专利名称：一种减小Mg记忆效应的GaN基pn结的生长方法
技术领域：
本发明涉及半导体材料技术领域，特别是一种可以减小Mg记忆效应的GaN基pn结的生长方法。
背景技术：
III-氮化物是继Si、GaAs等第一、第二代半导体材料之后的第三代新型半导体材料，其中GaN作为宽禁带半导体材料有许多优点，诸如饱和漂移速度高，击穿电压大，载流子输运性能优异以及能够形成AlGaN、InGaN三元合金和AlInGaN四元合金等，容易制作GaN基的pn结。鉴于此，近几年来GaN基材料和器件得到了广泛和深入的研究，MOCVD技术生长GaN基材料日趋成熟；在器件研究方面，GaN基LED、LDs等光电子器件以及GaN基HEMT等微电子器件方面的研究都取得了显著的成绩和长足的发展。目前GaN基器件结构材料生长的难点之一是生长高性能的GaN基pn结(n型层在p型层之上)，造成这一难点的主要原因是由于p型GaN生长中存在Mg的记忆效应。MOCVD技术生长p型GaN基材料时，由于MOCVD生长环境中存在大量的H，GaN中的受主掺杂剂Mg被大量H钝化而不产生空穴，使得激活处理后自由空穴浓度比Mg原子掺杂浓度低2-3个数量级。因此为了获得足够的空穴浓度，需要很大的掺杂浓度，并且由于p型掺杂剂Mg的有机金属化合物是二戊镁(Cp2Mg)，这种化合物饱和蒸汽压低、表面附着性强，即使关闭有机源，在生长室及材料表面还会有大量的残留，因此在p型层生长完后，会在材料表面产生富镁层，并且大量的Mg原子会进入在其上面生长的n型层，造成pn结结面模糊并使得部分n型层被补偿，严重时造成pn结失效。正是由于存在这一难点，使得含有pn结(n型层在p型层之上)的GaN基器件研究滞后，发展缓慢，例如GaN基双极晶体管(BJTs和HBTs)。为了克服这一难点，目前采取的措施主要有生长完p型层后用不含有Mg原子的气体长时间吹扫烘烤生长室和衬托，以减少残余Mg，见D.J.H.Lambert，D.E.Lin，R.D.Dupuis.Simulation of the electrical characteristics of AlGaN/GaNheterojunction bipolar transistors.Solid-State Electron.2000，44253；或采用二次外延方法，即生长完p型层后从生长室中取出，放入没有使用Mg源的生长室中再生长n型层或者采用MBE技术二次外延n型层，见Lee S.McCarthy，Ioulia P.Smorchkova，Huili Xing，et.al，GaN HBTToward an RF Device.IEEE Trans Electron Dev，48543，2001。但是由于进入n型层中的Mg原子与生长p型层时形成的富Mg层中Mg的重新分配有很大关系，因此长时间吹扫生长室或采用二次外延的方法对减少Mg的记忆效应效果不明显，并且造成生长工艺上的复杂性，容易导致二次生长层晶体质量下降，使pn结性能降低。
发明内容
根据以上提出的问题，本发明的目的是提供一种可以减小Mg记忆效应的GaN基pn结的新型生长方法。利用此方法在生长GaN基pn结时可以使因Mg的记忆效应造成的表面富Mg层控制在p型层中并且减小Mg进入n型层中的浓度，增加pn结结面的p型掺杂陡峭性，从而提高pn结性能。
这种减小Mg记忆效应的GaN基pn结生长方法的主要特征是在生长Mg掺杂p型GaN层时，提前适当时间关闭Cp2Mg源，并在p型层上低温生长一薄层GaN，然后再生长n型层，从而可以有效减小Mg的记忆效应对pn造成的不良影响。适当时间可设定为0.5-3分钟，这一提前时间可根据Cp2Mg源流量、生长速度等生长参数的不同而进行调整。
这种生长方法的进一步具体特征是，生长Mg掺杂p型GaN层时，在设定的p型区生长完之前提前关闭Cp2Mg源，并保持其它生长条件可以不变的情况下继续生长p型区，也可以在不含有Mg源的气氛下吹扫一段时间，进一步降低Mg的残留，然后按原条件将p型层生长完；这样生长的目的就是将因Mg记忆效应产生的富Mg层控制在p型层内。在p型层生长完成后，将生长室温度降低，在550℃-850℃范围内生长3-10nm左右非掺杂GaN层，生长低温覆盖层是为了防止Mg原子从富镁层中逸出而进入下面生长的n型层中，可以起到降低Mg记忆效应的目的。生长完低温覆盖层后再生长n型氮化物层。由于低温生长GaN外延膜有机物分解不充分以及化学合成反应缓慢等原因会造成材料中产生较多的缺陷，因此在p型层上生长低温非掺杂GaN时，为了提高低温层晶体质量，可以采用分解温度低的三乙基镓作为镓的金属有机源。
