一种高激活率掺杂氮化铝单晶薄膜的制作方法与流程

1.本发明涉及掺杂氮化铝制备技术领域，特别涉及一种高激活率掺杂氮化铝单晶薄膜的制作方法。


背景技术：

2.随着新能源技术地位的不断崛起，以电力消耗为代表的新能源汽车逐渐呈现取代传统化石能源类汽车的趋势，尽管如此，新能源汽车的全面崛起依然面临着若干瓶颈问题，其中最为重要的即为高可靠性锂电池与高功率快速充电技术的发展。而对于高功率快速充电技术，尽管具有成熟的n、p型掺杂工艺基础，传统的硅基电子功率器件仍旧不能满足于最新的高电压应用需求，其最主要因素即为硅材料仅有1.4ev的禁带宽度使其无法实现较高的耐高压能力。因此，将更宽禁带宽度的半导体材料应用于电子功率器件将对该领域的进一步发展具有重大意义。氮化铝材料以其高达6.2ev的禁带宽度受到业内的广泛关注，而其单晶材料的晶体质量与掺杂激活率将直接作用于其实现器件的最终物理性能：例如耐高压能力、反向开关速度与反向漏电流等。因此，寻找到一种全新的提高激活率掺杂氮化铝单晶薄膜的制作方法，将对新型宽禁带半导体器件领域具有重大意义。


