化合物半导体中替代阳离子位置的杂质缺陷浓度的检测方法技术

本发明专利技术公布了一种化合物半导体中替代阳离子位置的杂质缺陷浓度的检测方法。首先制备用于确定化合物半导体中替代阳离子位置的杂质缺陷浓度的原生样品，然后将部分原生样品进行退火操作，制得退火样品；利用高温退火操作实现替代阳离子位置的杂质发生从阳离子位置到阴离子位置或间隙位置的转变，进而通过正电子湮没谱技术的多普勒展宽谱测量化合物半导体原生样品和退火样品中的阳离子空位浓度的差异，最终确定化合物半导体中替代阳离子位置的杂质缺陷浓度。本发明专利技术方法简单且快捷有效，能够精确地确定化合物半导体中替代阳离子位置的杂质缺陷浓度，对于研究化合物半导体材料中的替代阳离子位置的杂质缺陷浓度及其对器件应用的影响将发挥重要的作用。

【技术实现步骤摘要】
化合物半导体中替代阳离子位置的杂质缺陷浓度的检测方法
本专利技术属于半导体
，涉及一种用于确定化合物半导体中替代阳离子位置的杂质缺陷浓度的检测方法。
技术介绍
化合物半导体因其优异的材料特性广泛应用于发光器件、射频器件和功率电子器件。为了满足器件的不同需求，杂质故意掺杂是调制半导体材料性能的重要手段。因此，确定不同杂质原子在半导体中的晶格位置对于器件性能的研究具有重要的意义。例如，以氮化镓(GaN)为代表的第三代半导体材料具有禁带宽度大、击穿电压高等优点，氮化镓基电子器件可在高频、高温、高功率下工作，有望在下一代高效节能功率电子器件领域，包括微波射频功率器件和电力电子器件领域得到广泛使用。氮化镓材料生长过程中通常故意引入硅(Si)、镁(Mg)、碳(C)等杂质掺杂来制备n型、p型或者高阻型的氮化镓材料。这些杂质在氮化镓中通常以替位式杂质的形式存在，它们占据了氮化镓中原来的镓(Ga)原子或者氮(N)原子的晶格位置。但是，对于化合物半导体中杂质的晶格位置及其浓度的表征仍然具有挑战。例如，碳元素作为IV族元素，是一种在氮化镓中具有两性的杂质。理论计算表明碳既有可能替代氮位形成CN受主型缺陷，也可能替代镓位形成CGa施主型缺陷。CN作为深受主，是补偿氮化镓n型背景载流子，形成高阻氮化镓的关键元素。而CGa作为施主，它和CN形成的自补偿效应对于碳掺杂实现高阻是不利的。目前，国际上对于氮化镓中CGa的浓度尚不清楚。因此，如何通过有效的表征方法，精确地测量半导体中替位式杂质的缺陷浓度，对于研究各种杂质在半导体中的晶格位置以及其对器件应用的影响具有重要的意义。针对半导体材料中的杂质缺陷进行测量的现有方法中，国际上采用的方法主要有：文献(D.V.Lang,J.Appl.Phys.45,3023,1974等)记载的深能级瞬态电容谱(DeepLevelTransientSpectroscopy)方法；文献(M.O.Manasrehetal.,Appl.Phys.Lett.75,659,1999等)记载的傅里叶变换红外光谱学(FourierTransformInfraredSpectroscopy)方法。然而，由于半导体材料中除了杂质掺杂引入的缺陷，还存在其他本征缺陷，深能级瞬态电容谱方法在具体的缺陷指认过程中具有一定困难，难以精确指认替位式杂质缺陷；傅里叶变换红外光谱学方法具有较高的检测极限，对于一些低浓度的杂质缺陷响应不明显，而且通常需要结合理论计算，较为复杂。
技术实现思路
