所述p型掺杂的Ⅲ族氮化物外延层中的掺杂元素。
进一步的，所述等离子体处理的处理温度为零下100摄氏度至2000摄氏度，所述等离子体处理的处理时间为1秒至72小时。
在本发明实施例中，等离子体处理设备包括但不限于磁控溅射设备、脉冲激光沉积设备、分子束外延设备、等离子体清洗仪、等离子体表面处理设备等具备等离子体处理功能的设备。将生长p型掺杂的Ⅲ族氮化物外延层后的衬底放入等离子体处理设备中，并在等离子体处理设备中通入氮氧化物气体，氮氧化物在等离子体处理过程中能够分解出N和O，分解出的N能够降低受主杂质的自补偿效应，分解出的O能够减弱钝化效应，从而能够提高受主杂质的离化率，进而提高p型Ⅲ族氮化物材料载流子浓度和导电性。
可选的，步骤S103的具体实现方式为：在氮氧化物气氛中对生长p型掺杂的Ⅲ族氮化物外延层后的衬底进行退火处理，激活所述p型掺杂的Ⅲ族氮化物外延层中的掺杂元素。
进一步的，所述退火处理的处理温度为100摄氏度至2000摄氏度，所述退火处理的处理时间为1秒至72小时。
在本发明实施例中，退火设备包括但不限于金属有机化合物气相沉积设备、磁控溅射设备、脉冲激光沉积设备、分子束外延设备、管式退火炉、快速退火炉等具备退火功能的设备。将生长p型掺杂的Ⅲ族氮化物外延层后的衬底放入退火设备中，并在退火设备中通入氮氧化物气体，氮氧化物在退火处理过程中能够分解出N和O，分解出的N能够降低受主杂质的自补偿效应，分解出的O能够减弱钝化效应，从而能够提高受主杂质的离化率，进而提高p型Ⅲ族氮化物材料载流子浓度和导电性。
可选的，所述氮氧化物气氛包括NOx，其中x大于0且小于100。
可选的，所述氮氧化物为NOx与O2、N2、Ar、Air、NH3、Cl2、HCl、CO和CO2中的一种或多种的混合物，其中，x大于0且小于100。
在本发明实施例中，氮氧化气氛可以只包括NOx，例如，N2O、NO、NO2、N2O4等，也可以为NOx与O2、N2、Ar、Air、NH3、Cl2、HCl、CO和CO2中的一种或多种的的混合气体。
本发明实施例通过在氮氧化物气氛中进行等离子体处理或退火处理激活掺杂元素，使氮氧化物在等离子体处理或退火处理过程中够分解除N和O，分解出的N能够降低受主杂质的自补偿效应，分解出的O能够减弱钝化效应，从而能够提高受主杂质的离化率，进而提高p型Ⅲ族氮化物材料载流子浓度和导电性。
实施例二
p型Ⅲ族氮化物材料的制备方法包括：首先通过MOCVD工艺在蓝宝石衬底上依次生长200nm的非掺杂AlN外延层和500nm的Mg掺杂的Al0.2Ga0.8N外延层，然后将生长Al0.2Ga0.8N外延层后的衬底放入快速退火炉中，在快速退火炉中通入N2O和O2，其中，N2O的体积分数为60％，O2的体积分数为40％，稳定气氛2分钟，在稳定气氛完成后，将快速退火炉内的温度升温到800℃，退火处理5分钟，获得p型Al0.2Ga0.8N材料。
实施例三
p型Ⅲ族氮化物材料的制备方法包括：首先通过MOCVD工艺在SiC衬底上依次生长1μm的非掺杂Al0.5Ga0.5N外延层和400nm的Mg掺杂的GaN外延层，然后将生长GaN外延层后的衬底放入磁控溅射腔体中，抽真空至10-6mbar，在磁控溅射腔体中通入N2O和N2，其中，N2O的体积分数为80％，N2的体积分数为20％，腔体压力控制在1mbar，稳定气氛2分钟，在稳定气氛完成后，磁控溅射功率设定为1W，室温下对Mg掺杂的p型GaN材料进行等离子体处理，处理时间为10s，获得p型GaN材料。
应理解，上述实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。
以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种p型Ⅲ族氮化物材料的制备方法，其特征在于，包括：
在衬底上生长非掺杂Ⅲ族氮化物外延层；具体为，通过金属有机化学气相淀积工艺在SiC衬底上生长1μm的非掺杂Al0.5Ga0.5N外延层；
在所述非掺杂Ⅲ族氮化物外延层的上表面生长p型掺杂的Ⅲ族氮化物外延层；具体为，通过金属有机化学气相淀积工艺在非掺杂Al0.5Ga0.5N外延层的上表面生长400nm的Mg掺杂的GaN外延层；
在氮氧化物气氛中激活所述p型掺杂的Ⅲ族氮化物外延层中的掺杂元素；具体为，将生长GaN外延层后的衬底放入磁控溅射腔体中，抽真空至10-6mbar，在磁控溅射腔体中通入N2O和N2，其中，N2O的体积分数为80％，N2的体积分数为20％，腔体压力控制在1mbar，稳定气氛2分钟，在稳定气氛完成后，磁控溅射功率设定为1W，室温下对Mg掺杂的p型GaN材料进行等离子体处理，处理时间为10s，获得p型GaN材料。
2.如权利要求1所述的p型Ⅲ族氮化物材料的制备方法，其特征在于，所述衬底为碳化硅衬底、硅衬底、蓝宝石衬底、氮化铝衬底、氮化镓衬底、金刚石衬底或氧化镓衬底。
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