一种利用氟离子注入实现氮化镓中诱导形成2DHG的方法与流程

本发明属于半导体技术领域，具体涉及一种通过离子注入氟在宽禁带半导体材料氮化镓中诱导生成二维空穴气的方法。

背景技术

具有高电导率的p型gan和algan外延材料对于各种电子和光电子器件都非常重要，但是由于mg杂质在gan外延材料中形成深能级大大降低了杂质的激活效率，加上在重掺杂条件下空穴的迁移率也大幅减小，导致p型gan材料的电导率一直得不到有效的提高，而在禁带宽度更高的algan外延材料中，p型材料的电导率就更低了。尽管存在以上的困难，p型的gan和algan材料还是在激光器、太阳盲紫外探测器等光电器件和含有p沟道的mosfet功率器件中得到了应用。随着对器件性能要求的进一步提高，对于高电导率p型gan和algan的需求也越来越迫切。在这种应用背景下，p型gan/algan量子阱被引入用于提高mg的掺杂效率，并利用gan和algan强烈的自发极化效应和两者间大晶格失配所导致的压电极化在algan/gan处形成二维空穴气(2dhg)，很大程度上提高了表面的algan的空穴浓度，降低了面电阻率，从而减小器件接触电阻。

选择区域掺杂对于制备高性能电子器件来讲是非常重要的，比如可以用来减小欧姆电极的接触电阻和优化器件内部电场的分布等。然而，原位生长掺杂技术无法实现选择性区域掺杂。所以，为了制备高性能的gan基器件，许多研究者期望能够采用离子注入的方法来实现gan材料的有效p型掺杂。不过，与原位生长掺杂所面临的问题一样，离子注入mg受主后电离效率仍然很低。2017年，美国能源部已将利用离子注入技术实现gan材料有效p型掺杂和高性能的gan基pn结的制备列入最重要的研究课题之一。基于离子注入技术在gan中诱导产生2dhg的方法与已有的利用异质结极化效应生成2dhg的方法相比，制备工艺简单，并且可以后期应用于制备p沟道的ganmosfet等器件，应用前景广泛。

目前主流硅工艺均采用离子注入技术实现n型和p型材料，得益于离子注入的以下优点：①纯净掺杂，离子注入是在真空封闭腔体中进行的，同时使用高分辨率的质量分析仪，确保了注入离子的统一性；②掺杂浓度不受平衡固溶度的限制，可以达到扩散等方法所无法达到的掺杂浓度；③离子注入的浓度和深度分布精确可控，注入的离子浓度决定于累计的束流，深度分布则由加速电压控制；④注入离子时的衬底温度可自由选择；⑤确定范围内均匀注入，离子注入系统中的束流扫描装置可以保证在选定的面积范围内具有很高的掺杂均匀性。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种利用氟离子注入实现氮化镓(galliumnitride，gan)中诱导形成二维电子气(2dhg)的方法。

本发明提供了一种利用氟离子注入实现gan中诱导形成2dhg的方法，包括以下步骤：

s1：提供一衬底；

s2：在所述衬底上形成n型gan半导体层；

s3：在所述n型gan半导体层上形成金属电极，所述金属电极为ni/au双层电极厚度为300nm；

s4：将离子源注入到所述n型gan半导体层的选择区域内，注入的离子源为f⁺，能量为10kev，注入剂量为2×10¹³cm^-2，注入角度为正7°。

进一步的，所述离子注入的选择区域为圆形。

进一步的，所述金属电极与n型gan半导体层的接触面为圆形，且所述接触面的面积小于所述选择区域的面积。

进一步的，所述衬底包括硅衬底、蓝宝石衬底或其他非故意掺杂的氮化镓体衬底。

进一步的，所述n型gan半导体层是采用mocvd外延技术生长的。

进一步的，在所述n型gan半导体层上形成金属电极之前，还包括清洗步骤，即采用有机溶液和酸碱溶液清洗n型gan半导体层的表面。

本发明提出了一种上述方法制备得到的半导体器件。

本发明提出了上述方法制备得到的半导体器件在电子和光电子器件中的应用。

借由上述方案，本发明至少具有以下优点：本发明利用氟离子注入实现gan中诱导形成2dhg，与现行的硅工艺兼容，注入的氟离子的浓度和深度分布可以精确调控，注入后的氟离子的gan半导体层具有很高的掺杂均匀性，其制备过程简易，成本较低。采用氟离子注入到gan中诱导形成2dhg的方法与传统的p型algan/gan异质结极化2dhg的方法相比，避开了p型掺杂，霍尔效应测试表明离子注入后gan材料为高阻态，而gan表面的两个ni/au接触电极之间的电学特性则为欧姆接触，这表示空穴应当分布在耗尽层宽度内部有限的宽度内并且浓度应当非常高。

