CN109300980B - 一种高迁移率高空穴浓度P型AlGaN材料及其生长方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高迁移率高空穴浓度P型AlGaN材料及其生长方法，属于半导体技术领域。解决了现有技术中P型AlGaN的迁移率低、空穴浓度低的问题。本发明的P型AlGaN材料，包括从下至上依次设置的氮化铝层、掺杂外延层和渐变外延层；氮化铝层为Al极性面；掺杂外延层的材料为Mg掺杂的P型AlGaN，掺杂外延层为金属面极性；渐变外延层为从下至上依次设置的多层结构，每层材料皆为非故意掺杂AlxGa1‑xN材料，且多层非故意掺杂AlxGa1‑xN材料的Al组分从下至上逐渐减少。该P型AlGaN材料基于极化诱导电荷同时将载流子迁移区域和杂质电离区域分离的思想，实现高迁移率和高空穴浓度。
Description
技术领域
本发明属于半导体技术领域，具体涉及一种高迁移率高空穴浓度P型AlGaN材料及其生长方法。
背景技术
AlGaN作为Ⅲ-Ⅴ族三元合金材料，其禁带宽度随着Al组分由低到高的变化在3.4-6.2eV之间连续可调，对应波长从365nm覆盖至200nm的深紫外波段范围。AlGaN材料具有抗辐射、波长易调控等独特优点。是制备紫外、深紫外光电子器件的理想材料。
半导体器件的应用基础都是PN结，高电导率的P型和N型的实现是使AlGaN材料实现特定功能并应用到实际器件中的前提。对于AlGaN材料来说，由于本征缺陷和施主杂质缺陷的存在，包括N空位、O杂质、C杂质、H杂质等，使得非掺杂的AlGaN表现出n型。目前，获得高质量的n型AlGaN的技术已经比较成熟。但是，如何实现高迁移率、高空穴浓度的P型AlGaN材料是一直以来悬而未决的问题，已经成为制约AlGaN材料及器件发展的瓶颈。
难以实现高迁移率、高空穴浓度的P型AlGaN材料的原因主要有以下几个方面：(1)H原子的钝化作用：P型AlGaN一般通过Ⅱ族元素替代Ⅲ族元素，接受电子作为受主(典型掺杂剂为Mg)；然而，H原子的钝化作用使得AlGaN中的Mg原子以Mg-H键模式存在，抑制了空穴的产生。(2)氮空位的自补偿效应：P型AlGaN中，氮空位的形成能最小，因而数量较多，起补偿施主的作用。(3)受主杂质较高的激活能：Mg受主的激活能会随着AlGaN中Al组分的升高而线性增大，在AlN中Mg受主激活能高达465-758meV，这使得AlGaN中并入的Mg受主激活效率极低。(4)固溶度降低：随着Al组分升高，作为P型掺杂剂的Mg杂质替代Al或者Ga原子的形成能增加，导致高Al组分AlGaN材料中Mg原子的固溶度变低，从而造成Mg掺杂浓度极低。可见对于AlGaN材料，高迁移率、高空穴浓度的P型材料的获得极其困难，这极大地限制了紫外、深紫外光电子器件的发展和应用。
为了解决AlGaN材料P型掺杂的问题，人们尝试了各种途径。比如用高温热退火法使Mg-H键断裂，解决H原子的钝化的问题，利用Mg-delta掺杂、超晶格掺杂、共掺杂等方法，来提高P型AlGaN的空穴浓度，但是这些方法均没能解决AlGaN的迁移率和空穴浓度低的问题，因此迫切需要一种新的技术手段来实现高迁移率、高空穴浓度的P型AlGaN材料。
发明内容
本发明为解决现有技术中P型AlGaN的迁移率低、空穴浓度低的问题，提供一种高迁移率高空穴浓度P型AlGaN材料及其生长方法。
本发明解决上述技术问题采取的技术方案如下。
本发明的高迁移率高空穴浓度P型AlGaN材料，包括从下至上依次设置的氮化铝层、掺杂外延层和渐变外延层；
所述氮化铝层为Al极性面；
所述掺杂外延层的材料为Mg掺杂的P型AlGaN，掺杂外延层为金属面极性；
所述渐变外延层为从下至上依次设置的多层结构，每层材料皆为非故意掺杂AlxGa1-xN材料，且多层非故意掺杂AlxGa1-xN材料的Al组分从下至上逐渐减少。
优选的是，该P型AlGaN材料，还包括衬底层，所述衬底层设置在氮化铝层的下表面上；更优选的是，所述衬底层的材料为蓝宝石(Sapphire)、碳化硅(SiC)或硅(Si)。
优选的是，所述掺杂外延层的厚度大于0小于等于1.5μm。
