一种n型AlGaN半导体材料及其外延制备方法技术

本发明专利技术公开了一种n型AlGaN半导体材料及其外延制备方法，所述n型AlGaN半导体材料由多周期的单层n型掺杂AlGaN和单层非掺杂(u型)AlGaN交替叠层所构成，其中，u型AlGaN单层的厚度为n型AlGaN层厚度、载流子浓度及迁移率的函数，根据这一函数，可确定交替叠层的结构参数，即n型层掺杂浓度与厚度以及u型层厚度；所述外延制备方法，通过周期性地通断掺杂源，形成n型掺杂AlGaN单层和u型AlGaN单层的交替叠层结构；通过在生长温度下控制Al源、Ga源和N源的通入时间来决定外延生长的AlGaN层的厚度。与现有技术相比，其有益效果在于：本发明专利技术提供的一种n型AlGaN外延层材料与均匀掺杂的同等Al组分的n型AlGaN相比，具有更低的电阻率、更高的平均载流子迁移率。

A n-type AlGaN semiconductor material and its epitaxial preparation method

【技术实现步骤摘要】
一种n型AlGaN半导体材料及其外延制备方法
本专利技术涉及化合物半导体材料AlGaN领域，更具体地，涉及一种n型AlGaN化合物半导体材料外延制备方法。
技术介绍
三元化合物半导体AlGaN材料因具有直接带隙、禁带宽度大、电子饱和迁移速度快、导热性能好等诸多优良特性而适合高集成密度、高工作频率、耐辐射微波大功率器件的制作以及高效率紫外波段发光与探测等光电器件的制作。特别是在面向光电器件的应用中，三元化合物半导体AlGaN可通过调节Al组分从0变化至1，使其禁带宽度从3.43eV到6.02eV连续变化(对应波长从362nm至200nm连续变化)，覆盖了UVA、UVB和UVC波段，是制作紫外波段光电器件最具潜力的半导体材料。目前，AlGaN薄膜材料的制备面临着缺乏同质衬底，而基于其它晶体材料衬底的异质外延由于外延层与衬底之间的大晶格失配和热膨胀系数失配，导致外延层中存在高密度的缺陷。此外，同诸多宽禁带半导体同样，材料的p型掺杂由于受主杂质的高离化能，而导致掺杂效率极低，甚至无法实现有效的p型掺杂。与此相比，尽管AlGaN的n型掺杂比较容易实现，但也面临着电导率(电阻率)有待进一步提升(降低)的问题。特别是对于高Al组分的n型AlGaN，有研究表明在5×1018/cm3的掺杂浓度下，AlGaN层中的电子浓度随着Al组分从30％到50％，其值从3.57×1018/cm3下降到3.94×1017/cm3，电导率也从27.7Ω-1cm-1下降到0.88Ω-1cm-1。导致电导率下降的原因主要有三方面，一是由于随着Al组分的升高，n型掺杂施主杂质的离化能增大，所以电离出来的电子浓度降低，致使电导率降低(电阻率增大)；二是随着Al组分的升高，离化能增大，且C、O等受主杂质、深能级杂质增加，减少了电子的浓度；为了提高电子浓度，需要重掺杂，而重掺杂则会导致施主掺杂杂质形成补偿性缺陷、中性杂质原子，影响电子浓度的进一步提高，同时增加电子的散射，降低电子的迁移率，导致电导率下降。为了提高n型AlGaN薄膜材料的电导率，研究者们提出了一些外延方法，包括In-Si共掺杂的办法提高有效掺杂浓度，In作为表面活性剂，在生长过程中可以降低外延层中的螺位错密度和深能级缺陷，从而提高n型掺杂效率，增加了电子浓度，提升了电导率。但这种方法对电子的迁移率并没有改善，电导率仍有较大的提升空间。另外，也有研究者采用超晶格掺杂来降低离化能，提升从掺杂施主杂质离化出来的电子浓度，从而提高n型AlGaN薄膜的掺杂效率。但这种方法同时却又会引入其它衍生问题，比如超晶格掺杂虽然会比较显著地改善n型AlGaN的掺杂效率、提高水平方向的导电性，但却会影响纵向导电性，即阻碍载流子的纵向输运。
技术实现思路
本专利技术旨在克服上述现有技术的至少一种缺陷(不足)，提供一种n型AlGaN半导体材料，具有较高的横向电导率，位错数量及由于位错所产生的电子输运中的散射少，整体电导率高。本专利技术的另一个目的在于，提供一种n型AlGaN半导体材料的外延制备方法，采用多个周期的n型掺杂AlGaN单层和u型非掺杂AlGaN单层的交替叠层组成外延层，利用n型掺杂单层中电子浓度的扩散，在u型单层中形成满足平衡载流子浓度分布的电子浓度，并通过u型非掺杂层中电子的高迁移率，与高电子浓度的n型掺杂单层的结合达到提高整体n型AlGaN外延层的横向电导率的作用。同时，由于外延结构属于周期性掺杂，n型高掺杂单层和非掺杂单层所处的应力状态也随周期产生调制，可使层中贯穿位错产生弯曲、闭合，从而减少位错数量及由于位错所产生的电子输运中的散射，从而进一步提升电导率。本专利技术采取的技术方案是：一种n型AlGaN半导体材料，所述n型AlGaN外延层由若干周期的交替叠层构成，每个周期包括一个n型掺杂AlGaN单层和一个u型非掺杂AlGaN单层，两个单层的Al组分同等。本专利技术中，所述n型AlGaN外延层由N个周期的n型掺杂AlGaN单层和非掺杂(undoped，简称u)AlGaN单层的交替叠层组成。单个周期内AlGaN交替叠层的总厚度为D，u型非掺杂AlGaN层的施主杂质浓度为Nu，平衡后载流子浓度为nu0，u型非掺杂AlGaN层厚度为D2；n型掺杂AlGaN层厚度为D1，n型掺杂AlGaN施主杂质浓度为ND，平衡后载流子浓度为nn0；根据扩散理论，q为电子电荷，k0为玻尔兹曼常数，T为温度，ε为介电常数，则平衡态下载流子浓度分布n(x)满足关系式：当其达到平衡态后能带弯曲符合二次函数形式，通过载流子浓度分布可以看到载流子浓度变化梯度与掺杂浓度(ND、Nu)和掺杂层、非故意掺杂层的厚度(D1、D2)有关，可以通过控制这两个变量得到不同的变化趋势。要获得足够的平均载流子浓度，n型AlGaN掺杂层D1的厚度在单个周期厚度D中的占比不能过小；同时，为了减少杂质散射的影响取最小值，使得交叠结构的有效平均载流子浓度不低于n型均匀掺杂层载流子浓度的30％，则而为了达到提高迁移率的目的，n型AlGaN掺杂层D1的厚度则不能大于u型非掺杂层厚度，故：原因在于：(1)交替叠层中n型掺杂AlGaN单层为u型非掺杂AlGaN单层提供了电子；u型非掺杂AlGaN单层作为扩散电子的输运通道，电子从高掺杂层扩散到非掺杂层，其在纵向上的输运长度小于等于电子的扩散长，并且在纵向、横向上的输运由于杂质散射的减少可获得更高的迁移率uu；(2)优化后的u型非掺杂AlGaN层厚度在单位周期内的平均迁移率uu的提高大于电子浓度nu的降低倍数，因此相比于通常的n型均匀掺杂AlGaN结构，电子浓度nn和迁移率un的乘积远小于交替叠层的电导，即可降低有效电阻率；(3)采用n型掺杂AlGaN/u型非掺杂AlGaN交叠结构，u型非掺杂层中没有因重掺杂所产生的自补偿缺陷，且因掺杂/非掺杂层交替产生应力调制，可减少位错，相比于其它相同电导率下重掺杂的n型AlGaN，缺陷降低，晶体质量得以改善。进一步的，构成外延层交替叠层的单个周期内n型掺杂AlGaN层的厚度为D1，u型非掺杂AlGaN层的厚度为D2，单个周期交替叠层的厚度D＝D1+D2，D值的范围为6～30nm。进一步的，所述n型AlGaN半导体外延层的总厚度为单个周期交替叠层的厚度D与生长周期数N的乘积。具体的，所述n型AlGaN半导体外延层的总厚度为100～1000nm。进一步的，构成外延层交替叠层的单个周期内n型掺杂AlGaN层的厚度为D1，u型非掺杂AlGaN层的厚度为D2，D1和D2满足关系进一步的，单个周期内n型掺杂AlGaN层的n型掺杂杂质浓度的数值ND的范围为1×1018～8×1019cm-3。进一步的，所述n型AlGaN外延层的Al组分范围为20％～100％。本专利技术的另一个目的在于，提供上述n型AlGaN半导体材料的一种外延制备方法，所述n型掺杂AlGaN单层通过同时开启Al源，Ga源、N源和掺杂源来实现，u型非掺杂AlGaN层通过开启Al源，Ga源、N源和关闭掺杂源来实现。进一步，外延生长的Al组分可通过给定本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种n型AlGaN半导体材料，其特征在于，所述n型AlGaN外延层(100)由若干周期的交替叠层构成，每个周期包括一个n型掺杂AlGaN单层(101)和一个u型非掺杂AlGaN单层(102)，两个单层的Al组分同等。/n

