MOCVD生长掺杂半导体材料的低温退火方法技术

本发明专利技术一种ＭＯＣＶＤ生长掺杂半导体材料的低温退火方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤１：取一衬底；步骤２：在衬底上采用ＭＯＣＶＤ方法生长一层或多层外延层；步骤３：在外延材料表面淀积一层或多层金属薄层；步骤４：退火；步骤５：腐蚀掉外延材料表面的金属薄层。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于半导体
，特别是指一种金属有机化学气相淀积(MOCVD)生长掺杂半导体材料的低温退火方法。
技术介绍
MOCVD技术是目前在半导体器件领域进行化合物半导体材料和器件结构外延生长的主要技术之一。尤其是这种技术能够实现大面积的、均匀的超薄层外延生长，使得它在电子器件和光电子器件的大批量制作和工业化生长方面得到了广泛的应用。 氢在MOCVD生长中起着十分特殊的作用。MOCVD是采用液态的金属有机物和气态的氢化物为源材料，以氢气或者氮气将二者带入反应室，以热解化学反应的形式在衬底上进行外延的一种方法。在生长的过程中，氢元素起着非常重要的作用。它一方面，可以作为载气，通入反应室，并且有部分热解；另一方面，无论是金属有机物还是气态的氢化物，其热解反应的生成物中都包括氢。氢的存在对外延材料的质量和性能起着非常重要的影响。其在外延层中，经常会和杂质元素(例如GaAs中的C，GaN中的Mg等)结合成键，从而对杂质元素起钝化作用。必须要采用生长后的处理对材料进行激活。下面以氮化镓中的镁为例进行说明。 近年来，化合物半导体材料，尤其是氮化镓及其相关化合物的研究得到了广泛的关注，它被广泛的应用于光电子和电子器件的制备中。氮化镓基半导体材料是继硅和砷化镓基材料后的新一代半导体材料，被称为第三代半导体材料，它具有宽的带隙，优异的物理性能和化学性能。氮化镓基材料通过调整合金的组份，可以获得覆盖从紫外光到可见光这样一个很宽的频谱范围，用氮化镓基半导体材料研制成的激光器在国防安全领域和光信息存储、光显示、激光打印、大气环境检测等民用领域有着重要的应用前景和巨大的市场需求。采用氮化镓制备的发光管来激发荧光粉，可以应用于白光显示和半导体照明工程中，具有节能和长寿命的优点，可望替代传统的照明工具。在电子器件中，氮化镓材料制备的电子器件具有高频，高功率，高抗辐射，高耐压，高温工作的优点，可望在汽车电子和无线通信中获得广泛应用。 对于氮化镓的研究已经进行了近半个世纪，但是由于P型导电的问题一直没有得到解决，阻碍了其器件研究的进一步发展。对这种现象的解释如下氮化镓材料通常是采用MOCVD技术生长的。在它的生长过程中，氢气被作为载气将反应气体携带到衬底表面进行外延生长。并且，作为N源的氨气，其热解产物也包含有氢，Ga的金属有机源热解也有氢生成。这样所生成的H在GaN系材料外延生长的过程中会掺入外延层之内，并且会与P型杂质相结合。这样，P型杂质将被钝化，从而不能提供空穴。因此，难以形成导电的P型半导体。 1989年，日本的赤崎勇采用低能电子束照射(LEEBI)退火的方式第一次在掺Mg材料中得到了P型GaN，1991年，日亚公司的中村修二采用高温热退火的方式得到了可以应用于实际的器件制备P型GaN材料。自此之后，GaN基的器件获得了巨大的发展，得到了广泛的应用。 目前通用的掺Mg的GaN的退火方法是高温退火，即将样品放入退火炉中加热到700摄氏度以上，典型退火时间是10分钟，工作气氛可以为氮气，空气或者惰性气体。 无论是LEEBI的方式，还是热退火的方式，其激活P型杂质Mg的机理都和样品中的氢有关。二阶离子质谱测试结果显示，样品中的H含量随着Mg含量的增加而增加。H在掺MgGa N中与Mg结合，形成Mg-H配位化合物，从而将Mg钝化，使其不能作为P型杂质电离提供空穴。目前的激活方式主要包括两类，一类包括LEEBI和正偏压电子注入方式等，另外一类以热退火方式为主。其中，前一类方法激活的样品，很难在整个外延片的整个表面获得均匀的激活结果；并且，在激活的部分中，其H原子并不扩散出样品，还可能在受热的情况下再与M g结合，从而再次钝化样品；另一方面，后者所描述的激活方法，(参见JP-A-5-183189)，激活的温度通常在700-900度之间，才能够得到较高的载流子浓度。而在这么高的温度下，某些材料的质量将受到破坏，例如InGaN等。这将会对器件的制作造成不利的影响。
技术实现思路
