專利名稱：改進p-GaN薄膜歐姆接觸的材料結(jié)構(gòu)及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域,尤其涉及一種改進P-GaN薄膜歐姆接觸的材料結(jié)構(gòu)及其制備方法。
背景技術(shù)：
氮化鎵(GaN)是一種寬禁帶的第三代半導(dǎo)體材料，其與銦和鋁組成的系列材料(包括氮化鋁、鋁鎵氮、銦鎵氮、氮化銦、鋁銦鎵氮)以其禁帶寬度大、光譜范圍寬(覆蓋了從紫外到紅外全波段)、耐高溫性和耐腐蝕性好，在發(fā)光二極管(LED)、藍光激光器(BlueLaser)、太陽能電池和紫外探測器等光電子學(xué)和微電子學(xué)領(lǐng)域內(nèi)有重要的應(yīng)用價值。目前人們已經(jīng)可以運用分子束外延(MBE)和金屬有機化學(xué)氣相外延(MOCVD)等生長方法制備出質(zhì)量較好的GaN薄膜。近年來GaN基材料和器件質(zhì)量不斷提升，已經(jīng)在LED和Blue Laser等方面實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，但是GaN基材料和器件仍有很多問題亟待解決，如GaN基材料的高濃度P型摻雜以及GaN基材料的接觸等制造工藝。由于歐姆接觸性能的好壞直接影響到器件的性能，低接觸電阻的歐姆接觸是實現(xiàn)高質(zhì)量器件的基礎(chǔ)。所以，為了制備高性能的GaN基器件，獲得低接觸電阻的歐姆接觸是在器件制備過程中必須解決的問題之一，特別是P-GaN薄膜的歐姆接觸。P-GaN薄膜由于其禁帶寬度較大，沒有一種金屬的功函數(shù)可以滿足與之形成歐姆接觸的要求，加之P-GaN空穴濃度無法再進一步升高(最大約為I X 1018cm_3)，這導(dǎo)致p-GaN薄膜的歐姆接觸無法簡單實現(xiàn)低接觸電阻。目前，常用的改善p-GaN歐姆接觸的方法有快速熱退火，選用多層金屬等方法，這些方法都是從接觸金屬和后續(xù)處理方面來改善歐姆接觸，而沒有利用P-GaN薄膜本身的性質(zhì)實現(xiàn)低接觸電阻的歐姆接觸。

發(fā)明內(nèi)容
(一 )要解決的技術(shù)問題有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于提出一種改進p-GaN薄膜歐姆接觸的材料結(jié)構(gòu)及其制備方法，以降低P-GaN薄膜與金屬的接觸電阻，改善P-GaN薄膜歐姆接觸的性能，其具有成本低、結(jié)構(gòu)與制造工藝簡單的優(yōu)點。( 二 )技術(shù)方案為達到上述目的，本發(fā)明提供了一種改進ρ-GaN薄膜歐姆接觸的材料結(jié)構(gòu)，該材料結(jié)構(gòu)包括:襯底I ;生長在該襯底I上的緩沖層2 ;生長在該緩沖層2上的n-GaN薄膜層3 ;生長在該n-GaN薄膜層3上的p-GaN薄膜層4 ；以及生長在該ρ-GaN薄膜層4上的重?fù)诫sp_GaN薄I吳層5。為達到上述目的，本發(fā)明還提供了一種制備權(quán)利要求1至10中任一項所述材料結(jié)構(gòu)的方法，該方法包括:在襯底上生長GaN緩沖層；在GaN緩沖層上生長摻Si的GaN薄膜層；在摻Si的GaN薄膜層上生長摻Mg的p-GaN薄膜層；在摻Mg的p-GaN薄膜層上低溫生長重?fù)組g的重?fù)诫sρ-GaN薄膜層；在重?fù)诫sρ-GaN薄膜層上利用電子束蒸發(fā)設(shè)備生長用于歐姆接觸電極的金屬層；以及對形成的器件進行快速熱退火合金化處理。(三)有益效果從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明具有以下有益效果:1、本發(fā)明提供改進ρ-GaN薄膜歐姆接觸的材料結(jié)構(gòu)及其制備方法，是在p_GaN薄膜與金屬之間插入一層很薄的具有大量缺陷的重?fù)诫sP-GaN層，通過低溫生長或者離子注入等方法使得重?fù)诫sP-GaN層內(nèi)擁有大量的缺陷能級，使得載流子可以通過變程跳躍或者缺陷能級輔助完成載流子輸運，進而可以降低其與接觸金屬的比接觸電阻率，改善P-GaN薄膜的歐姆接觸性能。2、本發(fā)明提供改進p-GaN薄膜歐姆接觸的材料結(jié)構(gòu)及其制備方法，由于該方法重復(fù)性好、工藝簡單以及能實現(xiàn)比接觸電阻率低的歐姆接觸，所以該方法可以廣泛應(yīng)用于GaN基半導(dǎo)體器件。



為進一步說明本發(fā)明的內(nèi)容及特點，以下結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明作一詳細(xì)的描述，其中:圖1是本發(fā)明提供的改進p-GaN薄膜歐姆接觸的材料結(jié)構(gòu)的示意圖；圖2是本發(fā)明提出的材料結(jié)構(gòu)在p++_GaN薄膜層的不同生長溫度情況下利用圓形傳輸線模型方法測試的擬合直線；圖3是本發(fā)明提供的制備圖1所示材料結(jié)構(gòu)的方法流程圖。
