一种向砷化镓材料引入杂质并加以激活的方法技术

本发明专利技术涉及一种向砷化镓材料引入杂质并将杂质激活的方法，属于半导体技术领域。该方法首先将砷化镓材料抛光并清洗，得到砷化镓样品；然后在电容耦合等离子体真空发生腔室底部样品台上放置连接射频电源的极板，在极板上放置纯砷化镓片；将杂质源和砷化镓样品放置在纯砷化镓片上，砷化镓样品被杂质源包围，砷化镓样品抛光面朝上；进行电容耦合等离子体处理；最后进行退火处理。本发明专利技术在室温下利用CCP向砷化镓材料中引入杂质，杂质种类包括金属和非金属，利用极板上的偏压，使得He

【技术实现步骤摘要】
一种向砷化镓材料引入杂质并加以激活的方法
本专利技术涉及一种在室温下，或比室温略高的温度下，用等离子体向砷化镓材料中引入杂质并加以激活的方法，属于半导体

技术介绍
砷化镓中杂质对砷化镓的性质有十分重要的影响，离开了杂质，砷化镓很少有什么应用。半导体掺杂工艺在整个半导体工业中具有重要的意义。在纯砷化镓中引入浅能级杂质可以得到不同导电类型的砷化镓，例如向纯砷化镓中引入二族元素铍、镁、锌等杂质会得到p型砷化镓，而向纯砷化镓中引入六族元素硫、硒等杂质会得到n型砷化镓。在n型砷化镓表面引入高浓度受主杂质，或在p型砷化镓表面引入高浓度施主杂质都可以得到砷化镓p-n结，它是许多砷化镓器件的基础。好的欧姆接触也要依靠掺杂才能实现。过渡金属在砷化镓中一般形成深能级，深能级是电子或空穴的复合中心，能够补偿浅能级杂质，使半导体中载流子浓度大大降低，得到电阻率很高的砷化镓。例如将铬掺入砷化镓中，深受主能级位于砷化镓禁带中央附近，因此，在n型砷化镓中掺入铬，由于铬深受主对n型砷化镓中浅施主的补偿作用，可得到电阻率很高的半绝缘砷化镓。半绝缘砷化镓是高速、高频器件及电路和光电集成电路的重要衬底材料。对于以上这些杂质来说，杂质原子被掺入到半导体后，往往需要高温退火处理才能使杂质激活。对于那些既不是施主也不是受主的杂质，也有一些对砷化镓的性质有重要作用。例如，在砷化镓生长过程中掺入一定量的铟，可以使砷化镓晶体中位错密度降低数个量级。这些杂质掺入到砷化镓中后不需要激活，本专利技术人之前申请的专利“一种在室温环境下向砷化镓材料引入杂质的方法”(申请号：201610420343.2)适合此类杂质的掺杂，原因是掺入的杂质不需要激活，但是在绝大部分应用中，把杂质掺入以外还需要将杂质激活，用室温等离子体掺杂方法引入的杂质，不经进一步处理，一般来说，杂质的激活率较低，甚至很低。当前，离子注入和高温扩散是半导体掺杂的主要方法。在这种掺杂方法中杂质的分布主要是由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。离子注入设备结构复杂，价格昂贵，注入后的退火处理温度较高，一般在800摄氏度以上，高温退火对材料有副作用；温度愈高，时间愈长，副作用愈严重。因此对砷化镓来说，寻找一种成本低廉、简单便捷的掺杂并且在较低温度和较短时间内取得高激活率有重要意义。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种成本低廉、简单便捷的可在室温下或比室温略高的150℃以下的温度向砷化镓材料中引入杂质并加以激活的方法。本专利技术的上述专利技术目的是通过以下技术方案达到的：一种向砷化镓材料引入杂质并将杂质激活的方法，其步骤如下：(1)将砷化镓(GaAs)材料抛光并清洗，得到砷化镓样品；(2)在电容耦合等离子体(capacitivelycoupledplasma，以下简称CCP)真空发生腔室底部连接射频电源的极板上放置纯砷化镓片；(3)将杂质源和步骤(1)制备的砷化镓样品置于步骤(2)中纯砷化镓片上，砷化镓样品被杂质源包围，但不接触，砷化镓样品抛光面朝上；(4)电容耦合等离子体处理：工作气体为惰性气体，产生等离子体的射频电源功率为10-2500W，电容耦合等离子体处理的时间为1-120min；(5)退火处理：经过步骤(4)的电容耦合等离子体处理后，将砷化镓样品进行快速退火处理，得到掺杂砷化镓样品。步骤(1)中所述砷化镓材料为砷化镓晶片或砷化镓晶片器件。步骤(1)中所述砷化镓材料清洗的具体步骤如下：依次用丙酮、乙醇和去离子水分别进行超声清洗5-15min。步骤(2)中纯砷化镓片为纯砷化镓圆片，面积比连接射频电源的极板略大，完全覆盖极板的表面。步骤(3)中杂质源和砷化镓样品放置在纯砷化镓片的中心附近。步骤(3)中所述砷化镓样品待掺杂的一面面向等离子体。步骤(3)中所述杂质源选自金属元素或非金属元素。优选地，所述金属元素选自下述中的一种或多种：In、Sn、Zn、Ge、Au、Mn、Al和Mg。优选地，所述非金属元素选自下述中的一种或多种：Si、P、C、B、F、S和N。步骤(4)中所述惰性气体为氦气或氩气。步骤(4)中所述惰性气体的流量为10-600sccm，更优选为200-300sccm。步骤(4)中所述电容耦合等离子体的真空度为0.001-0.05Tor；优选为0.001-0.01Tor。步骤(4)中所述电容耦合等离子体处理的功率优选为50-2000W，更优选为200-1000W，再优选为100-600W；所述电容耦合等离子体处理的时间优选为1-30min。步骤(4)中所述连接射频电源的极板的自偏压为500-3000V；更优选为800-1200V。自偏压依赖于等离子体的功率。步骤(4)中所述电容耦合等离子体处理的工作温度低于150℃(0-150℃)。步骤(5)中所述快速退火处理的温度为600-900℃，时间为10-50s。在室温下，电容耦合等离子体(CCP)发生腔体中，用氦气或其它惰性气体作为工作气体。电容耦合等离子体发生器的腔体接地，它作为电容耦合等离子体的一个极板，另一个置于腔体底部，连接射频电源的极板上会产生负的自偏压。为避免极板金属的污染，先在连接射频电源的极板上放置一片面积比极板略大可以覆盖极板表面的高纯大砷化镓片，将待掺杂砷化镓样品和掺杂源置于高纯大砷化镓片上。氦离子和被掺杂质的正离子在该自偏压的加速下注入到待掺杂砷化镓样品中，它会破坏砷化镓中局部原子排列的周期性，这在杂质的激活上起了重要作用。本专利技术的方法在CCP发生器的腔体中进行，在连接射频电源的极板上放置一纯砷化镓片覆盖极板表面，之后再将杂质源和待掺杂砷化镓样品都放置其上，以氦气作为工作气体，在10～2500W功率下进行等离子体处理1～120min。以氦气作为工作气体为例，当等离子体稳定后，在CCP腔体中连着射频电源的极板上会产生一个负的自偏压，He+离子在此负偏压下朝着杂质源表面和待掺杂样品加速运动并轰击杂质源，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，高速运动的杂质和氦的正离子撞击砷化镓材料表面，在砷化镓中产生空位型缺陷和空位、自间隙原子等点缺陷。这些点缺陷能够大大增强杂质原子在砷化镓中的扩散。在极板上的自偏压加速下，He+离子注入到砷化镓样品内，注入深度取决于自偏压的数值。He+离子的注入不同程度地破坏了He+离子到达范围内砷化镓晶格的周期性，在此范围内，快速退火时杂质原子较易从间隙位置进入代位位置。和没有自偏压的等离子体掺杂情况下的完整砷化镓晶格相比(此情况下杂质从间隙到代位相当困难)，快速退火可使杂质原子较容易地进入到代位位置，杂质从而被激活。本专利技术在室温下利用CCP向砷化镓材料中引入杂质，杂质种类包括金属和非金属，利用极板上的偏压，加速等离子体中的正离子，其动能在一定程度上破坏局部范围砷化镓晶格的周期性。与没有自偏压的等离子体掺杂相比，前一情况下，杂质原子明显较易(指明显较低退火温度和明显较短退火时间)进入代位位置，从而被激活。如果将待掺杂的半绝缘砷化镓样品放在电容耦合极板的旁边或下方，或悬挂在极板上方，只要不与极板相接触，即半绝缘砷化镓样品上没有负偏压，则在掺杂后杂质激活都很困难。这是指不仅激活所需温度很高(例如高于1本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种向砷化镓材料引入杂质并将杂质激活的方法，包括如下步骤：(1)将砷化镓材料抛光并清洗，得到砷化镓样品；(2)在电容耦合等离子体真空发生腔室底部连接射频电源的极板上放置纯砷化镓片；(3)将杂质源和砷化镓样品放置在纯砷化镓圆片上，砷化镓样品被杂质源包围，砷化镓样品抛光面朝上；(4)电容耦合等离子体处理：工作气体为惰性气体，射频电源功率为10‑2500W，电容耦合等离子体处理的时间为1‑120min；(5)退火处理：将砷化镓样品进行快速退火处理，得到掺杂砷化镓样品。