附图说明

图1是本发明实施例中利用氟离子注入实现gan中诱导形成2dhg的器件结构剖视示意图。

图2是氟离子注入前后的能带示意图。

图3比较了f⁺注入对ni/au/n-gan肖特基结构的1/c²-v特性的影响。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限定本发明的范围。

实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。

实施例1

参见图1，一种利用氟离子注入实现的gan中诱导形成2dhg的器件结构，首先提供衬底11，衬底11可以是硅(silicon，si)衬底、蓝宝石衬底或其他非故意掺杂的氮化镓(galliumnitride，gan)体衬底，在本实施例中采用氮化镓体衬底。衬底11上为mocvd外延技术生长的n型gan半导体层12，接着在常温下以离子注入技术将离子源14直接注入到所述n型gan半导体层12的选择区域内。采用nv-gsd-he型号离子注入机将离子源直接注入gan表面，注入的离子源14为f⁺，能量为10kev，注入剂量为2×10¹³cm^-2，注入角度为正7°。离子源14在n型gan半导体层12中停止运动后吸收电子成为氟负离子聚集区域15，周围吸附空穴形成2dhg。其中，n型gan半导体层12上设置有金属电极13，金属电极13是镍金(ni/au)双层电极，厚度为300nm。值得说明的是，器件工艺开始之前的表面清洗是整个工艺的重要组成部分，它对于在器件表面淀积金属或介质的粘附性以及最终的器件特性起着重要的作用。尽管有机溶液(丙酮乙醇等)和酸碱溶液的清洗不能完全保证gan表面达到原子级的清洁程度，但能够有效地去除gan表面氧化层和玷污。

本实施例中，n型gan半导体12的横截面为圆形，该结构设计简单，便于实现。在其他实施例中，n型gan半导体层12的横截面可以是任何形状。

作为离子注入的n型gan半导体12的选择区域的面积比金属电极13的面积大，保证后期测试时金半接触的每个测试点都能有效。本实施例中，选择离子注入的区域和金属电极13的横截面为同心圆，金属电极13圆形面积的半径小于选择离子注入的区域的圆形面积半径。该方式得到的金半接触结构性能优异、结构设计合理，便于制备。在其他实施例中，选择离子注入的区域可以是任何形状。

离子注入的能量大小与注射深度有关系，决定了2dhg在gan中的位置，注入剂量与形成的2dhg的浓度有关。可根据实际器件要求做合适的参数配置，以达到所需的2dhg位置与浓度大小。

金属电极13是指由两种金属材料形成的电极，本实施例采用的镍金(ni/au)双层电极是由ni金属和au金属形成的电极。特别说明的是，这里金半接触形成的是肖特基接触，故而金属电极的材料选择可以是选自ni、pt、au、pd、co、cr、cu、ag、al、w等金属或其合金。可采用电子束蒸发法或磁控溅射法形成，在肖特基金属层的制备材料、制备方法以及厚度等参数均为本领域常规操作，这里不在赘述。

图2是氟离子注入前后的能带示意图。注入前由于gan表面存在高密度的施主态，金属的费米能级被钉扎在导带以下1.48ev处，注入后f⁺进入半导体后将快速从gan内部和表面的施主态获得电子，导致耗尽层变宽和费米能级退钉扎(depinning)，同时离子注入区由于获得电子能带将向上抬高，而半导体表面和中性区由于失去电子能带将向下降，最终当价带接近费米能级时就会产生高浓度的2dhg，系统重新达到平衡态。

图3比较了f⁺注入对ni/au/n-gan肖特基结构的1/c²-v特性的影响，可见离子注入后器件的内建电势由1.32v升高为3.43v，进一步表明平衡态时gan的价带最高位置已经超过费米能级，形成了空穴量子阱结构。

本发明采用氟离子注入实现gan中诱导形成2dhg，与现行的si工艺兼容，注入氟离子的浓度和深度分布可精确调控，其制备过程简易，成本较低。

本发明针对2dhg的形成与gan材料表面和内部存在的高密度施主态有直接关系的特点，提出一个可能的空穴形成机制：①离子注入前，由于gan表面存在高密度的施主态，金属的费米能级被钉扎在导带以下1.48ev处；②由于极强的负电性，f⁺进入半导体后将快速从gan内部和表面的施主态获得电子，导致耗尽层变宽和费米能级退钉扎(depinning)；同时，离子注入区由于获得电子能带将向上抬高，而半导体表面和中性区由于失去电子能带将向下降。最终，当价带接近费米能级时就会产生高浓度的2dhg，系统重新达到平衡态。此处2dhg的形成应当是f⁺注入后电荷转移导致半导体发生反型而产生的。由于较大的禁带宽度，gan载流子的热产生速率极慢，所以空穴不可能来自半导体的本征热激发过程。根据实验结果推测2dhg的空穴可能是由金属通过隧穿形式所提供的。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可做各种的改动与修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。