技术实现要素：

3.本发明的目的是提供一种高激活率掺杂氮化铝单晶薄膜的制作方法以解决背景技术中所提及的问题。
4.为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
5.一种高激活率掺杂氮化铝单晶薄膜的制作方法，包括以下步骤：
6.步骤s1、选取待掺杂的氮化铝样品，对其表面进行化学清洗；
7.步骤s2、利用离子注入手段对清洗过的氮化铝样品进行掺杂处理；
8.步骤s3、利用高温退火装置对离子注入掺杂后的氮化铝样品施行退火处理；
9.步骤s4、利用化学试剂对高温退火后的氮化铝样品进行清洗，并用氮气吹干，获得高激活率的掺杂氮化铝单晶薄膜。
10.对本发明的进一步描述：在步骤s1中，待掺杂氮化铝样品采用单晶体材料氮化铝或本征非掺杂氮化铝薄膜材料，氮化铝薄膜材料采用蓝宝石或碳化硅或硅片为衬底。
11.对本发明的进一步描述：在步骤s1中，待掺杂氮化铝样品形状为圆形，直径大小为2寸或4寸或6寸。
12.对本发明的进一步描述：在步骤s1中，待掺杂氮化铝样品表面完全裸漏或者表面经过掩膜处理。
13.对本发明的进一步描述：在步骤s2中，离子注入手段采用si离子实现的n型掺杂或者mg元素实现的p型掺杂。
14.对本发明的进一步描述：在步骤s2中，离子注入处理过程中注入能量设定为1～10000kev，注入离子的深度范围为5纳米至15微米。
15.对本发明的进一步描述：在步骤s2中，离子注入过程中样品的温度范围为-197℃至700℃。
16.对本发明的进一步描述：在步骤s3中，高温退火装置的高温区间温度范围为1500-2000℃，处理时间为15-300分钟，处理氛围为氮气氛围。
17.对本发明的进一步描述：在步骤s3中，退火方式为面对面对片退火，使用的退火容器为石墨材质。
18.本发明的有益效果为：本发明通过结合离子注入与面对面高温退火技术，实现高质量高激活率的氮化铝单晶薄膜掺杂，并通过调控注入离子的种类、注入能量与束流通量实现样品中不同浓度不同元素的高激活率掺杂，该方案操作简单，应用范围广，对体材料与薄膜材料均可实现操作、掺杂调控种类丰富，尤为适于大规模产业化生产。
附图说明
19.图1是本发明的高激活率掺杂氮化铝单晶薄膜的制作方法示意图；
20.附图标记说明：
21.1、氮化铝样品；2、离子束流；3、掺杂氮化铝薄膜；4、高激活率掺杂氮化铝单晶薄膜。
具体实施方式
22.以下结合附图和实施例对本发明进行进一步说明：
23.如图1所示，一种高激活率掺杂氮化铝单晶薄膜的制作方法，包括以下步骤：
24.步骤s1、选取待掺杂的氮化铝样品1，对其表面进行化学清洗。
25.在步骤s1中，待掺杂氮化铝样品1采用单晶体材料氮化铝或本征非掺杂氮化铝薄膜3材料，氮化铝薄膜材料采用蓝宝石或碳化硅或硅片为衬底，待掺杂氮化铝样品1形状为圆形，直径大小为2寸或4寸或6寸，待掺杂氮化铝样品1也可以采用其他形状和尺寸。
26.在步骤s1中，待掺杂氮化铝样品1表面完全裸漏或者表面经过掩膜处理，视生产需要进行选择。
27.步骤s2、利用离子注入手段对清洗过的氮化铝样品1进行掺杂处理，将清洗过的氮化铝样品1放置在离子注入设备的注入腔体中，并对氮化铝样品1注入离子束流2，形成掺杂氮化铝薄膜3。
28.在步骤s2中，离子注入手段采用si离子实现的n型掺杂或者mg元素实现的p型掺杂，掺杂元素也可以采用其他能够引入不同能级的实现异质掺杂的其他多种元素。
29.在步骤s2中，离子注入处理过程中注入能量设定为1～10000kev，注入离子的深度范围为5纳米至15微米。
30.在步骤s2中，离子注入过程中样品的温度范围为-197℃至700℃。
31.步骤s3、利用高温退火装置对离子注入掺杂后的氮化铝样品1施行退火处理。
32.在步骤s3中，高温退火装置可以采用管式退火炉、箱式退火炉等，高温退火装置的高温区间温度范围为1500-2000℃，处理时间为15-300分钟，处理氛围为氮气氛围。
33.在步骤s3中，退火方式为面对面对片退火，即将两组氮化铝样品1上的掺杂氮化铝薄膜3一端相对放置，使用的退火容器为石墨材质。
34.步骤s4、利用化学试剂对高温退火后的氮化铝样品1进行清洗，并用氮气吹干，获得高激活率掺杂氮化铝单晶薄膜4。
35.实施例一：
36.在本实施例中，首先对氮化铝薄膜材料利用镁离子注入制备具有镁掺杂厚度区域为190纳米的氮化铝薄膜；随后利用面对面高温退火技术对注入镁元素处理后的薄膜进行退火处理并激活其中的镁掺杂元素，最终实现具有厚度为190纳米高p型激活率且晶体质量优异的单晶镁掺杂氮化铝单晶薄膜。
37.本实施例的高激活率掺杂氮化铝单晶薄膜的制作方法，包括以下步骤：
38.1)选择蓝宝石上生长的[0001]取向的氮化铝单晶薄膜，利用丙酮进行超声清洗10分钟，后用氮气吹干；
[0039]
2)将清洗后的氮化铝薄膜样品置于离子注入腔体中，将注入元素种类设置为镁元素，注入温度设置为300℃，注入能量设置为300kev，离子束流注入通量设置为1
×
1020/cm2。
[0040]
3)以石墨舟为载体将两片镁元素注入后的氮化铝薄膜材料以面对面对片的形式至于退火炉中，升温至1600℃，在氮气氛围下常压退火处理300分钟，以获得重结晶并且高激活率的镁掺杂p型氮化铝薄膜；
[0041]
4)在氮气气氛保护条件下，自然冷却至室温取出。
[0042]
5)对氮化铝样品进行清洗和吹干。
[0043]
实施例二：
[0044]
在本实施例中，首先对氮化铝薄膜材料利用镁离子注入制备具有镁掺杂厚度区域为85纳米的氮化铝薄膜；随后利用面对面高温退火技术对注入镁元素处理后的薄膜进行退火处理并激活其中的镁掺杂元素，最终实现具有厚度为85纳米高p型激活率且晶体质量优异的单晶镁掺杂氮化铝单晶薄膜。
[0045]
本实施例的高激活率掺杂氮化铝单晶薄膜的制作方法，包括以下步骤：
[0046]
1)选择蓝宝石上生长的[0001]取向的氮化铝单晶薄膜，利用丙酮进行超声清洗10分钟，后用氮气吹干；
[0047]
2)将清洗后的氮化铝薄膜样品置于离子注入腔体中，将注入元素种类设置为镁元素，注入温度设置为300℃，注入能量设置为100kev，离子束流注入通量设置为1
×
1020/cm2。
[0048]
3)以石墨舟为载体将两片镁注入后的氮化铝薄膜材料以面对面对片的形式至于退火炉中，升温至1600℃，在氮气氛围下常压退火处理300分钟，以获得重结晶并且高激活率的镁掺杂p型氮化铝薄膜；
[0049]
4)在氮气气氛保护条件下，自然冷却至室温取出。
[0050]
5)对氮化铝样品进行清洗和吹干。
[0051]
实施例三：
[0052]
在本实施例中，首先对氮化铝薄膜材料利用硅离子注入制备具有硅掺杂厚度区域为90纳米的氮化铝薄膜；随后利用面对面高温退火技术对注入硅元素处理后的薄膜进行退火处理并激活其中的硅掺杂元素，最终实现具有厚度为90纳米高n型激活率且晶体质量优异的单晶硅掺杂氮化铝单晶薄膜。
[0053]
本实施例的高激活掺杂氮化铝单晶薄膜的制作方法，包括以下步骤：
[0054]
1)选择蓝宝石上生长的[0001]取向的氮化铝单晶薄膜，利用丙酮进行超声清洗10分钟，后用氮气吹干；
[0055]
2)将清洗后的氮化铝薄膜样品置于离子注入腔体中，将注入元素种类设置为硅元素，注入温度设置为室温，注入能量设置为200kev，离子束流注入通量设置为1.5
×
1020/cm2。
[0056]
3)以石墨舟为载体将两片硅注入后的氮化铝薄膜材料以面对面对片的形式至于退火炉中，升温至1600℃，在氮气氛围下常压退火处理300分钟，以获得重结晶并且高激活率的硅掺杂n型氮化铝薄膜；
[0057]
4)在氮气气氛保护条件下，自然冷却至室温取出。
[0058]
5)对氮化铝样品进行清洗和吹干。
[0059]
以上并非对本发明的技术范围作任何限制，凡依据本发明技术实质对以上的实施例所作的任何修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明的技术方案的范围内。