在半绝缘Ⅲ族氮化物中用于费米能级控制的共掺杂的制作方法

专利名称：在半绝缘Ⅲ族氮化物中用于费米能级控制的共掺杂的制作方法
技术领域：
本发明涉及半导^^才料，更具体地，涉及半绝缘n镞氮化物半导体层。
背景技术：
已纟拨鹏料如硅(Si)和砷化姨GaAs难條力斜口 (Si盼清况下)低频应用的 半导皿件中具有广泛应用。然而由于半导^t才料相对小的带隙(例如在室温下 Si为1.12eV，而GaAs为1.42)禾口/淑目对小的击穿电压，这些更突總的半导^W才 料可能不适舒更高功斜喊高鹏用。
鉴于Si和GaAs带来的困难，对高功率、高温称或高步MZ用禾口器件的兴趣转 向了宽带隙半导^t才料如碳化幾在室温下"SiC为2.996eV)和II膝氮化顿如室温 下GaN为3.36eV)。与砷化繊卩硅相l;bS些材料典型地具有更高的电场击穿强度 和更高的电^Ft包和速率。
在由i顶夷氮化物制造高功斜n/或高频器件中，在半^^n镞氮化物层如半绝
缘GaN称或AlInGaN层上制3t3^些器件可能是有益的。M51认真控制未掺杂的 GaN的沉积斜牛，而制3^櫞GaN层。iffil利用Fe或C驗GaN层，也B^圣 制造了纟櫞GaN层。虽然这样的駄會飾腊半绝缘II嗾氮化物层，但在生产斑呈 之间的变化可导i^f得层纟^ft性的差别。

发明内容
本发明实施例提供半绝劍I鹏氮化物半导体层和制造半绝缘丽矣氮化物层 的方法。在本发明的某些实施例中，伟隨半纟纖顶矣氮化物层包擬,浅育激p
型驗剂掺杂n镞氮化物层和利用深肯激掺杂剂^^n镞氮化物层。深育激J緣
剂的浓度大于浅育激p型掺杂剂的浓度。在本发明的具体实施例中，深育激掺杂 剂是深能级过渡金属掺杂剂。另外，浅能级掺杂剂的浓度可以是净浓度(net concentration)。
在本发明的进一步实施例中，浅育激p型^^剂的浓度大于由祖顶矣氮化物 层中的缺陷和不希望的杂质弓l起的背景浓度(backgroundconcentration)。浅育激p 型^V剂的浓度可以小^^勺1X 1017crtf3。浅育激p型驗剂可以是Mg禾n/或Zn禾口/鄉它p型掺杂剂。深育激逾I^Mt^齐呵以是Fe、 Co、 Mn、 Cr、 V禾P/ 或Ni禾n/g它M^^属fi^剂。在本发明的具体实施例中，深會激M^^属掺 杂剂是Fe。
在本发明的另夕卜的实施例中，浅育激p型掺杂剂的浓^^够使深育繳迹脸 属矛綠剂的鄉主能级成为深育激过^^属掺杂剂的主要育激(dominant energy level )0
在本发明的又一些实施例中，深育激逾I^Mi^剂的浓輕少是浅肯激p 型掺杂剂浓度的大约三倍。在本发明的具体实施例中，深育激逾^Mf^剂的
浓度大于约2X10"cm-3。在本发明的其它实施例中，深肯激迹I^Mt^剂的浓 度可以是约2X1016011-3。并且，禾,浅育激？型^^剂的 和利用深育激逾度 金属的J綠可以基本上同时进行。例如，可以禾偶化学气相沉积生銜顶矣氮化物 层，在化学气相沉积期间可以进fi^佣浅會激p型^^剂的^^和禾佣深會繳过
在本发明的进一步实施例中，舰利用具有浓度小于约1X 1017cm-3的浅育激
驗剂掺杂n腺氮化物层和禾佣深育激^v剂例如深育激逾i^属^^齐膨杂in
族氮化物层，而制造半绝缀顶夷氮化物层。深育激^^剂的浓度大于浅肯激^緣 剂的浓度。在本发明的具体实施例中，深育激逾I^1^^剂的浓度大于约2X 1017cttf3。在本发明的其它实施例中，深能级过渡金属掺杂剂的浓度为约2X 1016cm-3。浅兽激，#^剂的浓度可大于由祖顶矣氮化物层中的缺陷和不希望的杂质 弓胞的背景浓度。浅育激^^剂的浓度可以是净浓度。
