[发明专利]氮化铝块状晶体的可控掺杂方法

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2006年3月30日提交的美国临时申请60/787,399的 优先权，在此通过引用将其整体并入本文。

政府支持

本发明是在美国政府支持下在国家标准技术研究所(NIST)授予的 70NANB4H3051下做出的。美国政府对本发明享有某些权利。

背景技术

半导体材料在宽范围内表现出可控的光和电性能，例如电导率。 通过使用掺杂剂实现这样的控制，所述掺杂剂是引入半导体材料的晶 格充当电子(负电荷)或空穴(正电荷)源的杂质。可控掺杂使制造宽范 围的半导体器件成为可能，例如发光二极管(LED)、激光器和晶体管。

诸如氮化镓(GaN)和氮化铝(AlN)的氮化物基半导体在技术上受到 极大关注，部分是由于它们的宽带隙。这些材料的可控和可重复的掺 杂使得制造以短波长(即蓝光、紫光和甚至紫外光波长)发光的发光器 件例如LED和激光器成为可能。此外，n型和p型氮化物可以用于制 造适合于高功率和/或高温应用的晶体管。在n型半导体中，电子浓度 比空穴浓度高得多；因此，电子是多数载流子并支配电导率。相反， 在p型半导体中，空穴支配电导率。

在室温下AlN具有相对宽的、6.1电子伏特(eV)的带隙，对于AlN， 几乎没有掺杂剂具有在带隙中足够浅的能级以便在仅具有适度的杂质 (即掺杂剂)浓度的情况下促进高电导率。因此，通常需要相对高的杂 质浓度以在技术上获得可用的电导率水平。遗憾的是，难以在AlN中 获得高杂质浓度水平。AlN典型在非常高的温度下生长，使得难以以 受控方式引入高水平的所需掺杂剂，同时避免引入不需要的杂质及其 它点缺陷。这些将在带隙中引入抵消掺杂剂期望效果的深能级。(即， 不需要的缺陷将引入会吸收由掺杂剂杂质引入的电子或空穴的深能 级)。特别地，在典型的生长条件下，氧似乎能在AlN带隙中引入深能 级，如果要产生导电晶体，那么需要仔细加以控制。因此，已经证实难 以成功制造大的导电晶体，尽管已经证实具有n型导电性的AlN薄膜。

发明描述

发明概述

根据本发明，通过引入具有比铝(Al)或氮(N)更多或更少电子的置 换型杂质在完美的、化学计量比的AlN或Al_xGa_1-xN(其中0≤x≤1，本 文有时称为AlGaN)晶格内产生施主或受主能级。电荷补偿缺陷，诸如 Al阳离子位置上的空位(表示为V_Al)或N阴离子位置上的空位(表示为 V_N)或具有能俘获由掺杂杂质产生的自由电荷的深能级的杂质，被理想 地避免，但更普遍地，其密度减小或者活性较低。为了使用直径几乎 与Al或N相同的原子并避免局部应变，优选从元素周期表的上部选择 掺杂剂。Al位置的选择包括铍(Be)、镁(Mg)、锌(Zn)、碳(C)和硅(Si)， 而C、Si和O是N位置的可能选择。比Al少两个电子的掺杂剂例如锂 (Li)(如果在Al位置上引入它们的话)也可用来制造p型AlN和AlGaN。

遗憾的是，如上解释，通常难以在如AlN的材料中利用掺杂剂产 生施主或受主能级。AlN中多数掺杂剂的能级倾向于在能量带隙中过 深，使其难以获得适当的电导率水平，除非使用高掺杂剂浓度。此外， 宽带隙AlN晶体倾向于形成电荷补偿的空位缺陷例如V_Al或V_N。

因此，在第一方面，本发明提供形成多晶AlN的方法。在多个实 施方案中，在坩埚中提供含铝丸粒，在反应温度和反应压力下，丸粒 与氮气反应形成近似为化学计量比的多晶AlN陶瓷。丸粒可基本上由 铝构成，反应温度可为约1900℃-约2200℃。丸粒可包括小于约12重 量％的第一浓度的掺杂剂物质(可以是Si)。在一个实施方案中，多晶 AlN陶瓷包括第二浓度的掺杂剂物质。该第二浓度可小于约12重量％。 反应温度可为约1600℃-约2200℃，且反应压力可为约1巴-约60巴。

本发明的实施方案可包括一个或多个以下特征。多晶AlN陶瓷的 氧浓度可小于约百万分之四百份(ppm)或小于100ppm。基本上所有丸 粒可反应形成多晶AlN陶瓷。可在坩埚内提供至少一个另外的含Al丸 粒，其在反应温度和反应压力下与氮气反应以增加多晶AlN陶瓷的体 积。