專利名稱：一種減小Mg記憶效應(yīng)的GaN基pn結(jié)的生長(zhǎng)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體材料技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種可以減小Mg記憶效應(yīng)的GaN基pn結(jié)的生長(zhǎng)方法。
背景技術(shù)：
III-氮化物是繼Si、GaAs等第一、第二代半導(dǎo)體材料之后的第三代新型半導(dǎo)體材料，其中GaN作為寬禁帶半導(dǎo)體材料有許多優(yōu)點(diǎn)，諸如飽和漂移速度高，擊穿電壓大，載流子輸運(yùn)性能優(yōu)異以及能夠形成AlGaN、InGaN三元合金和AlInGaN四元合金等，容易制作GaN基的pn結(jié)。鑒于此，近幾年來GaN基材料和器件得到了廣泛和深入的研究，MOCVD技術(shù)生長(zhǎng)GaN基材料日趨成熟；在器件研究方面，GaN基LED、LDs等光電子器件以及GaN基HEMT等微電子器件方面的研究都取得了顯著的成績(jī)和長(zhǎng)足的發(fā)展。目前GaN基器件結(jié)構(gòu)材料生長(zhǎng)的難點(diǎn)之一是生長(zhǎng)高性能的GaN基pn結(jié)(n型層在p型層之上)，造成這一難點(diǎn)的主要原因是由于p型GaN生長(zhǎng)中存在Mg的記憶效應(yīng)。MOCVD技術(shù)生長(zhǎng)p型GaN基材料時(shí)，由于MOCVD生長(zhǎng)環(huán)境中存在大量的H，GaN中的受主摻雜劑Mg被大量H鈍化而不產(chǎn)生空穴，使得激活處理后自由空穴濃度比Mg原子摻雜濃度低2-3個(gè)數(shù)量級(jí)。因此為了獲得足夠的空穴濃度，需要很大的摻雜濃度，并且由于p型摻雜劑Mg的有機(jī)金屬化合物是二戊鎂(Cp2Mg)，這種化合物飽和蒸汽壓低、表面附著性強(qiáng)，即使關(guān)閉有機(jī)源，在生長(zhǎng)室及材料表面還會(huì)有大量的殘留，因此在p型層生長(zhǎng)完后，會(huì)在材料表面產(chǎn)生富鎂層，并且大量的Mg原子會(huì)進(jìn)入在其上面生長(zhǎng)的n型層，造成pn結(jié)結(jié)面模糊并使得部分n型層被補(bǔ)償，嚴(yán)重時(shí)造成pn結(jié)失效。正是由于存在這一難點(diǎn)，使得含有pn結(jié)(n型層在p型層之上)的GaN基器件研究滯后，發(fā)展緩慢，例如GaN基雙極晶體管(BJTs和HBTs)。為了克服這一難點(diǎn)，目前采取的措施主要有生長(zhǎng)完p型層后用不含有Mg原子的氣體長(zhǎng)時(shí)間吹掃烘烤生長(zhǎng)室和襯托，以減少殘余Mg，見D.J.H.Lambert，D.E.Lin，R.D.Dupuis.Simulation of the electrical characteristics of AlGaN/GaNheterojunction bipolar transistors.Solid-State Electron.2000，44253；或采用二次外延方法，即生長(zhǎng)完p型層后從生長(zhǎng)室中取出，放入沒有使用Mg源的生長(zhǎng)室中再生長(zhǎng)n型層或者采用MBE技術(shù)二次外延n型層，見Lee S.McCarthy，Ioulia P.Smorchkova，Huili Xing，et.al，GaN HBTToward an RF Device.IEEE Trans Electron Dev，48543，2001。但是由于進(jìn)入n型層中的Mg原子與生長(zhǎng)p型層時(shí)形成的富Mg層中Mg的重新分配有很大關(guān)系，因此長(zhǎng)時(shí)間吹掃生長(zhǎng)室或采用二次外延的方法對(duì)減少M(fèi)g的記憶效應(yīng)效果不明顯，并且造成生長(zhǎng)工藝上的復(fù)雜性，容易導(dǎo)致二次生長(zhǎng)層晶體質(zhì)量下降，使pn結(jié)性能降低。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)以上提出的問題，本發(fā)明的目的是提供一種可以減小Mg記憶效應(yīng)的GaN基pn結(jié)的新型生長(zhǎng)方法。利用此方法在生長(zhǎng)GaN基pn結(jié)時(shí)可以使因Mg的記憶效應(yīng)造成的表面富Mg層控制在p型層中并且減小Mg進(jìn)入n型層中的濃度，增加pn結(jié)結(jié)面的p型摻雜陡峭性，從而提高pn結(jié)性能。
這種減小Mg記憶效應(yīng)的GaN基pn結(jié)生長(zhǎng)方法的主要特征是在生長(zhǎng)Mg摻雜p型GaN層時(shí)，提前適當(dāng)時(shí)間關(guān)閉Cp2Mg源，并在p型層上低溫生長(zhǎng)一薄層GaN，然后再生長(zhǎng)n型層，從而可以有效減小Mg的記憶效應(yīng)對(duì)pn造成的不良影響。適當(dāng)時(shí)間可設(shè)定為0.5-3分鐘，這一提前時(shí)間可根據(jù)Cp2Mg源流量、生長(zhǎng)速度等生長(zhǎng)參數(shù)的不同而進(jìn)行調(diào)整。