在本发明的具体实施例中，浅育激#^剂是11型 ^剂。深育激M^^属掺 杂齐呵以是Fe、 Co、 Mn、 Cr、 V禾tV或M禾口/鹏它逾I^属掺杂剂。并且，可 以选择p型J^V剂和n型^^剂的其中一种作为浅肖繳^^剂，以分别使得深能 级过渡金属掺杂剂的鄉主會激成为深育激逾^1^^剂的主要肖激，或使得 深會激迹I^属掺杂剂的类鼓肖激成为深肖激迹I^属掺杂剂的主要育激。
在本发明的另一些实施例中，M:包含浅倉激P型掺杂齐诉聰育激^^剂例
如深能级边度金属驗剂的n腺氮化物层而麟半纟櫞半导^t才料层。深育激过 ^^属掺杂剂的浓度大于浅育繳p型掺杂剂的浓度。浅育激p型^^剂的浓度可 以大于由祖I镞氮化物层中的缺陷和不希望的杂质弓胞的背景浓度。浅育激p型
#^剂的浓度可以小于约1X 1017cttf3。浅f激p型J綠齐阿以是Mg和/或Zn禾tV戯它p型掺杂剂。深會激逾^^属^^齐呵以是Fe、 Co、 Mn、 Cr、 V称或Ni
禾n/鄉它逾t^属麟剂。并且，深會激逾t^属^^剂的^ii育繳可以是深
能级过渡金属J綠齐啲主要肖激。在本发明的另一些实施例中，深肯激逾I^属 J綠剂的浓輕少是浅育繳P型^^齐脓度的大约三倍。在本发明的具体实施例 中，深育激逾I^属^^剂的浓度大于约2X10170^30在本发明的又一些实施例 中，深育該及逾I^属^^剂的浓度是约2X10160^30
在本发明的再又一些实施例中，由包含具有浓度小于约1X 1017cm-3的浅育激 掺杂剂和深能级掺杂剂例如深育激迹I^属掺杂剂的II镞氮化物层，而衛共半绝 缘半导##料层。深肖繳逾^^属，#^剂的浓度大于浅育激掺杂剂的浓度。浅能 级掺杂剂的浓度可以大于由祖顶矣氮化物层中的缺陷和不希望的杂质导致的背景 浓度。浅倉激^^齐阿以是n型^V剂。深倉繳逾I^属^^齐阿以是Fe、 Co、 Mn、 Cr、 V禾口/或M禾口/鹏它a^^属^^剂。如果浅會激掺杂剂是n继f^剂， 则深能级过渡金属掺杂齐啲类受主能级可以是深能级过渡金属掺杂剂的主要能 级。深能级过渡金属J緣剂的浓度可至少是浅育激^^剂浓度的大约三倍。在本 发明的具体实施例中，深育激逾I^属驗剂的浓度大于约2X1017(^3。在本发 明的其它实施例中，深肖激迹I^属^^剂的浓度是大约2X 1016cm-3。


图i是说明根据本发明的实施例帝腊半^^n嫉氮化物w^作的流程图。
图2是说明根据本发明的另一实施伊跑腊半绝缘II嫉氮化物层的操作的瀬呈图。
图3是说明与浅鼓對綠以把费米肯激钉扎(pin) ^M^属MV剂的类 脏離及处的能带图。
图4是说明与浅皿脚^以把费米育激钉扎^^^属#^剂的类受主能 级处的能带图。
具体实驗式
现在在下文中将参考附图更全面地描赫发明，附图中示出了本发明的实施 例。然而，本发明可以以许多不同的形式体现，并且不应该!麯早释为限于这S^f 述的实施例；而是，掛共鹏实施例以使得这个公开内容是全面和識的，且将 完封也把本发明的范围传超合本领:l^:人员。在全文中相同的附图梳B^^相 同的元件。如本领:1#^术人员可以理解，这里指的在衬底鄉它层"上"形成的层可以指直接在衬底或其它层上、繊寸底鄉它层上形成繊入层上形成的层。 这里4顿的术语"称或"包括相关列出项目的一个或多个的任意^^有组合。
本发明的实施例可以^顿具有浅能级掺杂剂和深會激^^剂的n膝氮化物 层的共掺杂以提供半绝缘n嗾氮化物层的可 页测特性。术语"半绝缘"是在相对 意义上而不是在纟舰意义上描述性地i顿的。在本发明的具体实施例中，半乡條
IIB夷氮化物层在室温下具有等于或高于约1X105 Q"cm的电阻率。
本发明的实施例可特别适合用在氮化物^I件如I顶夷氮化物SI件中。如这