本生长方法可以减少GaN基pn结生长时Mg的记忆效应，和传统的连续生长n-AlGaN/p-GaN结构对比，二次离子质谱结果得出通过用本方法生长的AlGaN/GaN pn结中的p型层中的富镁层没有像传统方法那样大量进入n型AlGaN层中，而是在pn结结面处停止，并且Mg在n型AlGaN中的背景浓度延迟显著下降，p型掺杂界面陡峭度由通常的110nm/decade下降为60nm/decade。因此采用这种新型生长方法，可降低Mg的记忆效应，从而提高GaN基pn结的界面掺杂陡峭度，改善pn结性能。
图1是npn型AlGaN/GaN HBTs结构示意图；图2是本发明pn结生长顺序示意图；图3是样品一的SIMS图谱；图4是样品二的SIMS图谱；图5是样品三的SIMS图谱。
具体实施例方式
为进一步说明本发明的内容，以下结合附图对本发明作一详细的描述。
我们采用MOCVD技术，在2英寸蓝宝石衬底(0001)面上生长了npn型AlGaN/GaN异质结双极晶体管(HBT)材料，结构示意图如图1所示。
其中样品一在生长发射结时采用了本发明的生长方法，按如图2所示的生长顺序来生长发射结，即生长Mg掺杂p型GaN层时，在p型区10生长完后关闭Cp2Mg源，然后保持其它生长条件不变的情况下继续生长外延层11，生长时间约为2min，厚度约为10nm左右，可使得因Mg记忆效应产生的富Mg层控制在p型层内。
在p型层生长完成后，降低生长室温度，在550℃生长8nm左右非掺杂GaN低温覆盖层12，同时也作为发射区和基区的隔离层，然后再生长n型发射层13和发射极帽层。
图3是采用这种方法生长的发射结中Al和Mg组分二次离子质谱分析结果，从图中可以看出p型基区表面BB′区域为富镁层，由于提前关闭镁源，富镁层位于n型AlGaN生长之前(图中A位置表示AlGaN开始生长)，记忆效应引起的Mg元素二次离子质谱谱线拖尾(掺杂浓度变化)可以用来评估结面掺杂的陡峭度，图3中结面掺杂浓度变化约为60nm/decade。
为了显示出这种生长方法的优越性，我们用两种不同的方法生长了两个样品(样品二和三)，以便与用我们发明的方法所生长的样品(样品一)进行对比。第一种生长方法为连续生长(样品二)，即不提前关闭Mg源，而且在生长完p型层后，发射区和基区的隔离层采用高温生长(1000℃左右)，这种方法生长的发射结中Al和Mg组分二次离子质谱分析结果如图4所示，可看出BB′富镁层与AlGaN层出现重叠，说明Mg记忆效应引起的富镁层出现在发射区，这将造成pn结的严重补偿，而且结面掺杂浓度变化约为90nm/decade；第二种生长方法(样品三)是在基区生长完之前提前一定时间关闭了Mg源，然后其它生长参数不变将基区生长完，在生长发射区和基区的隔离层时采用高温生长(1000℃左右)，用这种方法生长的发射结中Al和Mg组分二次离子质谱分析结果如图5所示，可看出BB′富镁层与AlGaN层基本没有出现重叠，说明提前适当时间关闭Mg源可以有效防止富镁层产生在n型层中而引起pn结补偿甚至失效，但由于没有使用本发明中采用的低温生长隔离层，Mg元素在n形层中的拖尾依然较严重，pn结结面掺杂浓度变化约为85nm/decade。用以上两种方法生长的pn结结面掺杂陡峭度明显差于本发明中所采用的方法所生长的pn结结面掺杂陡峭度(Mg掺杂浓度变化约为60nm/decade)。
因此采用提前关闭Cp2Mg源并低温生长覆盖层的方法，有效减小了Mg在pn结结面的记忆效应。
权利要求
1.一种可以减小Mg记忆效应的GaN基pn结的生长方法，其主要特征是，在生长Mg掺杂p型GaN层时，提前适当时间关闭Cp2Mg源，并在p型层上低温生长一薄层GaN，然后再生长n型层，从而可以有效减小Mg记忆效应对pn造成的不良影响。
2.根据权利要求1所述的可以减小Mg记忆效应的GaN基pn结的生长方法，其特征在于，生长Mg掺杂p型GaN层时，在设定的p型区生长完之前提前适当时间关闭Cp2Mg源，其它生长条件不变继续生长p型层，适当时间可设定为0.5-3分钟，这一提前时间可根据Cp2Mg源流量、生长速度等生长参数的不同而进行调整。
3.根据权利要求1所述的可以减小Mg记忆效应的GaN基pn结的生长方法，其特征在于，p型层生长完成后，将生长室温度降低，在550℃-850℃范围内生长3-10nm左右非掺杂GaN层，然后再生长n型氮化物层。
4.根据权利要求1或3所述的可以减小Mg记忆效应的GaN基pn结的生长方法，其特征在于，在p型层上生长低温非掺杂GaN层时，为了提高低温层晶体质量，可以采用三乙基镓作为镓的金属有机源。
全文摘要
本发明涉及III－氮化物半导体材料技术领域，特别是一种可以减小Mg记忆效应的GaN基pn结的生长方法。采用提前关闭Cp
文档编号H01L21/20GK1892985SQ20051001210
公开日2007年1月10日 申请日期2005年7月7日 优先权日2005年7月7日
发明者冉军学, 王晓亮, 李建平, 胡国新, 王军喜, 王翠梅, 曾一平 申请人:中国科学院半导体研究所