這種生長(zhǎng)方法的進(jìn)一步具體特征是，生長(zhǎng)Mg摻雜p型GaN層時(shí)，在設(shè)定的p型區(qū)生長(zhǎng)完之前提前關(guān)閉Cp2Mg源，并保持其它生長(zhǎng)條件可以不變的情況下繼續(xù)生長(zhǎng)p型區(qū)，也可以在不含有Mg源的氣氛下吹掃一段時(shí)間，進(jìn)一步降低Mg的殘留，然后按原條件將p型層生長(zhǎng)完；這樣生長(zhǎng)的目的就是將因Mg記憶效應(yīng)產(chǎn)生的富Mg層控制在p型層內(nèi)。在p型層生長(zhǎng)完成后，將生長(zhǎng)室溫度降低，在550℃-850℃范圍內(nèi)生長(zhǎng)3-10nm左右非摻雜GaN層，生長(zhǎng)低溫覆蓋層是為了防止Mg原子從富鎂層中逸出而進(jìn)入下面生長(zhǎng)的n型層中，可以起到降低Mg記憶效應(yīng)的目的。生長(zhǎng)完低溫覆蓋層后再生長(zhǎng)n型氮化物層。由于低溫生長(zhǎng)GaN外延膜有機(jī)物分解不充分以及化學(xué)合成反應(yīng)緩慢等原因會(huì)造成材料中產(chǎn)生較多的缺陷，因此在p型層上生長(zhǎng)低溫非摻雜GaN時(shí)，為了提高低溫層晶體質(zhì)量，可以采用分解溫度低的三乙基鎵作為鎵的金屬有機(jī)源。
本生長(zhǎng)方法可以減少GaN基pn結(jié)生長(zhǎng)時(shí)Mg的記憶效應(yīng)，和傳統(tǒng)的連續(xù)生長(zhǎng)n-AlGaN/p-GaN結(jié)構(gòu)對(duì)比，二次離子質(zhì)譜結(jié)果得出通過用本方法生長(zhǎng)的AlGaN/GaN pn結(jié)中的p型層中的富鎂層沒有像傳統(tǒng)方法那樣大量進(jìn)入n型AlGaN層中，而是在pn結(jié)結(jié)面處停止，并且Mg在n型AlGaN中的背景濃度延遲顯著下降，p型摻雜界面陡峭度由通常的110nm/decade下降為60nm/decade。因此采用這種新型生長(zhǎng)方法，可降低Mg的記憶效應(yīng)，從而提高GaN基pn結(jié)的界面摻雜陡峭度，改善pn結(jié)性能。


圖1是npn型AlGaN/GaN HBTs結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明pn結(jié)生長(zhǎng)順序示意圖；圖3是樣品一的SIMS圖譜；圖4是樣品二的SIMS圖譜；圖5是樣品三的SIMS圖譜。
具體實(shí)施例方式
為進(jìn)一步說明本發(fā)明的內(nèi)容，以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作一詳細(xì)的描述。
我們采用MOCVD技術(shù)，在2英寸藍(lán)寶石襯底(0001)面上生長(zhǎng)了npn型AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)雙極晶體管(HBT)材料，結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。
其中樣品一在生長(zhǎng)發(fā)射結(jié)時(shí)采用了本發(fā)明的生長(zhǎng)方法，按如圖2所示的生長(zhǎng)順序來生長(zhǎng)發(fā)射結(jié)，即生長(zhǎng)Mg摻雜p型GaN層時(shí)，在p型區(qū)10生長(zhǎng)完后關(guān)閉Cp2Mg源，然后保持其它生長(zhǎng)條件不變的情況下繼續(xù)生長(zhǎng)外延層11，生長(zhǎng)時(shí)間約為2min，厚度約為10nm左右，可使得因Mg記憶效應(yīng)產(chǎn)生的富Mg層控制在p型層內(nèi)。
在p型層生長(zhǎng)完成后，降低生長(zhǎng)室溫度，在550℃生長(zhǎng)8nm左右非摻雜GaN低溫覆蓋層12，同時(shí)也作為發(fā)射區(qū)和基區(qū)的隔離層，然后再生長(zhǎng)n型發(fā)射層13和發(fā)射極帽層。
圖3是采用這種方法生長(zhǎng)的發(fā)射結(jié)中Al和Mg組分二次離子質(zhì)譜分析結(jié)果，從圖中可以看出p型基區(qū)表面BB′區(qū)域?yàn)楦绘V層，由于提前關(guān)閉鎂源，富鎂層位于n型AlGaN生長(zhǎng)之前(圖中A位置表示AlGaN開始生長(zhǎng))，記憶效應(yīng)引起的Mg元素二次離子質(zhì)譜譜線拖尾(摻雜濃度變化)可以用來評(píng)估結(jié)面摻雜的陡峭度，圖3中結(jié)面摻雜濃度變化約為60nm/decade。
