本發(fā)明涉及激勵(lì)砷化鎵中金屬雜質(zhì)擴(kuò)散的方法，特別涉及一種在室溫而非高溫的環(huán)境下激勵(lì)砷化鎵單晶中的金屬原子擴(kuò)散的方法。

背景技術(shù)：

砷化鎵中含有如錳、鉻、鎂，鋅和鋁等微量金屬雜質(zhì)，且器件在制備過程中不可避免地?fù)竭M(jìn)一些金屬雜質(zhì)，特別是過渡金屬雜質(zhì)在砷化鎵中往往表現(xiàn)為深能級(jí)中心并且對(duì)材料的電學(xué)性質(zhì)有很大影響。深能級(jí)中心可以影響器件的性能和可靠性。它的存在有利有弊，有些金屬雜質(zhì)會(huì)補(bǔ)償決定材料導(dǎo)電類型和導(dǎo)電率的淺雜質(zhì)，并降低非平衡載流子壽命，對(duì)砷化鎵材料和器件的性能有不利影響。另一方面，在有些砷化鎵器件的制造過程中，過渡金屬雜質(zhì)在砷化鎵中的擴(kuò)散是不可少的一步。例如，鉻在砷化鎵器件中能級(jí)位于禁帶中央附近，摻入后可補(bǔ)償淺雜質(zhì)，使GaAs變成電阻率很高的半絕緣GaAs。

金屬雜質(zhì)在砷化鎵中的室溫?cái)U(kuò)散系數(shù)很小，室溫下，砷化鎵中幾乎觀察不到金屬雜質(zhì)的擴(kuò)散。金屬雜質(zhì)在高溫才有明顯的擴(kuò)散，擴(kuò)散的溫度往往高達(dá)七八百攝氏度。由于砷化鎵中的砷易揮發(fā)性，當(dāng)溫度接近700攝氏度時(shí)，砷的揮發(fā)使砷化鎵單晶產(chǎn)生大量砷空位，可能導(dǎo)致砷化鎵材料和器件的性能嚴(yán)重退化。為在砷化鎵中進(jìn)行雜質(zhì)的高溫?cái)U(kuò)散，須在其表面生長(zhǎng)一層二氧化硅或氮化硅等介質(zhì)保護(hù)膜。即使這樣，高溫下，砷化鎵中的鎵和砷容易和氧發(fā)生反應(yīng)，另外，雜質(zhì)和缺陷之間也可能發(fā)生相互作用，從而引入了新的雜質(zhì)-缺陷復(fù)合物，影響砷化鎵材料和器件的性能。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種在室溫環(huán)境下簡(jiǎn)單便捷的激勵(lì)砷化鎵材料中金屬原子擴(kuò)散的方法。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種激勵(lì)砷化鎵中金屬原子擴(kuò)散的方法，在室溫環(huán)境下對(duì)砷化鎵材料或砷化鎵器件進(jìn)行電感耦合等離子體(Inductively Coupled Plasma，以下簡(jiǎn)稱ICP)處理，激勵(lì)砷化鎵中的金屬原子發(fā)生擴(kuò)散。

ICP處理的載氣為惰性氣體，例如氦氣，真空度至少為1E-2Pa，通常在5E-3Pa左右。

進(jìn)一步的，ICP處理的功率為50～5000W，優(yōu)選為100～1000W，更優(yōu)選為500～1000W；處理時(shí)間為30sec～30min，優(yōu)選為1min～5min。

所述金屬原子包括過渡金屬原子和非過渡金屬原子，過渡金屬原子包括Ti、Cr、Fe、Cu等過渡金屬原子，非過渡金屬原子包括Al、Ca、Mg、Li等非過渡金屬原子。

實(shí)驗(yàn)證據(jù)表明，較大功率的ICP處理不僅能夠在砷化鎵材料(或砷化鎵器件)的表面形成缺陷區(qū)，而且還能驅(qū)動(dòng)許多金屬雜質(zhì)向所形成的表面缺陷區(qū)擴(kuò)散。也就是說，室溫環(huán)境下，采用較大功率的ICP處理可以激勵(lì)砷化鎵中金屬原子擴(kuò)散。

