一种在室温环境下向氮化镓中引入杂质的方法技术

本发明专利技术公布了一种在室温环境下向氮化镓材料引入杂质的方法，将待掺杂的氮化镓材料或器件和固态杂质源都置于利用射频在惰性气体中产生的等离子体中，使固态杂质源的原子和/或离子进入等离子体，杂质原子和/或离子与等离子体中正离子和电子碰撞获得动能，从而进入到氮化镓材料或器件中。该方法既便捷又经济，其特点是样品表面掺杂浓度较高，可实现超浅深度掺杂，并且可同时引进多种杂质，无刻蚀作用，不仅适用于氮化镓薄膜或晶片的掺杂，还可对部分完成的氮化镓器件进行掺杂。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及半导体
，具体涉及一种低成本，无刻蚀作用，同时适用于材料和器件的在室温下向氮化镓中掺入杂质的方法。
技术介绍
氮化镓是一种重要的半导体材料，在发光和微波领域中已被广泛应用。氮化镓中杂质对氮化镓的性质有十分重要的影响，离开了杂质，氮化镓很少有什么应用。刚生长出来的未故意掺杂的氮化镓一般呈N型，向其中引入二族元素铍、镁等杂质可得到p型氮化镓，而向其中引入四族元素硅等杂质会增加n型氮化镓中电子的浓度。在n型氮化镓表面引入足够浓度的受主杂质，或在p型氮化镓表面引入足够浓度的施主杂质都可以得到氮化镓p-n结，它是许多氮化镓器件的基础。将铁掺入氮化镓中，其深受主能级位于氮化镓禁带中央附近，由于铁深受主对浅施主的补偿作用，可得到电阻率很高的半绝缘氮化镓。半绝缘氮化镓是高速、高频器件及电路、光电集成电路的重要衬底材料。离子注入和高温扩散是半导体掺杂的主要方法。一直到20世纪七十年代，杂质掺杂主要靠高温扩散来完成，在这种掺杂方法中杂质的分布主要是由扩散温度与扩散时间决定。离子注入工艺中掺杂离子以离子束的形式注入到半导体中，杂质分布主要由注入能量和离子种类决定。对于氮化镓的高温扩散掺杂工艺而言，需要采用特定措施来防止氮的蒸发，否则氮和镓数量之比会严重偏离1:1。另一方面，由于离子注入会在氮化镓中造成大量晶格缺陷，消除这些缺陷需要对氮化镓进行退火处理，与前述高温扩散一样，退火过程的高温会使氮蒸发，须在氮化镓表面加上保护层后再退火。生长保护层增加了掺杂的成本。对氮化镓的掺杂也可以通过在氮化镓生长过程中加入待掺杂元素前驱体来实现，但这种方法会同时向氮化镓中引入其他不需要的杂质，而且所需要的掺杂元素的前驱体往往价格高昂。因此，对氮化镓来说，寻找一种低成本的室温掺杂工艺有重要意义。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种低成本，无刻蚀作用，同时适用于材料和器件的在室温下向氮化镓中掺入杂质的方法。本专利技术的技术方案如下：本专利技术中室温向氮化镓中引入杂质的方法：将氮化镓材料或器件和固态杂质源都置于利用射频在惰性气体中产生的等离子体中，使固态杂质源的原子和/或离子进入等离子体，杂质原子和/或离子与等离子体中正离子和电子碰撞获得动能，从而进入到氮化镓材料或器件中。等离子体在氮化镓材料或器件中激发出大量电子和空穴，这些电子和空穴边产生边复合。很可能是在电子和空穴复合过程的激励下，大大加速了进入到氮化镓的杂质在室温下的扩散。具体的，本专利技术的方法在不加偏置的等离子体发生器的腔体中进行。由于氮化镓的价键很强，比硅和砷化镓都强许多，不加偏置的等离子体对氮化镓表面几乎没有损伤。因此，为了在氮化镓中进行高效率掺杂，应将待掺杂的氮化镓材料(或部分完成的氮化镓器件)和固态杂质源都放置在等离子发生器腔体中等离子体密度高的位置(优选在接近最高的位置)。在固态杂质源和待掺杂的氮化镓材料(或器件)不接触的前提下，它们之间的距离愈近愈好。以惰性气体作为等离子体工作气体，在5～5000W功率下进行等离子体处理0.5～120min。本专利技术中待掺杂氮化镓可以是氮化镓薄膜或晶片，也可以是已部分完成的氮化镓器件。在放置氮化镓薄膜或晶片或部分完成的氮化镓器件时，使其待掺杂的那一面面向固态杂质源较好。本专利技术的方法可利用各种等离子体发生器。如果应用电感耦合等离子体(InductivelyCoupledPlasma，简称ICP)发生器进行，则应关闭其偏置射频，以免发生刻蚀和离子注入作用。用本专利技术提出的方法进行掺杂时，等离子体对氮化镓材料或器件的表面几乎没有刻蚀作用。所述固体杂质源，例如硅片、镁颗粒、锌锭等等，可以是金属材料，也可以是非金属材料。本专利技术的方法可以在室温环境下将Mg、Cu、Mo、Al、Ca、Fe、Cr、Sb等金属元素，以及Si、As、Br、Se等非金属元素引入氮化镓材料中。实验表明，此掺杂方法中引入杂质的数量与等离子体的密度(取决于激励射频的功率和腔中位置)和处理时间有关。杂质进入的深度则取决于杂质原子本身的性质、等离子体激励射频的功率和处理时间等因素。