專利名稱：一種用于氮化物半導體材料退火的新型加熱襯托的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及半導體材料技術領域，特別是一種用于氮化物半導體材料退火的新型加熱襯托。
背景技術：
GaN基氮化物半導體材料作為優(yōu)良的寬禁帶半導體材料在制作光電子器件和微電子器件方面具有巨大的潛力，獲得性能良好的p型GaN基材料是實現(xiàn)這些器件的關鍵技術之一。但是目前p型氮化物發(fā)展不成熟，MOCVD工藝生長Mg摻雜氮化物外延層時，作為載流氣體的H2以及反應物NH3和有機源分解出的H與Mg結合成Mg-H復合體而鈍化了氮化物外延層中的Mg受主，并且Mg形成的受主能級較深，這些影響使得Mg受主激活率很低，p型氮化物中的空穴濃度低，電阻率較大。GaN基光電子器件如光發(fā)射二極管和激光二極管，以及微電子器件如雙極型晶體管等性能由于目前p型GaN基材料性能差而受到嚴重影響。為了激活受主Mg原子，獲得p型材料，目前仍然普遍采用1992年日本發(fā)明的在N2氣氛下熱退火激活Mg原子方法，見S.Nakamura，T.Mukai，M.Senoh，et al.Thermalannealing effects on p-type Mg-doped GaN films.Jpn.J.Appl.Phys.1992，31L139。目前采用的退火設備是利用聚光腔內(nèi)的鹵鎢燈產(chǎn)生的光輻照，通過石英盒照射到樣品上，當聚光腔內(nèi)的石英架上的樣品是一光吸收體，腔內(nèi)的光線將被樣品吸收，光能轉化成熱能，樣品的溫度迅速升高從而達到退火的目的，用MOCVD技術在藍寶石襯底上外延生長的氮化物薄膜樣品吸收光能的能力很弱，樣品的加熱需要石英架上的加熱襯托吸熱來升溫。以前使用的加熱襯托為單晶硅片，對于Mg摻雜的p型GaN來說，使用Si片作為加熱熱源襯托在高溫下容易對退火外延膜產(chǎn)生污染，因為Si在GaN中是施主原子，當外延層與硅片在高溫下接觸時大量的Si原子進入Mg摻雜氮化物中造成補償；相對于金屬，單晶硅片是熱的不良導體，因此退火過程中升溫降溫所用的時間相對較長，這對退火時間的控制產(chǎn)生不良影響；另外，由于在升溫降溫過程中產(chǎn)生大量的熱應力，在應力馳豫時容易使晶片彎曲，因此單晶硅片經(jīng)過幾次高溫退火后，往往變得翹曲不平，這對退火的外延片的平整度產(chǎn)生不良影響，用金屬作襯托則大大降低這種不良影響。
發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)以上提出的問題，本實用新型的目的是提供一種Mg摻雜氮化物半導體材料退火時使用的新型加熱襯托，利用這種加熱襯托減少退火過程中襯托對外延片的不良影響，經(jīng)過適當?shù)臏囟?、時間退火后獲得高質量的p型氮化物外延膜。另外，這種加熱襯托也可用于其它半導體材料的退火過程。
這種利用新型的加熱襯托退火獲得高質量p型Mg摻雜氮化物外延片，其特征在于，由石英支架(10)、襯托(11)、藍寶石片(12)、樣品(13)、熱電偶(14)組成，襯托(11)位于石英支架(10)之上，藍寶石片(12)位于襯托(11)之上，熱電偶(14)位于襯托(11)之下，樣品(13)位于藍寶石片(12)之上，在快速退火設備中退火時，在石英架上放上金屬鉬片作為加熱襯托，將藍寶石片放于鉬片上，樣品氮化物外延層面朝下扣于藍寶石片上進行退火，樣品是p型Mg摻雜的氮化物材料，包括Mg摻雜GaN，InGaN，AlGaN，以及InAlGaN等氮化物半導體材料。在適當溫度、時間下退火后可獲得空穴濃度高、均勻性好、晶體質量高的p型氮化物薄膜。樣品也可以是其它化合物和元素半導體材料。圓形金屬Mo片的直徑根據(jù)退火設備中石英支架和外延片的尺寸大小進行加工，金屬Mo片的厚度在1-3mm左右。金屬鉬片的厚度在2mm左右。
該種襯托也可用于其它半導體材料的退火工藝過程中，如其它化合物和元素半導體材料。
本實用新型和現(xiàn)用的硅片襯托相比有以下優(yōu)點，不會對樣品產(chǎn)生污染，不存在造成p型GaN補償?shù)氖┲鱏i原子；升溫降溫快，更容易精確控制退火時間；多次高溫退火后不易變形，耐用。