本發(fā)明的室溫環(huán)境下通過ICP激勵(lì)砷化鎵中金屬原子擴(kuò)散的方法，其可能的原理如下：

以載氣為氦氣為例，在ICP處理過程中，ICP中13.6MHz射頻和磁場(chǎng)將電子加速，電子與載氣中He原子碰撞，將其離化成He⁺離子和電子等離子體。砷化鎵片受He⁺離子轟擊，其表面形成許多空位型缺陷。在等離子體中電子溫度很高，可達(dá)2000-10000K。等離子體中的正離子和電子撞擊砷化鎵片表面，導(dǎo)致表面空位型缺陷區(qū)。在砷化鎵中金屬雜質(zhì)主要以代位形式存在：雜質(zhì)原子M處于Ga原子位，記為M_Ga；M取代As原子位，記為M_As。雜質(zhì)原子處于間隙時(shí)記為M_I。處于代位的雜質(zhì)原子濃度[M_Ga]﹢[M_As]>>M處于間隙的濃度[M_I]。在砷化鎵中M_I的擴(kuò)散系數(shù)大于M_Ga和M_As的擴(kuò)散系數(shù)，這是因?yàn)樘幱诖坏碾s質(zhì)原子的擴(kuò)散要以近鄰存在空位為前提，而M_I的擴(kuò)散不需要此前提。由液封直拉法生長(zhǎng)的砷化鎵中體內(nèi)含氧量為10¹⁶cm^-3左右，砷化鎵中大部分金屬雜質(zhì)Fe、Mn、Cr等金屬原子易被氧化，金屬雜質(zhì)原子與氧結(jié)合后形成金屬雜質(zhì)氧化物，其擴(kuò)散系數(shù)遠(yuǎn)比代位的金屬雜質(zhì)為低。當(dāng)ICP產(chǎn)生的空位V_Ga和V_As運(yùn)動(dòng)到上述氧化物旁邊時(shí)，鎵空位和砷空位將氧化物中的氧奪去，形成氧空位V_GaO或V_AsO，而M被還原，進(jìn)入代位位置，成為M_Ga或M_As，它們的擴(kuò)散系數(shù)遠(yuǎn)大于金屬雜質(zhì)氧化物。另外，ICP產(chǎn)生的空位型缺陷能產(chǎn)生大量空位，其存在大大有利于代位金屬雜質(zhì)原子在硅中擴(kuò)散，使室溫?cái)U(kuò)散成為可能。

如前所述，ICP處理的砷化鎵表面存在許多空位型缺陷，M_I進(jìn)入這些缺陷，其濃度降低，導(dǎo)致表面M_I的密度比體內(nèi)為少，這就解釋了該實(shí)驗(yàn)中金屬原子的擴(kuò)散方向是從體內(nèi)到表面。

本發(fā)明在室溫環(huán)境下利用較大功率的電感耦合等離子體來處理砷化鎵樣品，激勵(lì)了金屬原子的擴(kuò)散。由于本方法在室溫環(huán)境下實(shí)現(xiàn)，不僅有可能用于改善砷化鎵材料的性能，還可能用于改善砷化鎵器件的性能。

附圖說明

圖1.ICP 750W 2min處理和不做任何處理的n型砷化鎵中Mn原子濃度分布的SIMS測(cè)量結(jié)果。

圖2.ICP 750W 2min處理和不做任何處理的n型砷化鎵中Cr原子濃度分布的SIMS測(cè)量結(jié)果。

圖3.ICP 750W 2min處理和不做任何處理的n型砷化鎵中Mg原子濃度分布的SIMS測(cè)量結(jié)果。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明，但不以任何方式限制本發(fā)明的范圍。

實(shí)施例1：

選用液封直拉法生長(zhǎng)的n型砷化鎵單晶，單面拋光，電阻率10⁶Ω·cm。首先將砷化鎵用丙酮、乙醇、去離子水分別進(jìn)行超聲清洗10min。接著對(duì)砷化鎵片的拋光面進(jìn)行ICP處理，載氣為氦氣，流量22sccm，真空度5E-3Pa左右，處理時(shí)間2min，功率選用750W。之后利用SIMS手段得到經(jīng)ICP處理后的樣品中Mn雜質(zhì)濃度隨深度的分布，結(jié)果如圖1所示。由圖1可以看出，表面附近Mn的濃度大大增加，說明體內(nèi)的Mn在ICP激勵(lì)下從體內(nèi)擴(kuò)散到表面，從而證實(shí)了室溫環(huán)境下ICP激勵(lì)砷化鎵中Mn雜質(zhì)的擴(kuò)散。

實(shí)施例2：

選用液封直拉法生長(zhǎng)的n型砷化鎵單晶，單面拋光，電阻率10⁶Ω·cm。首先將砷化鎵用丙酮、乙醇、去離子水分別進(jìn)行超聲清洗10min。接著對(duì)砷化鎵片的拋光面進(jìn)行ICP處理，載氣為氦氣，流量22sccm，真空度5E-3Pa左右，處理時(shí)間2min，功率選用750W。之后利用SIMS手段得到經(jīng)ICP處理后的樣品中Cr雜質(zhì)濃度隨深度的分布，結(jié)果如圖2所示。由圖2可以看出，表面附近Cr的濃度大大增加，說明體內(nèi)的Cr在ICP激勵(lì)下從體內(nèi)擴(kuò)散到表面，從而證實(shí)了室溫環(huán)境下ICP激勵(lì)砷化鎵中Cr雜質(zhì)擴(kuò)散。

實(shí)施例3：

選用液封直拉法生長(zhǎng)的n型砷化鎵單晶，單面拋光，電阻率10⁶Ω·cm。首先將砷化鎵用丙酮、乙醇、去離子水分別進(jìn)行超聲清洗10min。接著對(duì)砷化鎵片的拋光面進(jìn)行ICP處理， 載氣為氦氣，流量22sccm，真空度5E-3Pa左右，處理時(shí)間2min，功率選用750W。之后利用SIMS手段得到經(jīng)ICP處理后的樣品中Mg雜質(zhì)濃度隨深度的分布，結(jié)果如圖3所示。由圖3可以看出，表面附近Mg的濃度大大增加，說明體內(nèi)的Mg在ICP激勵(lì)下從體內(nèi)擴(kuò)散到表面，從而證實(shí)了室溫環(huán)境下ICP激勵(lì)砷化鎵中Mg雜質(zhì)的擴(kuò)散。