一种用于氮化物半导体材料退火的新型加热衬托制造技术

本实用新型专利技术涉及半导体材料技术领域，一种用于氮化物半导体材料退火的新型加热衬托。由石英支架（１０）、衬托（１１）、蓝宝石片（１２）、样品（１３）、热电偶（１４）组成，衬托（１１）位于石英支架（１０）之上，蓝宝石片（１２）位于衬托（１１）之上，热电偶（１４）位于衬托（１１）之下，样品（１３）位于蓝宝石片（１２）之上。在氮化物材料退火处理时采用这种加热衬托，氮化物在快速退火设备中退火时，在石英架上放上此种衬托作为加热衬托，将蓝宝石片放在此种衬托上，氮化物外延层面朝下扣于蓝宝石片上进行退火，利用这种加热衬托进行氮化物材料退火，可以减少退火过程中衬托对外延片的不良影响，提高退火均匀性，提高晶体质量。（*该技术在2015年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及半导体材料
，特别是一种用于氮化物半导体材料退火的新型加热衬托。
技术介绍
GaN基氮化物半导体材料作为优良的宽禁带半导体材料在制作光电子器件和微电子器件方面具有巨大的潜力，获得性能良好的p型GaN基材料是实现这些器件的关键技术之一。但是目前p型氮化物发展不成熟，MOCVD工艺生长Mg掺杂氮化物外延层时，作为载流气体的H2以及反应物NH3和有机源分解出的H与Mg结合成Mg-H复合体而钝化了氮化物外延层中的Mg受主，并且Mg形成的受主能级较深，这些影响使得Mg受主激活率很低，p型氮化物中的空穴浓度低，电阻率较大。GaN基光电子器件如光发射二极管和激光二极管，以及微电子器件如双极型晶体管等性能由于目前p型GaN基材料性能差而受到严重影响。为了激活受主Mg原子，获得p型材料，目前仍然普遍采用1992年日本专利技术的在N2气氛下热退火激活Mg原子方法，见S.Nakamura，T.Mukai，M.Senoh，et al.Thermalannealing effects on p-type Mg-doped GaN films.Jpn.J.Appl.Phys.1992，31L139。目前采用的退火设备是利用聚光腔内的卤钨灯产生的光辐照，通过石英盒照射到样品上，当聚光腔内的石英架上的样品是一光吸收体，腔内的光线将被样品吸收，光能转化成热能，样品的温度迅速升高从而达到退火的目的，用MOCVD技术在蓝宝石衬底上外延生长的氮化物薄膜样品吸收光能的能力很弱，样品的加热需要石英架上的加热衬托吸热来升温。以前使用的加热衬托为单晶硅片，对于Mg掺杂的p型GaN来说，使用Si片作为加热热源衬托在高温下容易对退火外延膜产生污染，因为Si在GaN中是施主原子，当外延层与硅片在高温下接触时大量的Si原子进入Mg掺杂氮化物中造成补偿；相对于金属，单晶硅片是热的不良导体，因此退火过程中升温降温所用的时间相对较长，这对退火时间的控制产生不良影响；另外，由于在升温降温过程中产生大量的热应力，在应力驰豫时容易使晶片弯曲，因此单晶硅片经过几次高温退火后，往往变得翘曲不平，这对退火的外延片的平整度产生不良影响，用金属作衬托则大大降低这种不良影响。
技术实现思路
根据以上提出的问题，本技术的目的是提供一种Mg掺杂氮化物半导体材料退火时使用的新型加热衬托，利用这种加热衬托减少退火过程中衬托对外延片的不良影响，经过适当的温度、时间退火后获得高质量的p型氮化物外延膜。另外，这种加热衬托也可用于其它半导体材料的退火过程。这种利用新型的加热衬托退火获得高质量p型Mg掺杂氮化物外延片，其特征在于，由石英支架(10)、衬托(11)、蓝宝石片(12)、样品(13)、热电偶(14)组成，衬托(11)位于石英支架(10)之上，蓝宝石片(12)位于衬托(11)之上，热电偶(14)位于衬托(11)之下，样品(13)位于蓝宝石片(12)之上，在快速退火设备中退火时，在石英架上放上金属钼片作为加热衬托，将蓝宝石片放于钼片上，样品氮化物外延层面朝下扣于蓝宝石片上进行退火，样品是p型Mg掺杂的氮化物材料，包括Mg掺杂GaN，InGaN，AlGaN，以及InAlGaN等氮化物半导体材料。