為了顯示出這種生長(zhǎng)方法的優(yōu)越性，我們用兩種不同的方法生長(zhǎng)了兩個(gè)樣品(樣品二和三)，以便與用我們發(fā)明的方法所生長(zhǎng)的樣品(樣品一)進(jìn)行對(duì)比。第一種生長(zhǎng)方法為連續(xù)生長(zhǎng)(樣品二)，即不提前關(guān)閉Mg源，而且在生長(zhǎng)完p型層后，發(fā)射區(qū)和基區(qū)的隔離層采用高溫生長(zhǎng)(1000℃左右)，這種方法生長(zhǎng)的發(fā)射結(jié)中Al和Mg組分二次離子質(zhì)譜分析結(jié)果如圖4所示，可看出BB′富鎂層與AlGaN層出現(xiàn)重疊，說明Mg記憶效應(yīng)引起的富鎂層出現(xiàn)在發(fā)射區(qū)，這將造成pn結(jié)的嚴(yán)重補(bǔ)償，而且結(jié)面摻雜濃度變化約為90nm/decade；第二種生長(zhǎng)方法(樣品三)是在基區(qū)生長(zhǎng)完之前提前一定時(shí)間關(guān)閉了Mg源，然后其它生長(zhǎng)參數(shù)不變將基區(qū)生長(zhǎng)完，在生長(zhǎng)發(fā)射區(qū)和基區(qū)的隔離層時(shí)采用高溫生長(zhǎng)(1000℃左右)，用這種方法生長(zhǎng)的發(fā)射結(jié)中Al和Mg組分二次離子質(zhì)譜分析結(jié)果如圖5所示，可看出BB′富鎂層與AlGaN層基本沒有出現(xiàn)重疊，說明提前適當(dāng)時(shí)間關(guān)閉Mg源可以有效防止富鎂層產(chǎn)生在n型層中而引起pn結(jié)補(bǔ)償甚至失效，但由于沒有使用本發(fā)明中采用的低溫生長(zhǎng)隔離層，Mg元素在n形層中的拖尾依然較嚴(yán)重，pn結(jié)結(jié)面摻雜濃度變化約為85nm/decade。用以上兩種方法生長(zhǎng)的pn結(jié)結(jié)面摻雜陡峭度明顯差于本發(fā)明中所采用的方法所生長(zhǎng)的pn結(jié)結(jié)面摻雜陡峭度(Mg摻雜濃度變化約為60nm/decade)。
因此采用提前關(guān)閉Cp2Mg源并低溫生長(zhǎng)覆蓋層的方法，有效減小了Mg在pn結(jié)結(jié)面的記憶效應(yīng)。
權(quán)利要求
1.一種可以減小Mg記憶效應(yīng)的GaN基pn結(jié)的生長(zhǎng)方法，其主要特征是，在生長(zhǎng)Mg摻雜p型GaN層時(shí)，提前適當(dāng)時(shí)間關(guān)閉Cp2Mg源，并在p型層上低溫生長(zhǎng)一薄層GaN，然后再生長(zhǎng)n型層，從而可以有效減小Mg記憶效應(yīng)對(duì)pn造成的不良影響。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可以減小Mg記憶效應(yīng)的GaN基pn結(jié)的生長(zhǎng)方法，其特征在于，生長(zhǎng)Mg摻雜p型GaN層時(shí)，在設(shè)定的p型區(qū)生長(zhǎng)完之前提前適當(dāng)時(shí)間關(guān)閉Cp2Mg源，其它生長(zhǎng)條件不變繼續(xù)生長(zhǎng)p型層，適當(dāng)時(shí)間可設(shè)定為0.5-3分鐘，這一提前時(shí)間可根據(jù)Cp2Mg源流量、生長(zhǎng)速度等生長(zhǎng)參數(shù)的不同而進(jìn)行調(diào)整。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可以減小Mg記憶效應(yīng)的GaN基pn結(jié)的生長(zhǎng)方法，其特征在于，p型層生長(zhǎng)完成后，將生長(zhǎng)室溫度降低，在550℃-850℃范圍內(nèi)生長(zhǎng)3-10nm左右非摻雜GaN層，然后再生長(zhǎng)n型氮化物層。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的可以減小Mg記憶效應(yīng)的GaN基pn結(jié)的生長(zhǎng)方法，其特征在于，在p型層上生長(zhǎng)低溫非摻雜GaN層時(shí)，為了提高低溫層晶體質(zhì)量，可以采用三乙基鎵作為鎵的金屬有機(jī)源。
全文摘要
本發(fā)明涉及III－氮化物半導(dǎo)體材料技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種可以減小Mg記憶效應(yīng)的GaN基pn結(jié)的生長(zhǎng)方法。采用提前關(guān)閉Cp
文檔編號(hào)H01L21/20GK1892985SQ20051001210
公開日2007年1月10日 申請(qǐng)日期2005年7月7日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月7日
發(fā)明者冉軍學(xué), 王曉亮, 李建平, 胡國新, 王軍喜, 王翠梅, 曾一平 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所