本专利技术的目的在于，提供一种MOCVD生长掺杂半导体材料的低温退火方法，其是针对含有被氢钝化的杂质的化合物半导体工艺，可以对材料进行低温热退火，不仅可以使材料中的杂质得到激活，并且不会破坏材料的质量；这种方法可以广泛应用于化合物半导体材料和器件的制备中。 为了实现上述目的，本专利技术的技术方案为 本专利技术提供一种MOCVD生长掺杂半导体材料的低温退火方法，其特征在于，包括如下步骤 步骤1取一衬底； 步骤2在衬底上采用MOCVD方法生长一层或多层外延层； 步骤3在外延材料表面淀积一层或多层金属薄层； 步骤4退火； 步骤5腐蚀掉外延材料表面的金属薄层。 其中所述的外延层的材料中至少有一层为掺镁或碳元素的III-V材料，或掺有在生长过程中被H钝化杂质元素的材料。 其中所述的金属薄层的材料为镍、钯、铂、铁、钌、锇、钴、铑、铱、钛、锆、镁单质，合金或者化合物，其与氢成键所需要的形成能比杂质元素与氢成键的形成能低。 其中所述的金属薄层的厚度为1nm-120nm。 其中所述的退火的温度为200℃到700℃。 其中所述的退火的时间为5分钟至2小时。 其中所述的退火是在真空、氮气、或惰性气体气氛下进行。 附图说明 为进一步说明本专利技术的具体
技术实现思路
，以下结合实施例及附图详细描述如后，其中 图1是本专利技术方法的流程示意图； 图2是本专利技术的一实施例，是本专利技术表面催化热退火除氢的原理图； 图3是对掺镁氮化镓材料进行退火后，样品的测量结果图。 具体实施例方式 请参阅图1，本专利技术一种MOCVD生长掺杂半导体材料的低温退火方法，下面结合附图和实施例对本专利技术进一步说明，但本专利技术不限于这些实施例。实施例中如图2包括蓝宝石、碳化硅或者氮化镓衬底1，掺Mg的P型GaN外延层2，H原子21，金属薄层3。 本专利技术一种MOCVD生长掺杂半导体材料的低温退火方法，包括如下步骤 步骤1(S10)取一衬底1； 步骤2(S20)在衬底1上采用MOCVD方法生长一层或多层外延层2；所述的外延层2的材料中至少有一层为掺镁或碳元素的III-V材料，或掺有在生长过程中被H钝化杂质元素的材料。 步骤3(S30)在外延层2材料表面淀积一层或多层金属薄层；其中所述的金属薄层的材料为镍、钯、铂、铁、钌、锇、钴、铑、铱、钛、锆、镁单质，合金或者化合物，其与氢成键所需要的形成能比杂质元素与氢成键的形成能低，该金属薄层的厚度为1nm-120nm； 步骤4(S40)退火，退火的温度为200℃到700℃，退火的时间为5分钟至2小时，退火是在真空、氮气、或惰性气体气氛下进行； 步骤5(S50)腐蚀掉外延层2材料表面的金属薄层。 实施例一 具体步骤如下 请参阅图1和图2所示，取一蓝宝石衬底1(S10)； 采用金属有机气相化学淀积的方式(S20)，采用氢气作为载气，使用三甲基镓，三甲基铟，三甲基铝和氨气作为源材料在蓝宝石衬底1上先后淀积缓冲层，N型层，有源区等多外延层2，最后淀积掺Mg的P型氮化镓外延层作为接触层。在实验过程中不采用在位退火的方式除氢。而是在生长完成后在氢气气氛下直接降温将样品取出反应室。形成如图2所示样品。样品中包括大量的与Mg相连的氢原子21。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种ＭＯＣＶＤ生长掺杂半导体材料的低温退火方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤１：取一衬底；步骤２：在衬底上采用ＭＯＣＶＤ方法生长一层或多层外延层；步骤３：在外延材料表面淀积一层或多层金属薄层；步骤４：退火；步骤５：腐蚀掉外延材料表面的金属薄层。

【技术特征摘要】
1、一种MOCVD生长掺杂半导体材料的低温退火方法，其特征在于，包括如下步骤步骤1取一衬底；步骤2在衬底上采用MOCVD方法生长一层或多层外延层；步骤3在外延材料表面淀积一层或多层金属薄层；步骤4退火；步骤5腐蚀掉外延材料表面的金属薄层。2、根据权利要求1所述的MOCVD生长掺杂半导体材料的低温退火方法，其特征在于，其中所述的外延层的材料中至少有一层为掺镁或碳元素的III-V材料，或掺有在生长过程中被H钝化杂质元素的材料。3、根据权利要求1所述的MOCVD生长掺杂半导体材料的低温退火方法，其特征在于，其中所述的金属薄层的材料为镍、钯、铂、铁、钌、锇、钴、铑、铱、钛、锆、镁...

【专利技术属性】
技术研发人员：韦欣，
申请(专利权)人：中国科学院半导体研究所，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]