里所用的那样，术语"n镞氮化物"是指在艱卩通常为锊A1)、織Ga)禾0/或fS(In) 的周期莉I镞中元素之间形成的那些半导体化溯。该术语也指三簡晒元化合 物，如AlGaN和AlInGaN。本领J^^人员非常璣军，II嗾元素可以与氮结合以 形成二元(例如GaN)、三元(例如AlGaN、 AUnN)和四元(例如AlInGaN)化 激。这對七溯都具有成分式，其中1摩尔的氮与总量为1摩尔的I顶玩素结 合。因此，经常用其中0《x《1的赋如AlxGaLxN描述它们。
在图1的瀬呈图中说明了根据本发明实施例的材料的铜J^i程。如图1中可 以看出，利用浅育激驗剂以小于约1 X 10"crtf3的浓度掺杂I瓜夷氮化物层(块 100)。浅育激^^齐阿以是n型^^剂或p型，i^剂。例如，浅肖激^^齐阿以 是Si、 Ge、 0、 Mg或Zn禾P/戯它p型或n型^^剂。如这M^f用的，浅肯激掺 杂剂是指具有魏赃兽繳的 ^剂，其中该肖娜巨莉I腺氮化物层的导带或价 带比特意弓l入的深能级掺杂剂的予腕主要肖激顿。在本发明的具体实施例中， 浅倉激^^剂的独脏肯激祖顶矣氮化物层的导带或价带的约0.3eV以内。
n镞氮化物层掺杂有深倉激^^剂例如M^^属，以致使得I顶夷氮化物层半
绝缘(块110)。深育激迹I^属^^齐阿以例如是Fe、 Co、 Mn、 Cr、 V种或 Ni禾口/鄉它逾I^Mt^剂。也可以4顿其它深育激^^剂，例如C繊复溯。 在本发明的具体实施例中，深肯激逾I^属^^剂是Fe。如这M^f用，深育激掺 杂剂是指具有距导带或价带的足够大肯瞳的^^剂，以使个# 作驗下，非常 少量的自由载流传雜于导带或价带中。例如，具有从导带大于约0.5eV的能 级和贡 小于1014cm'3自由载流子的掺杂齐阿以被认为是深會激掺杂剂。
提供小于约1X 1017cm-3的浅兽激^^剂浓度可以允许产生一个半绝缘层，其 具有的深會激^^剂浓度比具有大于约1X 1017cm-3的浅會激掺杂射浓度可能需要 的深肯激掺杂剂浓度要低。錢些环境下可能不需要更高浓度的深育激掺杂剂。例如，与低浓度的Fe相比高浓度的Fe可以增加俘获。因此，这有利于^f共具有 更低浓度的Fe的半^^III^氮化物。
图2说明了本发明的另一些实施例。如图2中所示，禾l调浅育激p型^^剂 (块200) f^VII嗾氮化物层。例如，浅會激p型^^齐阿以是Mg或Zn禾P/鄉
它p型矛#^剂。n藤氮化物层也^^有深兽激^^齐,如逾i^属，以致使得III
族氮化物层半纟櫞(块210)。深育該及逾1^属，#^齐呵以是例如Fe、 Co、 Mn、 Cr、 V禾口/或M。也可以OT其它深育激，錄剂例如C^^t)。在本发明的具 体实施例中，深會激逾I^M掺杂剂是Fe。
也可以衛共图1和2的组合，其中樹共具有浓度小于约1X 1017orf3的浅倉繳 p型驗剂。
在如图1和2中所示的半纟^^n嫉氮化物的翁MMi呈中，深育繳^^剂的浓
度大于浅育激掺杂齐啲浓度。在本发明的具体实施例中，深肖激^^剂的浓度大 于浅能级掺杂剂的净浓度。如这里f顿的，术语净浓度是指浅育繳 ^剂的有效 浓度。在本发明的某些实施例中，深育激逾I^属掺杂剂的浓輕少是浅離及掺 杂剂浓度的大约三倍。深會激^^剂的具^^^7X平观决于器件称鄉,半绝 缘11膝氮化物层制造的器件的{顿。在本发明的具体实施例中，深育繳逾^^属 掺杂齐阿以具有大于约2X 1017cirf3的浓度。在利用半绝缘层制造的功^^件中这 样的浓度可以例如提供更高的击穿腿。在本发明的其它实施例中，深膨及迹度 金属掺杂齐阿以具有约2 X 1016crrf3的浓度。在利用半绝缘层律隨的功^l件中这 样的浓度可以例如衛共更高的功率密度。
并且，浅離及^V剂的浓鹏该比由缺陷和不希望的杂质弓胞的背景浓度更 大。在本发明的具体实施例中，浅倉激^^剂的浓^^够大以致于材料的费米能 级的位置在没有深能级掺杂剂时被浅離及^V剂控制。然而，深育繳^V剂浓度 高于浅能级掺杂剂浓度，因ltW料的棘倉激被钉扎在与深兽繳，t^剂相关的能 级。