优选的是，所述渐变外延层的厚度在0.5至3μm之间。
本发明还提供上述高迁移率高空穴浓度P型AlGaN材料生长方法，步骤如下：
步骤一、无衬底层时，直接取氮化铝材料作为氮化铝层；
有衬底层时，在衬底层的表面生长氮化铝材料，得到氮化铝层；
步骤二、在氮化铝层上生长Mg掺杂的AlGaN材料，得到掺杂外延层；
步骤三、在掺杂外延层上生长多层非故意掺杂AlxGa1-xN材料，多层非故意掺杂AlxGa1-xN材料的Al组分从下至上逐渐减少，形成渐变外延层。
进一步的，在衬底层的表面生长氮化铝材料的方法为金属有机化学气相沉积(MOCVD)法或氢化物气相外延沉积法。
进一步的，所述掺杂外延层利用MOCVD法或分子束外延(MBE)法生长。
进一步的，所述渐变外延层的生长分阶段进行，每个Al组分的非故意掺杂AlxGa1- xN材料为一个阶段，每个阶段的生长都要保证温度稳定再进行。
进一步的，所述渐变外延层的生长，Al组分的改变通过改变TMAl的流量来实现，TMGa流量不改变，总的气流量保持不变。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明的高迁移率高空穴浓度P型AlGaN材料的生长方法，基于极化诱导电荷同时将载流子迁移区域和杂质电离区域分离的思想，即先生长Mg掺杂的AlGaN外延层，然后生长Al组分渐变的本征AlGaN外延层，实现了P型AlGaN材料的高迁移率和高空穴浓度；
其中，P型AlGaN高迁移率的实现主要是由于载流子迁移率受各种散射机制的影响，其中杂质散射是极其重要的机制，高浓度的杂质严重降低载流子迁移率，将载流子迁移区域和杂质电离区域分离有效的避免了这一问题；
P型AlGaN材料的高空穴浓度的实现主要是由于利用AlGaN存在很强的自发极化和压电极化效应，当金属面外延Al组分发生逐渐减少时，该区域将产生极化电荷分布，电负性和电荷密度由高斯定理决定；高密度的束缚极化电荷将诱导具有相反电荷的自由载流子在此富集，从而提高载流子浓度；另一方面，该区域高强度的极化电场能够有效降低掺杂剂的电离能，为材料提供更多的自由电荷。
本发明的高迁移率高空穴浓度P型AlGaN材料的生长方法通过变温分阶段梯度生长的方式，实现Al组分渐变生长，工艺简单，效果显著，应用前景广阔等优点。
附图说明
图1为本发明提供的高迁移率高空穴浓度P型AlGaN材料的结构示意图；
图2为本发明提供的高迁移率高空穴浓度P型AlGaN材料的生长方法的工艺流程图；
图中，1、衬底层，2、氮化铝层，3、掺杂外延层，4、渐变外延层。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明。
如图1所示，本发明的高迁移率高空穴浓度P型AlGaN材料，包括从下至上依次设置的氮化铝层2、掺杂外延层3和渐变外延层4，还可以包括设置在氮化铝层2下表面上的衬底层1。
其中，衬底层1的材料为蓝宝石、碳化硅、硅等常用衬底材料。
氮化铝层2为Al极性面，厚度优选为1-5μm。
掺杂外延层3的材料为Mg掺杂的AlGaN，掺杂浓度没有特殊限制，根据实际需要选择；掺杂外延层3为金属面极性；厚度优选大于0小于1.5μm。
渐变外延层4为从下至上依次设置的多层结构，每层材料皆为非故意掺杂AlxGa1- xN材料，且多层非故意掺杂AlxGa1-xN材料的Al组分从下至上逐渐减少。除Al组分从下至上逐渐减少外，每层非故意掺杂AlxGa1-xN材料的Al组分大于0小于1，没有特殊限制，层数和每层的掺杂浓度可根据实际需要设计。如设置为五层结构，Al的掺杂浓度从下至上依次为0.5-0.4、0.4-0.3、0.3-0.2、0.2-0.1、0.1-0；渐变外延层4的每层的厚度优选为100-300μm，总厚度优选为0.5-2μm。
如图2所示，本发明的高迁移率高空穴浓度P型AlGaN材料生长方法，步骤如下：
步骤一、如果没有衬底层，直接采用氮化铝材料作为氮化铝层2。
如果设有衬底层1，则在衬底层1的表面生长氮化铝材料作为氮化铝层2。
在衬底层1的表面生长氮化铝材料的方法为本领域常规方法，通常利用MOCVD法或氢化物气相外延沉积法；实际操作中，通常采用两步法，先在衬底层1上生长低温成核层，然后生长高温外延层的方法生长氮化铝材料。