在适当温度、时间下退火后可获得空穴浓度高、均匀性好、晶体质量高的p型氮化物薄膜。样品也可以是其它化合物和元素半导体材料。圆形金属Mo片的直径根据退火设备中石英支架和外延片的尺寸大小进行加工，金属Mo片的厚度在1-3mm左右。金属钼片的厚度在2mm左右。该种衬托也可用于其它半导体材料的退火工艺过程中，如其它化合物和元素半导体材料。本技术和现用的硅片衬托相比有以下优点，不会对样品产生污染，不存在造成p型GaN补偿的施主Si原子；升温降温快，更容易精确控制退火时间；多次高温退火后不易变形，耐用。附图说明图1(a)是本技术俯视图；图1(b)是图1(a)的A-A面剖视图；图2是p型Mg掺杂GaN样品退火前后DCXRD摇摆曲线图；图3是p型Mg掺杂样品退火前后光荧光测试结果图。具体实施方式为进一步说明本技术的内容，以下结合附图对本专利技术作一详细的描述。我们利用这种加热衬托获得了高质量p型Mg掺杂GaN外延片。采用MOCVD技术，在2英寸蓝宝石衬底(0001)面上外延生长厚度约1.5um的高阻非掺杂GaN层，然后在上面外延生长厚度大约为0.5um的Mg掺杂GaN薄膜。退火时采用RTP300型快速退火设备，采用金属钼片代替硅片作为加热衬托，如图1(a)、(b)所示，将金属钼片衬托(11)放在石英支架(10)上，然后将蓝宝石片(12)放于钼片衬托(11)上，样品(13)外延层面朝下扣于蓝宝石片(12)上进行退火。为了得到较佳的退火工艺，我们在650℃-1100℃的温度范围内，采用不同温度、不同退火时间分别对样品进行退火处理，经过多次实验我们发现退火温度在700℃以下时电阻率在30Ω·cm以上，在750℃以上退火，电阻率下降速度趋缓，到950℃其电阻率降到2.5Ω·cm。经较低温度退火后，样品导电类型变为p型，只是空穴浓度较低；在750℃以上温度退火后，空穴浓度可达到1017上，并随退火温度的升高而增大；在950℃退火后，其空穴浓度可高达5×1017cm-3以上。以上结果说明采用这种新型衬托经适当的温度、时间退火后可获得空穴浓度高、电阻率低的p型GaN外延膜。(14)是热电偶。如图2样品退火前、后GaN(0002)面X-射线双晶衍射摇摆曲线所示，退火前后样品的半峰宽(FWHM)基本没有变化，约为4弧分在Mg掺杂浓度较高和经过高温退火处理后样品仍保持原生样品的晶体质量，说明用这种新型衬托高温退火后对样品的晶体质量几乎没有不良影响。根据图3样品退火前、后光荧光测试结果可看出采用这种新型衬托退火后发光峰位和退火前相比基本没有变化，都在2.85eV左右，这个发光峰是由于深施主能级(DD)到MgGa受主能级间跃迁产生的，并且由于退火打破了Mg-H复合体，很大程度上消除了H对受主的钝化作用，大量的受主Mg激活，使退火后的发光强度是退火前的8倍多，以上结果说明采用这种新型衬托退火后，样品的发光性能得到了明显提高。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种氮化物材料退火时使用的新型加热衬托，其特征是，由石英支架（１０）、衬托（１１）、蓝宝石片（１２）、样品（１３）、热电偶（１４）组成，衬托（１１）位于石英支架（１０）之上，蓝宝石片（１２）位于衬托（１１）之上，热电偶（１４）位于衬托（１１）之下，样品（１３）位于蓝宝石片（１２）之上，在石英支架上放上金属钼片作为加热衬托，将蓝宝石片放于钼片上，氮化物外延层面朝下扣于蓝宝石片上。

【技术特征摘要】
1.一种氮化物材料退火时使用的新型加热衬托，其特征是，由石英支架(10)、衬托(11)、蓝宝石片(12)、样品(13)、热电偶(14)组成，衬托(11)位于石英支架(10)之上，蓝宝石片(12)位于衬托(11)之上，热电偶(14)位于衬托(11)之下，样品(13)位于蓝宝石片(12)之上，在石英支架上放上金属钼片作为加热衬托，将蓝宝石片放于...

【专利技术属性】
技术研发人员：王晓亮，冉军学，李建平，胡国新，王军喜，曾一平，李晋闽，
申请(专利权)人：中国科学院半导体研究所，
类型：实用新型
国别省市：11[中国|北京]