具體實施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明進一步詳細(xì)說明。如圖1所示，圖1是本發(fā)明提供的改進p-GaN薄膜歐姆接觸的材料結(jié)構(gòu)的示意圖，該材料結(jié)構(gòu)包括:襯底I ;生長在該襯底I上的緩沖層2 ;生長在該緩沖層2上的n-GaN薄膜層3 ;生長在該n-GaN薄膜層3上的p-GaN薄膜層4 ；以及生長在該ρ-GaN薄膜層4上的重?fù)诫sp-GaN薄膜層(p++-GaN薄膜層)5。其中，襯底I為藍寶石、硅、碳化硅、氮化鎵或砷化鎵材料，緩沖層2為500°C左右低溫生長的GaN或AlN緩沖層，n_GaN薄膜層3為摻Si雜質(zhì)的GaN薄膜層，ρ-GaN薄膜層4為摻Mg雜質(zhì)的GaN薄膜層,摻Mg雜質(zhì)的GaN薄膜層中摻入Mg雜質(zhì)的濃度為4X 1019cm_3,重?fù)诫sp-GaN薄膜層5為低溫生長的重?fù)诫sMg雜質(zhì)的GaN薄膜層，重?fù)诫sMg雜質(zhì)的GaN薄膜層中摻入Mg雜質(zhì)的濃度為5 X 102°cnT3,重?fù)诫sMg雜質(zhì)的GaN薄膜層的厚度為20nm-40nm之間，重?fù)诫sMg雜質(zhì)的GaN薄膜層的生長溫度不高于900°C。本發(fā)明對重?fù)組g雜質(zhì)的p++_GaN薄膜層的不同生長溫度進行了對比實驗，在其他生長條件和參數(shù)一致的情況下，其利用圓形傳輸線模型方法(CTML)做出的擬合直線如圖2所示，再根據(jù)CTML方法可計算出p++_GaN薄膜層生長溫度為1060°C、1000°C和900°C時，最終歐姆接觸的比接觸電阻率分別為為2X Kr2 Ω.οιι2、6.6Χ1(Γ3Ω.cm2和2.6X 1(Γ3 Ω.αιι2。同時我們還做了 P++_GaN薄膜層不同摻Mg雜質(zhì)濃度的對比實驗，其MOCVD中通入Mg的流量為560mL/min時，其IV特性曲線不是直線，呈現(xiàn)肖特基結(jié)的特性，說明沒有形成歐姆接觸，最終實驗結(jié)果如表I所示。從實驗結(jié)果可知，隨著p++_GaN薄膜層生長溫度降低其歐姆接觸的比接觸電阻率不斷下降，同時當(dāng)摻入Mg的量升高時，其歐姆接觸性能改善；而p++_GaN薄膜層生長溫度越低，或者摻入Mg的量越多，其薄膜中的缺陷密度越多，說明在P-GaN薄膜與金屬之間插入一層很薄的具有大量缺陷的重?fù)诫sP-GaN層能有效地改善ρ-GaN薄膜的歐姆接觸性能。
權(quán)利要求
1.一種改進ρ-GaN薄膜歐姆接觸的材料結(jié)構(gòu),其特征在于,該材料結(jié)構(gòu)包括: 襯底⑴； 生長在該襯底⑴上的緩沖層⑵； 生長在該緩沖層(2)上的n-GaN薄膜層(3)； 生長在該n-GaN薄膜層(3)上的ρ-GaN薄膜層(4);以及 生長在該P-GaN薄膜層(4)上的重?fù)诫sρ-GaN薄膜層(5)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的改進P-GaN薄膜歐姆接觸的材料結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述襯底(1)為藍寶石、硅、碳化硅、氮化鎵或砷化鎵材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的改進P-GaN薄膜歐姆接觸的材料結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述緩沖層⑵為500°C低溫生長的GaN或AlN緩沖層。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的改進P-GaN薄膜歐姆接觸的材料結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述n-GaN薄膜層(3)為摻Si雜質(zhì)的GaN薄膜層。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的改進P-GaN薄膜歐姆接觸的材料結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述P-GaN薄膜層(4)為摻Mg雜質(zhì)的GaN薄膜層。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的改進ρ-GaN薄膜歐姆接觸的材料結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述摻Mg雜質(zhì)的GaN薄膜層中摻入Mg雜質(zhì)的濃度為4X 1019cm_3。