根据浅會激!#^剂是n型或p型，可以^^深會激掺杂剂的不同特性和會激。 i娠的电阻斜B俘辦争性可以受浅肖激麟剂是p型还是n麟响。例如，如果 深能级掺杂剂具有两个能级，其中一个育繳是 ±的，而另一个是类鼓的， 则瞎况可能是这样的。因此，例如，如果浅會激Jt^剂是p型，贝條育激,緣剂 的主要肖繳可以是1 ±的。在图3的育蹄图中说明了这样的瞎况。如果浅肯激^^剂是n型，贝蝶倉激掺杂剂的主要會繳可以是类鼓的。在图4的能带图中 说明了这样盼膚况。因此，i!31浅育激^^剂的选择，可以控帝iJ^^层的肯激 的特性，以成为类鼓的^ltt的。如这SM糊的，类鼓的是指在深兽繳 鼓能级处具有额外的电子，其中客砂卜的电子在:^^盼瞎况下将^t，而 IMi的是指在深能级施主育激处具WI^、的电子，其中^>的电子在不^1綠 的情况下不雜。因此， :在深會^ ^剂和浅肯激#^剂组合的基础上粒 层的费米能级，得到的层的特性可以是更易于再生的，且在^bMf呈之间的变化 会减小、最小化称或繊。
另外，例如，CT^例如化学气相沉积形鄉I腺氮化物层期间，可以利用浅 和深能级掺杂剂基本上同时掺杂m族氮化物层。ni族氮化物层的形成可以由
MOCVD^:领m^人员已知的其^^术樹共，例如MBE、 HVPE、溶液生长
禾n/或高压生长。n嫉氮化物层的掺杂可并入作为生^x艺的一部分称或可以例如 在生长后iiai注入而提供为一个分离的工艺。例如，在本发明的具体实施例中，
在流动Cp2Fe和Cp2Mg两者(用于p型^^剂)或S线(用于n型^^剂)时， 可以{顿MOCVD制造半纟^ail^氮化物层。可选^iM附加地，DeZn、 GeH4、
Si2H6、 H20称或02也可以用j^^齐鹏。也可以j顿其它源。
在本发明的某些实施例中，在衬底上形成半^^II嫉氮化物层，在衬底上形
成氮化物基半绝缘层，可以是碳化硅衬底称廳禾n/逝i嗾氮化物衬底称廳和/
或缓冲层。而且，半绝缘而夷氮化物层可以被樹射乍为衬底。因此，术语层包括
层禾n/^w底。在本发明的具体实施例中，其上形成有半^^n镞氮化物层的衬底
可以是半乡條碳化硅(SiC)衬底，其可以是例如4H多型碳化硅。其它的碳化硅替 代物多型包括3C、 6H和15R多型。
碳化硅相对非常翻的用于I職氮化物器件的衬凝才料蓝宝石(A1A)具有 更接近于II镞氮化物的晶格匹配。更微的晶格匹配可以得至吡鄉宝石Jlffi常
可得的那些臓量更高的n鹏氮化物膜。碳化硅也具有非常高的导热性，使f雜 碳化能上的n腺氮化物器件的总输出功率典型地不像SM宝石上形成的相同器件
的情7朋I3样受衬底散热的限制。由例如本发明的规人Durham N.C.， Cree， Inc. 伟l，当的SiC衬底，且例如在美国专利No. Re. 34,861; 4,946,547; 5^200,022和 6,218,680中描述了^的方法，这里引入其，内容作为参考。类柳也，在例如 美国专利No. 5^210,051; 5,393,993; 5,523,589;和5,292,501中描述了用于外延生銜顶夷氮化物的t^:，这里也引入其，内容作为参考。
虽 化硅柳劍1腺氮化物可以用作衬)^才料，但本发明的实施例可以^OT ftf可适当的衬底，例如蓝宝石、氮化铝、硅、GaAs、 LGO、 ZnO、 LAO、 InP等。 錢些实施例中，也可以形鹏当的缓冲层。
例如，n嗾氮化物层也可以被退火以除去本征缺陷和杂质，例如氢，其可能 由半绝缘n膝氮化物层的翔t^产生。例如，对n镞氮化物层可以进行后生长氮 退火。
在附图和说明书中，已经公开了本发明典型的实施例，虽然采用了具体的术 语，但它们仅仅为一般性和描述性的，并不翻于限律啲目的。
