一种提高半绝缘氮化镓单晶电阻率均匀性的Fe掺杂方法技术

本发明专利技术公开了一种提高半绝缘氮化镓单晶电阻率均匀性的Fe掺杂方法。将表面清洁的蓝宝石衬底放入系统炉中，进行无Fe掺杂的GaN基片生长，GaN层厚度控制在5um内；通入二茂铁载气H2；通入NH3；通入HCl；共15分钟，生长温度1020℃，二茂铁源温度40℃；只通入二茂铁载气H2；通入NH3，共10分钟，进行1020℃下退火；交替重复步骤二与步骤三；总共生长两小时后，半绝缘GaN单晶生长完毕；降温取出GaN单晶片。通过该方法进行Fe元素的掺杂可以提高掺杂的均匀性，进而提高半绝缘GaN单晶电阻率的均匀性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及半导体材料制备技术，特别是涉及一种提高半绝缘氮化镓单晶电阻率均匀性的Fe掺杂方法。
技术介绍
第三代半导体材料GaN（氮化镓）作为氮化物材料的代表，其禁带宽度为3.4eV，具有较高的电子迁移率和热导率，化学稳定性强，无论是在光电子领域还是微电子领域都有很大的应用前景。其中GaN单晶衬底在微波功率器件研制中很受重视，是制作微波功率器件的理想衬底材料。GaN单晶材料的制备主要是利用HVPE（氢化物气相外延）生长方法，该方法获得的GaN单晶在不进行掺杂的条件下通常呈现低阻状态。而要想用于研制微波功率器件就必须大幅度提高电阻率实现半绝缘GaN，这就要对GaN进行深受主元素掺杂，通常选择Fe元素进行掺杂，其方法是在HVPE生长GaN单晶过程中引入二茂铁，二茂铁是通过载气载入生长炉腔体内的。要想提高GaN基微波功率器件的性能，就要提高半绝缘GaN衬底的质量，而其高电阻率的均匀性就是半绝缘GaN衬底重要的技术指标之一。因此，如何提高HVPE法生长半绝缘GaN单晶过程中Fe元素掺杂的均匀性，进而提高电阻率均匀性就显得十分重要。
技术实现思路
鉴于现有技术状况，本专利技术提供一种提高半绝缘氮化镓单晶电阻率均匀性的Fe掺杂方法。也就是在利用HVPE方法制备半绝缘GaN单晶材料过程中的一种Fe元素掺杂的方法。本专利技术采取的技术方案是：一种提高半绝缘氮化镓单晶电阻率均匀性的Fe掺杂方法，其特征在于，Fe掺杂方法有以下工艺步骤：步骤一.将表面清洁的蓝宝石衬底放入氢化物气相外延系统炉中，进行无Fe掺杂的氮化镓基片生长，氮化镓层厚度控制在5um以内；步骤二.进行Fe掺杂氮化镓单晶生长，通入二茂铁载气H2 ，流量100-120ml/min；通入NH3，流量1000-1100ml/min；通入HCl，流量50-55ml/min；三种气体共通入15分钟，单晶生长温度1020℃，二茂铁源温度40℃；步骤三.暂停Fe掺杂氮化镓单晶生长，只通入二茂铁载气H2 ，流量100-120ml/min，通入NH3 ，流量1000-1100ml/min，两种气体共通入10分钟，然后进行氮化镓退火；步骤四.交替重复步骤二与步骤三进行链式Fe掺杂半绝缘氮化镓单晶生长；步骤五.步骤二至步骤四总共生长时间两小时后，半绝缘氮化镓单晶生长完毕；步骤六.降温并取出氮化镓单晶片。本专利技术产生的有益效果是：通过该方法进行Fe元素的掺杂可以提高掺杂的均匀性，进而来提高半绝缘GaN单晶电阻率的均匀性。本专利技术主要是建立一种Fe掺杂工艺结构，进行链式的掺杂工艺。具体的讲就是在HVPE生长GaN单晶过程中不是一直进行GaN单晶原料气体（HCl）的通入，而是进行GaN单晶掺杂生长一段时间后，停止HCl的通入，只通入原料气NH3和携有二茂铁的载气进行退火扩散。