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的改進P-GaN薄膜歐姆接觸的材料結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述重?fù)诫sP-GaN薄膜層(5)為低溫生長的重?fù)诫sMg雜質(zhì)的GaN薄膜層。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的改進ρ-GaN薄膜歐姆接觸的材料結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述重?fù)诫sMg雜質(zhì)的GaN薄膜層中摻入Mg雜質(zhì)的濃度為5X 102°cm_3。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的改進p-GaN薄膜歐姆接觸的材料結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述重?fù)诫sMg雜質(zhì)的GaN薄膜層的厚度為20nm-40nm之間。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的改進p-GaN薄膜歐姆接觸的材料結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述重?fù)诫sMg雜質(zhì)的GaN薄膜層的生長溫度不高于900°C。
11.一種制備權(quán)利要求1至10中任一項所述材料結(jié)構(gòu)的方法,其特征在于,該方法包括: 在襯底上生長GaN緩沖層； 在GaN緩沖層上生長摻Si的GaN薄膜層； 在摻Si的GaN薄膜層上生長摻Mg的p-GaN薄膜層； 在摻Mg的p-GaN薄膜層上低溫生長重?fù)組g的重?fù)诫sp-GaN薄膜層； 在重?fù)诫sP-GaN薄膜層上利用電子束蒸發(fā)設(shè)備生長用于歐姆接觸電極的金屬層；以及 對形成的器件進行快速熱退火合金化處理。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，所述在襯底上低溫生長GaN緩沖層的步驟，是采用外延設(shè)備MOCVD或MBE在襯底上低溫生長GaN緩沖層。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，所述在摻Mg的p-GaN薄膜層上低溫生長重?fù)組g的重?fù)诫sp-GaN薄膜層的步驟中，生長溫度為不高于900°C，重?fù)诫sρ-GaN薄膜層的厚度為25nm，Mg的摻雜濃度為5X 102°cnT3。
14.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，所述在重?fù)诫sP-GaN薄膜層上利用電子束蒸發(fā)設(shè)備生長用于歐姆接觸電極的金屬層的步驟中， 金屬為Ni/Au，厚度分別為15nm和50nmo
15.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，所述對形成的器件進行快速熱退火合金化處理的步驟中，具體工藝為:退火氣氛中N2與O2比例為2: 1，退火溫度為550°C，退火時間為5分鐘 。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種改進p-GaN薄膜歐姆接觸的材料結(jié)構(gòu)及其制備方法，該材料結(jié)構(gòu)包括襯底(1)；生長在該襯底(1)上的緩沖層(2)；生長在該緩沖層(2)上的n-GaN薄膜層(3)；生長在該n-GaN薄膜層(3)上的p-GaN薄膜層(4)；以及生長在該p-GaN薄膜層(4)上的重?fù)诫sp-GaN薄膜層(5)。本發(fā)明是在p-GaN薄膜與金屬之間插入一層很薄的具有大量缺陷的重?fù)诫sp-GaN層，通過低溫生長或者離子注入等方法使得重?fù)诫sp-GaN層內(nèi)擁有大量的缺陷能級，使得載流子可以通過變程跳躍或者缺陷能級輔助完成載流子輸運，進而可以降低其與接觸金屬的比接觸電阻率，改善p-GaN薄膜的歐姆接觸性能。
文檔編號H01L29/45GK103077964SQ201310020078
公開日2013年5月1日 申請日期2013年1月18日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月18日
發(fā)明者吳亮亮, 趙德剛, 江德生, 劉宗順, 陳平, 李亮, 樂伶聰, 楊輝 申請人:中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所