因为AlN/Sapphrie的结构制备成本最低，且它对AlGaN材料提供压应力，有利于位错抑制，可以提高外延层质量，因此优选设有衬底层1且衬底层1的材料为Sapphrie。
步骤二、在氮化铝层2上生长Mg掺杂的AlGaN材料，Mg掺杂的AlGaN层最终为金属面极性，得到掺杂外延层3。
通常该过程利用MOCVD的方法或者MBE的方法完成，生长温度优选为1100℃到1400℃。
步骤三、在掺杂外延层3上生长多层非故意掺杂AlxGa1-xN材料，多层非故意掺杂AlxGa1-xN材料的Al组分从下至上逐渐减少，形成渐变外延层4。
由于不同Al组分材料生长速率不同，渐变外延层4的AlxGa1-xN材料的生长分阶段进行，下一个阶段的温度较上一个阶段的温度低(可同时降低生长时间)，每一个阶段的生长都要保证温度稳定再进行，优选起始温度范围可以在1000-1400℃内。Al组分的改变通过改变TMAl的流量来实现，TMGa流量不改变，总的气流量保持不变。例如，渐变外延层4生长分五个阶段进行，即Al组分含量为0.5-0.4、0.4-0.3、0.3-0.2、0.2-0.1、0.1-0，从1200℃开始，1080℃结束，在每一个阶段内，温度不变，进入下一个阶段，生长温度相比上阶段降低30℃，生长时间缩短5s；每一个阶段的生长都要保证温度稳定再进行；Al组分的改变通过减少TMAl的流量来调剂，TMGa流量不改变。
Claims (9)
1.高迁移率高空穴浓度P型AlGaN材料，其特征在于，包括从下至上依次设置的氮化铝层(2)、掺杂外延层(3)和渐变外延层(4)；
所述氮化铝层(2)为Al极性面；
所述掺杂外延层(3)的材料为Mg掺杂的P型AlGaN，掺杂外延层(3)为金属面极性；
所述渐变外延层(4)为从下至上依次设置的多层结构，每层材料皆为非故意掺杂AlxGa1-xN材料，且多层非故意掺杂AlxGa1-xN材料的Al组分从下至上逐渐减少。
2.根据权利要求1所述的高迁移率高空穴浓度P型AlGaN材料，其特征在于，该P型AlGaN材料，还包括衬底层(1)，所述衬底层(1)设置在氮化铝层(2)的下表面上。
3.根据权利要求2所述的高迁移率高空穴浓度P型AlGaN材料，其特征在于，所述衬底层(1)的材料为蓝宝石、碳化硅或硅。
4.根据权利要求1所述的高迁移率高空穴浓度P型AlGaN材料，其特征在于，所述掺杂外延层(3)的厚度大于0小于等于1.5μm。
5.根据权利要求1所述的高迁移率高空穴浓度P型AlGaN材料，其特征在于，所述渐变外延层(4)的厚度在0.5至3μm之间。
6.权利要求1-5任何一项所述的高迁移率高空穴浓度P型AlGaN材料生长方法，步骤如下：
步骤一、无衬底层(1)时，直接取氮化铝材料作为氮化铝层(2)；
有衬底层(1)时，在衬底层(1)的表面生长氮化铝材料，得到氮化铝层(2)；
步骤二、在氮化铝层(2)上生长Mg掺杂的AlGaN材料，得到掺杂外延层(3)；
步骤三、在掺杂外延层(3)上生长多层非故意掺杂AlxGa1-xN材料，多层非故意掺杂AlxGa1-xN材料的Al组分从下至上逐渐减少，形成渐变外延层(4)；
所述渐变外延层(4)的生长分阶段进行，下一个阶段的温度较上一个阶段的温度低，每个Al组分的非故意掺杂AlxGa1-xN材料为一个阶段，每个阶段的生长都要保证温度稳定再进行。
7.根据权利要求6所述的高迁移率高空穴浓度P型AlGaN材料生长方法，其特征在于，在衬底层(1)的表面生长氮化铝材料的方法为金属有机化学气相沉积法或氢化物气相外延沉积法。
8.根据权利要求6所述的高迁移率高空穴浓度P型AlGaN材料生长方法，其特征在于，所述掺杂外延层(3)利用金属有机化学气相沉积法或分子束外延法生长。
9.根据权利要求6所述的高迁移率高空穴浓度P型AlGaN材料生长方法，其特征在于，所述渐变外延层(4)的生长，Al组分的改变通过改变TMAl的流量来实现，TMGa流量不改变，总的气流量保持不变。
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