上述方法中，作为工作气体的惰性气体常用的有氦气、氩气，进行等离子体处理时工作气体的流量1～100sccm，优选为10～40sccm。上述方法等离子体处理的功率优选为200～2000W，更优选为300～1000W；处理时间优选为5～50min。在本专利技术方法中，为了避免将不需要的腔体材料的原子也掺入待掺氮化镓材料中去，在所使用的等离子体发生器腔体中放入两片大尺寸的高纯氮化镓片，而将固态杂质源和待掺杂氮化镓材料或器件置于这两大片高纯氮化镓片之间。这两大片高纯氮化镓片不会阻碍等离子体起作用，但可以大幅度降低腔体原子进入待掺杂氮化镓材料或器件中去。室温环境下等离子体掺杂的可能的原理如下：以载气为氦气为例，在等离子体处理过程中，激励射频中的电磁场将电子加速，电子与载气中He原子碰撞，将其离化成He+离子，它和电子构成等离子体。在等离子体中电子温度很高，可达2000-10000K。一方面，等离子中高速运动的正离子和电子轰击杂质源表面，使杂质源表层原子或离子进入等离子体气氛中，并通过碰撞迅速获得动能。另一方面，高速运动的正离子和电子撞击氮化镓材料表面，在其表面产生空位型缺陷和电子空穴对。在等离子体处理过程中，这些空位型缺陷会不断释放空位(V)。实验表明，在室温下，空位(V)在氮化镓中扩散，电子和空穴在氮化镓中边扩散边复合。为方便书写，在这里，杂质原子M处于氮化镓Ga原子位或者N原子位，记为MS。杂质原子处于间隙时记为MI。下边分别描述MI和MS在氮化镓中的运动机制：MI在氮化镓中的运动，可以用Bourgoin机制来解释。室温下氮化镓晶体是闪锌矿结构，晶格中存在不同种类的间隙，例如，沿c轴的沟道间隙、平行于c轴的原子阵列之间的间隙以及split-interstitial间隙等。处于某种间隙的MI的自由能与其所带电荷有关。设MI在氮化镓禁带中有施主能级，当MI的电子离化进入导带时带正电，记作MI+，当导带电子回到施主能级时，MI不带电，记作MI0。另一些MI在氮化镓禁带中有受主能级，则它有无空穴时分别具有0或-1个单位电荷，分别记作MI0和MI-。下面以MI在禁带中有施主能级的情况为例，进行讨论。设A和B是GaN中相邻的两个间隙位。图1给出电荷态为+1和0的MI+和MI0处于A或B间隙位的自由能。设最初MI在氮化镓中以MI+的形式存在于自由能最低的B间隙，前已指出，等离子体处理在氮化镓表面产生许多电子和空穴。当MI+捕获一个导带电子时，变成MI0。如图1所示，MI0在B间隙处所具有的自由能高，不稳定，而临近的A间隙是MI0自由能最低的位置，故处于B间隙的MI0必然要运动到临近的A间隙；此后，当MI0捕获一个价带空穴时，MI0变成MI+。MI+在A间隙所具有的自由能高，不稳定，必然要运动到临近的B间隙。上述过程不继延续下去就解释了MI在GaN晶格中的室温扩散。同理，如果MI在GaN禁带中有一个受主能级，可用类似方法说明MI在GaN晶格中的室温扩散。由于扩散的方向是由浓度高的区域指向浓度低的区域，故MI由表面向体内运动。MS在氮化镓中的运动。当空位移动到MS旁边时，MS就可以跳入空位，并通过后续的空位向体内运动。室温下本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种在室温下向氮化镓中引入杂质的方法，将待掺杂的氮化镓材料或器件和固态杂质源都置于利用射频在惰性气体中产生的等离子体中，使固态杂质源的原子和/或离子进入等离子体，杂质原子和/或离子与等离子体中正离子和电子碰撞获得动能，从而进入到氮化镓材料或器件中。

【技术特征摘要】
1.一种在室温下向氮化镓中引入杂质的方法，将待掺杂的氮化镓材料或器件和固态杂质源都置于利用射频在惰性气体中产生的等离子体中，使固态杂质源的原子和/或离子进入等离子体，杂质原子和/或离子与等离子体中正离子和电子碰撞获得动能，从而进入到氮化镓材料或器件中。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法在不加偏置的等离子体发生器的腔体中进行，将待掺杂的氮化镓材料或器件和固态杂质源都放置在等离子发生器腔体中等离子体密度高的位置，以惰性气体作为工作气体，在5～5000W功率下进行等离子体处理0.5～120min。3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述氮化镓材料是氮化镓薄膜或晶片。4.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在进行等离子体处理时，所述氮化镓材料或器件待掺杂的那一面面向固态杂质源。5.如权利要求1或...

【专利技术属性】
技术研发人员：秦国刚，侯瑞祥，李述体，李磊，徐万劲，谢兮兮，宋伟东，肖稼凯，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：北京;11