如此反复进行周期性GaN掺杂生长和退火扩散。由于在进行Fe掺杂GaN生长过程中，快速的GaN生长会使Fe元素在GaN结晶时掺杂不均，容易形成Fe原子团簇现象，这就造成最终的电阻率均匀性较差。而如果采用此方法在GaN单晶生长一段时间后进行退火扩散，会使得部分GaN原子重新排列，减少缺陷的形成，同时使得团簇的Fe原子分散进入GaN晶格中，提高了Fe掺杂的均匀性，提高了半绝缘GaN的掺杂质量，电阻率可以达到1×108 Ω·cm以上。具体实施方式以下结合实施例对本专利技术做进一步说明。实施例：链式Fe掺杂方法进行半绝缘GaN单晶生长的工艺步骤：a)选取2英寸表面清洁的蓝宝石衬底，放入HVPE单晶炉中，进行无Fe掺杂的GaN基片生长，GaN层厚度控制在5um以内。b)进行Fe掺杂GaN单晶生长，通入二茂铁载气H2 （100ml/min），NH3（1000ml/min）、HCl（50ml/min）15分钟，单晶生长温度1020℃，二茂铁源温度40℃。c) 暂停Fe掺杂GaN单晶生长，只通入二茂铁载气H2 （100ml/min），NH3（1000ml/min）10分钟，进行GaN单晶1020℃下退火。d)交替重复b)步骤与c)步骤进行链式Fe掺杂半绝缘GaN单晶生长。e)总共生长时间两小时后半绝缘GaN单晶生长完毕。f)降温并取出GaN单晶片。将制备的半绝缘GaN单晶片进行非接触电阻率测试，全扫描电阻率在3×108 Ω·cm到5×108 Ω·cm之间，表面电阻率均匀性较高。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种提高半绝缘氮化镓单晶电阻率均匀性的Fe掺杂方法，其特征在于，Fe掺杂方法有以下工艺步骤：步骤一.将表面清洁的蓝宝石衬底放入氢化物气相外延系统炉中，进行无Fe掺杂的氮化镓基片生长，氮化镓层厚度控制在5um以内；步骤二.进行Fe掺杂氮化镓单晶生长，通入二茂铁载气H2 ，流量100‑120ml/min；通入NH3，流量1000‑1100ml/min；通入HCl，流量50‑55ml/min；三种气体共通入15分钟，单晶生长温度1020℃，二茂铁源温度40℃；步骤三.暂停Fe掺杂氮化镓单晶生长，只通入二茂铁载气H2 ，流量100‑120ml/min，通入NH3 ，流量1000‑1100ml/min，两种气体共通入10分钟，然后进行氮化镓退火；步骤四.交替重复步骤二与步骤三进行链式Fe掺杂半绝缘氮化镓单晶生长；步骤五.步骤二至步骤四总共生长时间两小时后，半绝缘氮化镓单晶生长完毕；步骤六.降温并取出氮化镓单晶片。

【技术特征摘要】
1.一种提高半绝缘氮化镓单晶电阻率均匀性的Fe掺杂方法，其特征在于，Fe掺杂方法有以下工艺步骤：步骤一.将表面清洁的蓝宝石衬底放入氢化物气相外延系统炉中，进行无Fe掺杂的氮化镓基片生长，氮化镓层厚度控制在5um以内；步骤二.进行Fe掺杂氮化镓单晶生长，通入二茂铁载气H2 ，流量100-120ml/min；通入NH3，流量1000-1100ml/min；通入HCl，流量50-55ml/min；三种气体共通入...

【专利技术属性】
技术研发人员：张嵩，陈建丽，刘兆枫，王再恩，杨丹丹，兰飞飞，徐世海，齐成军，王军山，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第四十六研究所，
类型：发明
国别省市：天津;12