为了克服上述现有技术的不足，本专利技术提供一种用于确定化合物半导体中替代阳离子位置的杂质缺陷浓度的检测方法。本专利技术的核心是高温退火过程，使得替代阳离子位置的杂质发生从阳离子位置到阴离子位置或间隙位置的转变，从而形成了阳离子空位。利用正电子湮没谱学(PositronAnnihilationSpectroscopy)对带负电的阳离子空位敏感且具有较低的检测极限的特点，通过测量反应前后阳离子空位浓度的变化，从而得到替代阳离子位置的杂质浓度。本专利技术方法简单且快捷有效，对于研究化合物半导体材料中的替代阳离子位置的杂质缺陷浓度及其对器件应用的影响将发挥重要的作用。本专利技术提供的技术方案是：一种化合物半导体中替代阳离子位置的杂质缺陷浓度的检测方法，所述检测方法首先制备得到用于检测方法的检测样品，再对检测样品中替代阳离子位置的杂质缺陷浓度进行检测，具体包括如下步骤：1)制备用于确定化合物半导体中替代阳离子位置的杂质缺陷浓度的检测样品的原生样品；2)将部分原生样品置于退火炉中进行退火操作，制得检测样品的退火样品；3)测量原生样品的正电子多普勒展宽谱，得到S参数随正电子注入能量变化的曲线，计算得到原生样品中的阳离子空位浓度V1；本专利技术定义S参数为慢正电子束流装置的探测器采集到γ光子的能量范围在510.2-511.8keV内的计数与499.5-522.5keV内总的计数之间的比率；4)测量退火样品的正电子多普勒展宽谱，得到S参数随正电子注入能量及注入深度变化的曲线，计算得到退火样品中的阳离子空位浓度V2；5)比较原生样品和退火样品中的阳离子空位浓度V1和V2：当V2不大于V1时，则说明检测样品中替代阳离子位置的杂质缺陷浓度较低；当V2大于V1时，则V＝V2-V1就是检测样品中替代阳离子位置的杂质缺陷浓度。针对上述化合物半导体中替代阳离子位置的杂质缺陷浓度的检测方法，进一步地，步骤1)制备用于确定化合物半导体中替代阳离子位置的杂质缺陷浓度的检测样品的原生样品的方法可以采用下述方法中的一种或多种：金属有机化合物气相外延方法、分子束外延方法、氢化物气相外延方法和气相外延方法。所述化合物半导体的种类为GaN、AlN、InN、GaAs、ZnO、ZnS、Ga2O3等常见的化合物半导体；所述杂质可以为以上化合物半导体中常见的C、Si、Be、Mg、N、Li、Na、Mn等杂质。所述检测样品的厚度一般大于2μm，通常为2μm-20μm。所述化合物半导体中杂质的掺杂方式可以是调节生长参数掺杂、添加额外的杂质源和离子注入方法中的一种或多种。针对上述化合物半导体中替代阳离子位置的杂质缺陷浓度的检测方法，进一步地，步骤2)将部分原生样品置于退火炉中进行退火操作，制得检测样品的退火样品。所述退火操作的条件视化合物半导体及其杂质种类而定，一般可以在氮气氛围下，温度为600-1500摄氏度，退火时间为2-10小时。针对上述化合物半导体中替代阳离子位置的杂质缺陷浓度的检测方法，进一步地，步骤3)通过正电子湮没谱技术测量原生样品的多普勒展宽谱，得到S参数随正电子注入能量变化曲线，计算得到原生样品中的阳离子空位浓度V1。所述阳离子空位浓度V1的计算需要先得到原生样品正电子湮没的特征参数Sm，Sm一般可以定义为正电子注入能量在10-20keV范围内S参数的平均值。再根据下述公式计算原生样品中的阳离子空位浓度V1：上式中，Nat、λf、μ、Sf和SV为化合物半导体中的已知参数，只与化合物半导体的种类有关，其中，Nat为化合物半导体的原子密度，λf为正电子在化合物半导体中的湮没速率，μ是阳离子空位对正电子的俘获系数，Sf是正电子在化合物半导体无缺陷的理想晶格中湮没时的特征参数，SV是正电子在化合物半导体阳离子空位处发生湮没的特征参数。CV代表样品中的阳离子空位浓度，当Sm是测得的原生样品的正电子湮没的特征参数时，根据式1计算得到的CV即为原生样品中的阳离子空位浓度V1；而当Sm是测得的退火样品的正电子湮没的特征参数时，根据式1计算得到的CV即为退火样品中的阳离子空位浓度V2。优选的，其中正电子注入能量一般是0-50keV，正电子束流垂直于化合物半导体表面入射，束流直径可以是2mm-1cm。