【技术特征摘要】
1.一种n型AlGaN半导体材料，其特征在于，所述n型AlGaN外延层(100)由若干周期的交替叠层构成，每个周期包括一个n型掺杂AlGaN单层(101)和一个u型非掺杂AlGaN单层(102)，两个单层的Al组分同等。


2.根据权利要求1所述的一种n型AlGaN半导体材料，其特征在于，构成外延层交替叠层的单个周期内n型掺杂AlGaN层(101)的厚度为D1，u型非掺杂AlGaN层(102)的厚度为D2，单个周期交替叠层的厚度D＝D1+D2，D值的范围为6～30nm。


3.根据权利要求2所述的一种n型AlGaN半导体材料，其特征在于，所述n型AlGaN半导体外延层的总厚度为单个周期交替叠层的厚度D与生长周期数N的乘积。


4.根据权利要求1至3任一项所述的一种n型AlGaN半导体材料，其特征在于，构成外延层交替叠层的单个周期内n型掺杂AlGaN层(101)的厚度为D1，u型非掺杂AlGaN层(102)的厚度为D2，D1和D2满足关系


5.根据权利要求1所述的一种n型AlGaN半导体材料，其特征在于，单个周期内n...

【专利技术属性】
技术研发人员：江灏，温泉，吕泽升，邱新嘉，
申请(专利权)人：中山大学，
类型：发明
国别省市：广东;44