圖1(a)是本實用新型俯視圖；圖1(b)是圖1(a)的A-A面剖視圖；圖2是p型Mg摻雜GaN樣品退火前后DCXRD搖擺曲線圖；圖3是p型Mg摻雜樣品退火前后光熒光測試結果圖。
具體實施方式
為進一步說明本實用新型的內(nèi)容，
以下結合附圖對本發(fā)明作一詳細的描述。
我們利用這種加熱襯托獲得了高質量p型Mg摻雜GaN外延片。采用MOCVD技術，在2英寸藍寶石襯底(0001)面上外延生長厚度約1.5um的高阻非摻雜GaN層，然后在上面外延生長厚度大約為0.5um的Mg摻雜GaN薄膜。
退火時采用RTP300型快速退火設備，采用金屬鉬片代替硅片作為加熱襯托，如圖1(a)、(b)所示，將金屬鉬片襯托(11)放在石英支架(10)上，然后將藍寶石片(12)放于鉬片襯托(11)上，樣品(13)外延層面朝下扣于藍寶石片(12)上進行退火。為了得到較佳的退火工藝，我們在650℃-1100℃的溫度范圍內(nèi)，采用不同溫度、不同退火時間分別對樣品進行退火處理，經(jīng)過多次實驗我們發(fā)現(xiàn)退火溫度在700℃以下時電阻率在30Ω·cm以上，在750℃以上退火，電阻率下降速度趨緩，到950℃其電阻率降到2.5Ω·cm。經(jīng)較低溫度退火后，樣品導電類型變?yōu)閜型，只是空穴濃度較低；在750℃以上溫度退火后，空穴濃度可達到1017上，并隨退火溫度的升高而增大；在950℃退火后，其空穴濃度可高達5×1017cm-3以上。以上結果說明采用這種新型襯托經(jīng)適當?shù)臏囟?、時間退火后可獲得空穴濃度高、電阻率低的p型GaN外延膜。(14)是熱電偶。
如圖2樣品退火前、后GaN(0002)面X-射線雙晶衍射搖擺曲線所示，退火前后樣品的半峰寬(FWHM)基本沒有變化，約為4弧分在Mg摻雜濃度較高和經(jīng)過高溫退火處理后樣品仍保持原生樣品的晶體質量，說明用這種新型襯托高溫退火后對樣品的晶體質量幾乎沒有不良影響。
根據(jù)圖3樣品退火前、后光熒光測試結果可看出采用這種新型襯托退火后發(fā)光峰位和退火前相比基本沒有變化，都在2.85eV左右，這個發(fā)光峰是由于深施主能級(DD)到MgGa受主能級間躍遷產(chǎn)生的，并且由于退火打破了Mg-H復合體，很大程度上消除了H對受主的鈍化作用，大量的受主Mg激活，使退火后的發(fā)光強度是退火前的8倍多，以上結果說明采用這種新型襯托退火后，樣品的發(fā)光性能得到了明顯提高。
權利要求1.一種氮化物材料退火時使用的新型加熱襯托，其特征是，由石英支架(10)、襯托(11)、藍寶石片(12)、樣品(13)、熱電偶(14)組成，襯托(11)位于石英支架(10)之上，藍寶石片(12)位于襯托(11)之上，熱電偶(14)位于襯托(11)之下，樣品(13)位于藍寶石片(12)之上，在石英支架上放上金屬鉬片作為加熱襯托，將藍寶石片放于鉬片上，氮化物外延層面朝下扣于藍寶石片上。
2.根據(jù)權利要求1所述的氮化物材料退火時使用的新型加熱襯托，其特征在于，選用金屬鉬片作為加熱襯托，金屬鉬片的厚度在2mm左右。
3.根據(jù)權利要求1所述的氮化物材料退火時使用的新型加熱襯托，其特征在于，退火材料是氮化物材料，包括Mg摻雜GaN，InGaN，AlGaN，以及InAlGaN等氮化物半導體材料。
專利摘要本實用新型涉及半導體材料技術領域，一種用于氮化物半導體材料退火的新型加熱襯托。由石英支架(10)、襯托(11)、藍寶石片(12)、樣品(13)、熱電偶(14)組成，襯托(11)位于石英支架(10)之上，藍寶石片(12)位于襯托(11)之上，熱電偶(14)位于襯托(11)之下，樣品(13)位于藍寶石片(12)之上。在氮化物材料退火處理時采用這種加熱襯托，氮化物在快速退火設備中退火時，在石英架上放上此種襯托作為加熱襯托，將藍寶石片放在此種襯托上，氮化物外延層面朝下扣于藍寶石片上進行退火，利用這種加熱襯托進行氮化物材料退火，可以減少退火過程中襯托對外延片的不良影響，提高退火均勻性，提高晶體質量。
文檔編號H01L21/02GK2819471SQ20052002308
公開日2006年9月20日 申請日期2005年7月7日 優(yōu)先權日2005年7月7日
發(fā)明者王曉亮, 冉軍學, 李建平, 胡國新, 王軍喜, 曾一平, 李晉閩 申請人:中國科學院半導體研究所