[发明专利]Ⅲ-氮化物半导体材料pn结的制作方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体材料技术领域，特别是一种III-氮化物半导体材料pn结的制作方法。

背景技术

III-氮化物是继Si、GaAs等第一、第二代半导体材料之后的第三代新型半导体材料，其中GaN作为宽禁带半导体材料有许多优点，诸如饱和漂移速度高，击穿电压大，载流子输运性能优异以及能够形成AlGaN、InGaN三元合金和AlInGaN四元合金等，容易制作GaN基的pn结。鉴于此，近几年来GaN基材料和器件得到了广泛和深入的研究，MOCVD技术生长GaN基材料日趋成熟；在器件研究方面，GaN基LED、LDs等光电子器件以及GaN基高迁移率晶体管(HEMT)等微电子器件方面的研究都取得了显著的成绩和长足的发展。目前GaN基器件结构材料生长的难点之一是生长高性能的GaN基pn结(n型层在p型层之上)，造成这一难点的主要原因是由于p型GaN生长中存在Mg的记忆效应。MOCVD技术生长p型GaN基材料时，由于MOCVD生长环境中存在大量的H，GaN中的受主掺杂剂Mg被大量H钝化而不产生空穴，使得激活处理后自由空穴浓度比Mg原子掺杂浓度低2-3个数量级。因此为了获得足够的空穴浓度，需要很大的掺杂浓度，并且由于p型掺杂剂Mg的有机金属化合物是二戊镁(Cp2Mg)，这种化合物饱和蒸气压低、表面附着性强，即使关闭有机源，在生长室及材料表面还会有大量的残留，因此在p型层生长完后，会在材料表面产生富镁层，并且大量的Mg原子会进入在其上面生长的n型层，造成pn结结面模糊并使得部分n型层被补偿，严重时造成pn结失效。正是由于存在这一难点，使得含有pn结(n型层在p型层之上)结构的GaN基器件研究滞后，发展缓慢，例如GaN基双极晶体管(BJTs和HBTs)。为了克服这一难点，目前采取的措施主要有：生长完p型层后用不含有Mg原子的气体长时间吹扫烘烤生长室和衬托，以减少残余Mg，见D.J.H.Lambert，D.E.Lin，R.D.Dupuis.Simulation of the electrical characteristics of AlGaN/GaN heterojunction bipolar transistors.Solid-State Electron.2000，44：253；或采用二次外延方法，即生长完p型层后从生长室中取出，放入没有使用Mg源的生长室中再生长n型层或者采用MBE技术二次外延n型层，见Lee S.McCarthy，Ioulia P.Smorchkova，Huili Xing，et.al，GaN HBT：Toward an RF Device.IEEE Trans Electron Dev，48：543，2001。但是由于进入n型层中的Mg原子与生长p型层时形成的富Mg层中Mg的重新分配有很大关系，因此长时间吹扫生长室或采用二次外延的方法对减少Mg的记忆效应效果不明显，并且造成生长工艺上的复杂性，容易导致二次生长层晶体质量下降，使pn结性能降低。

发明内容

根据以上提出的问题，本发明的目的是提供一种III-氮化物半导体材料pn结的制作方法，尤其是可以减小Mg记忆效应的GaN基pn结的制作方法。利用此方法在生长GaN基pn结时可以使因Mg的记忆效应造成的表面富Mg层控制在p型层中并且减小Mg进入n型层中的浓度，增加pn结结面的p型掺杂陡峭性，从而提高pn结性能。

本发明提供一种III-氮化物半导体材料pn结的制作方法，包括如下步骤：

步骤1：在一衬底上生长p型GaN基材料；

步骤2：在p型GaN基材料上面外延非掺杂GaN基材料；

步骤3：在非掺杂的GaN基材料上生长非掺杂薄层；

步骤4：在非掺杂薄层上生长n型GaN基材料。

其中在衬底上生长p型GaN基材料时，二戊镁作为p型掺杂源。

其中制备p型GaN基材料、非掺杂的GaN基材料、非掺杂薄层、n型GaN基材料采用的是金属有机化学气相沉积技术。

其中非掺杂的GaN基材料的生长温度在900℃-1050℃范围内，厚度为5-15nm。

其中非掺杂薄层为非掺杂的GaN基材料。

其中非掺杂薄层的生长温度在550℃-800℃范围内，厚度为3-10nm。

其中生长非掺杂薄层时采用三乙基镓或三甲基镓作为镓的金属有机源。

其中GaN基材料指GaN、AlGaN、AlN、InGaN、InN及AlInGaN等III-氮化物半导体材料。