同样的，在步骤4)通过正电子湮没谱技术测量退火样品的多普勒展宽谱，得到S参数随正电子注入能量变化曲线，求退火样品体内正电子注入能量在10-20keV范围内S参数的平均值，得到退火样品的正电子湮没的特征参数Sm，根据式1计算得到退火样品中的阳离子空位浓度V2。本专利技术的核心是高温退火过程，使得替代阳离子位置的杂质发生从阳离子位置到阴离子位置或间隙位置的转变，从而形成了阳离子空位。利用正电子湮没谱学对带负电的阳离子空位敏感且具有较低本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种化合物半导体中替代阳离子位置的杂质缺陷浓度的检测方法，包括以下步骤：1)制备用于确定化合物半导体中替代阳离子位置的杂质缺陷浓度的检测样品的原生样品；2)将部分原生样品置于退火炉中进行退火操作，制得检测样品的退火样品；3)测量原生样品的正电子多普勒展宽谱，得到S参数随正电子注入能量变化的曲线，计算得到原生样品中的阳离子空位浓度V1；4)测量退火样品的正电子多普勒展宽谱，得到S参数随正电子注入能量变化的曲线，计算得到退火样品中的阳离子空位浓度V2；5)比较原生样品和退火样品中的阳离子空位浓度V1和V2：当V2不大于V1时，则说明检测样品中替代阳离子位置的杂质缺陷浓度较低；当V2大于V1时，则V＝V2‑V1就是检测样品中替代阳离子位置的杂质缺陷浓度；其中，在步骤3)和步骤4)中定义S参数为慢正电子束流装置的探测器采集到γ光子的能量范围在510.2‑511.8keV内的计数与499.5‑522.5keV内总的计数之间的比率。

【技术特征摘要】
1.一种化合物半导体中替代阳离子位置的杂质缺陷浓度的检测方法，包括以下步骤：1)制备用于确定化合物半导体中替代阳离子位置的杂质缺陷浓度的检测样品的原生样品；2)将部分原生样品置于退火炉中进行退火操作，制得检测样品的退火样品；3)测量原生样品的正电子多普勒展宽谱，得到S参数随正电子注入能量变化的曲线，计算得到原生样品中的阳离子空位浓度V1；4)测量退火样品的正电子多普勒展宽谱，得到S参数随正电子注入能量变化的曲线，计算得到退火样品中的阳离子空位浓度V2；5)比较原生样品和退火样品中的阳离子空位浓度V1和V2：当V2不大于V1时，则说明检测样品中替代阳离子位置的杂质缺陷浓度较低；当V2大于V1时，则V＝V2-V1就是检测样品中替代阳离子位置的杂质缺陷浓度；其中，在步骤3)和步骤4)中定义S参数为慢正电子束流装置的探测器采集到γ光子的能量范围在510.2-511.8keV内的计数与499.5-522.5keV内总的计数之间的比率。2.如权利要求1所述的检测方法，其特征在于，步骤1)采用下述方法中的一种或多种制备化合物半导体的原生样品：金属有机化合物气相外延方法、分子束外延方法、氢化物气相外延方法和气相外延方法。3.如权利要求1所述的检测方法，其特征在于，步骤2)退火操作在氮气氛围下进行，退火温度为600-1500摄氏度，退火时间为2-10小时。4.如权利要求1所述的检测方法，其特征在于，步骤3)通过正电子湮没谱技术测量原生样品的多普勒展宽谱，得到S参数随正电子注入能量变化曲线，求原生样品体内正电子注入能量在10-20keV范围内S参数的平均值，得到原生样品的正电...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨学林，沈波，徐越，吴珊，宋春燕，张洁，冯玉霞，许福军，唐宁，王新强，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：北京,11