【技术特征摘要】
1.一种向砷化镓材料引入杂质并将杂质激活的方法，包括如下步骤：(1)将砷化镓材料抛光并清洗，得到砷化镓样品；(2)在电容耦合等离子体真空发生腔室底部连接射频电源的极板上放置纯砷化镓片；(3)将杂质源和砷化镓样品放置在纯砷化镓圆片上，砷化镓样品被杂质源包围，砷化镓样品抛光面朝上；(4)电容耦合等离子体处理：工作气体为惰性气体，射频电源功率为10-2500W，电容耦合等离子体处理的时间为1-120min；(5)退火处理：将砷化镓样品进行快速退火处理，得到掺杂砷化镓样品。2.根据权利要求1所述的向砷化镓材料引入杂质并将杂质激活的方法，其特征在于：所述的砷化镓材料为砷化镓晶片或砷化镓器件；所述的纯砷化镓片为纯砷化镓圆片，面积比连接射频电源的极板大。3.根据权利要求1所述的向砷化镓材料引入杂质并将杂质激活的方法，其特征在于：所述砷化镓材料的清洗为依次用丙酮、乙醇和去离子水分别进行超声清洗5-15min。4.根据权利要求1所述的向砷化镓材料引入杂质并将杂质激活的方法，其特征在于：所述的砷化镓样品待掺杂的一面面向等离子体。5.根据权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：秦国刚，李磊，张黎莉，徐万劲，张健，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：北京,11