权利要求
1、一种制造半绝缘III族氮化物半导体层的方法，包括利用具有浓度小于约1×1017cm-3的浅能级掺杂剂掺杂一III族氮化物层；和利用深能级掺杂剂掺杂该III族氮化物层，其中深能级掺杂剂的浓度大于浅能级掺杂剂的浓度，其中深能级掺杂剂包括深能级过渡金属掺杂剂。
2、 如权利要求1的方法，其中浅育激^^剂的浓度是净浓度。
3、 如权利要求1的方法，其中浅育激MV剂的浓度大于由祖I镞氮化物层中的缺陷和不希望的杂质弓胞的背景浓度。
4、 如权利要求l的方法，其中浅育激^^齐抱括n型，i^剂。
5、 如权利要求1的方法，其中深育激逾I^Jt^齐咆括Fe、 Co、 Mn、 Cr、 V禾喊Ni。
6、 如权利要求l的方法，其中深倉繳逾^^属^^齐抱括Fe。
7、 如权利要求1的方法，进一步包^^择p型^^剂和n型^^剂的其中一种作为浅能级驗剂，以分别使得深育織逾^^属掺杂剂的^i育激成为深肖該及过渡金属，錄剂的主要育激，或使得深肖激逾I^属^^剂的类鼓育激成 为深離及逾I^Mt^剂的主要肖激。
8、 如权利要求1的方法，其中深育激迹I^属^^剂的浓輕少是浅會繳 驗剂浓度的大约三倍。
9、 如权利要求1的方法，其中禾蹄浅育激^^剂的^^和禾,深育^^度 ^M的^^在生^X艺期间进行。
10、 如^l利要求1的方法，进一步包擬,化学气相沉积生份I腺氮化物层， 其中在化学气相沉积期间进斗拜鹏浅肖繳 ^剂的驗和禾佣深倉激逾1^属的 驗。
11、 如权利要求1的方法，其中深能级过渡金属掺杂齐啲浓度大于2X 10W3。
12、 如权利要求1的方法，其中深育激逾I^^^剂的浓度是2X 1016cm'3。
13、 一种半绝缘半导^t才料层，包括包含一具有浓度小于lX10"cm'3的浅能 级掺杂剂和一深育激鋭剂的II膝氮化物层，其中深育激 ^剂的浓度大于浅能 级J錄剂的浓度，其中深兽激^^齐抱括深育激迹I^属^^剂。
14、 如^l利要求13的半导^^才料层，其中浅育激掺杂剂的浓度大于由祖II 族氮化物层中的缺陷和不希望的杂质弓胞的背景浓度。
15、 如权利要求13的半导術才料层，其中浅會激^^齐泡括n型掺杂剂。
16、 如权利要求13的半导^^才料层，其中浅育激^^剂的浓度是净浓度。
17、 如权利要求13的半导淋才料层，其中深會激逾I^属掺杂齐抱括Fe、 Co、 Mn、 Cr、 V称或Ni。
18、 如权利要求13的半导#^才料层，其中深倉激逾I^属掺杂齐抱括Fe。
19、 如权利要求13的半导##料层，其中浅育激J緣齐咆括n型Jf^剂，且深育激逾l^i掺杂剂的类受主肖激是深育激过^^属掺杂剂的主要育激。
20、 如权利要求13的半导^t才料层，其中深育激逾1^属 ^剂的浓輕 少是浅肖激^^剂浓度的大约三倍。
21、 如权利要求13的半导^t才料层，其中深倉激迹1^属^^剂的浓度大 于2X10W。
22、 如权利要求13的半导術才料层，其中深會激迹I^1掺杂剂的浓度是2 X1016cm—3。
全文摘要
半绝缘III族氮化物层及制造半绝缘III族氮化物层的方法，包括利用浅能级p型掺杂剂掺杂III族氮化物层，和利用深能级掺杂剂如深能级过渡金属掺杂剂掺杂III族氮化物层。这样的层和/或方法也可以包括利用浓度小于约1×10¹⁷cm^-3的浅能级掺杂剂掺杂III族氮化物层，和利用深能级过渡金属掺杂剂掺杂III族氮化物层。深能级过渡金属掺杂剂的浓度大于浅能级p型掺杂剂的浓度。
文档编号H01L21/205GK101556915SQ20091013807
公开日2009年10月14日 申请日期2004年9月28日 优先权日2004年1月7日
发明者A·W·萨克斯莱尔 申请人:克里公司