在半绝缘Ⅲ族氮化物中用于费米能级控制的共掺杂

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1×10

说明书

技术领域

本发明涉及半导体材料，更具体地，涉及半绝缘III族氮化物半导体层。

背景技术

已经发现材料如硅(Si)和砷化镓(GaAs)在低功率和(Si的情况下)低频应用的 半导体器件中具有广泛应用。然而由于半导体材料相对小的带隙(例如在室温下 Si为1.12eV，而GaAs为1.42)和/或相对小的击穿电压，这些更熟悉的半导体材 料可能不适合于更高功率和/或高频应用。

鉴于Si和GaAs带来的困难，对高功率、高温和/或高频应用和器件的兴趣转 向了宽带隙半导体材料如碳化硅(在室温下αSiC为2.996eV)和III族氮化物(如室温 下GaN为3.36eV)。与砷化镓和硅相比这些材料典型地具有更高的电场击穿强度 和更高的电子饱和速率。

在由III族氮化物制造高功率和/或高频器件中，在半绝缘III族氮化物层如半绝 缘GaN和/或AlInGaN层上制造这些器件可能是有益的。通过认真控制未掺杂的 GaN的沉积条件，而制造绝缘GaN层。通过利用Fe或C掺杂GaN层，也已经 制造了绝缘GaN层。虽然这样的技术能制造半绝缘III族氮化物层，但在生产过程 之间的变化可导致所得层绝缘特性的差别。

发明内容

本发明实施例提供半绝缘III族氮化物半导体层和制造半绝缘III族氮化物层 的方法。在本发明的某些实施例中，制造半绝缘III族氮化物层包括利用浅能级p 型掺杂剂掺杂III族氮化物层和利用深能级掺杂剂掺杂III族氮化物层。深能级掺杂 剂的浓度大于浅能级p型掺杂剂的浓度。在本发明的具体实施例中，深能级掺杂 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，浅能级p型掺杂剂的浓度大于由在III族氮化物 层中的缺陷和不希望的杂质引起的背景浓度(background concentration)。浅能级p 型掺杂剂的浓度可以小于约1×10¹⁷cm^-3。浅能级p型掺杂剂可以是Mg和/或Zn 和/或其它p型掺杂剂。深能级过渡金属掺杂剂可以是Fe、Co、Mn、Cr、V和/ 或Ni和/或其它过渡金属掺杂剂。在本发明的具体实施例中，深能级过渡金属掺 杂剂是Fe。

在本发明的另外的实施例中，浅能级p型掺杂剂的浓度足够使深能级过渡金 属掺杂剂的类施主能级成为深能级过渡金属掺杂剂的主要能级(dominant energy level)。

在本发明的又一些实施例中，深能级过渡金属掺杂剂的浓度至少是浅能级p 型掺杂剂浓度的大约三倍。在本发明的具体实施例中，深能级过渡金属掺杂剂的 浓度大于约2×10¹⁷cm^-3。在本发明的其它实施例中，深能级过渡金属掺杂剂的浓 度可以是约2×10¹⁶cm^-3。并且，利用浅能级p型掺杂剂的掺杂和利用深能级过渡 金属的掺杂可以基本上同时进行。例如，可以利用化学气相沉积生长III族氮化物 层，在化学气相沉积期间可以进行利用浅能级p型掺杂剂的掺杂和利用深能级过 渡金属的掺杂。

在本发明的进一步实施例中，通过利用具有浓度小于约1×10¹⁷cm^-3的浅能级 掺杂剂掺杂III族氮化物层和利用深能级掺杂剂例如深能级过渡金属掺杂剂掺杂III 族氮化物层，而制造半绝缘III族氮化物层。深能级掺杂剂的浓度大于浅能级掺杂 剂的浓度。在本发明的具体实施例中，深能级过渡金属掺杂剂的浓度大于约2× 10¹⁷cm^-3。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2× 10¹⁶cm^-3。浅能级掺杂剂的浓度可大于由在III族氮化物层中的缺陷和不希望的杂质 引起的背景浓度。浅能级掺杂剂的浓度可以是净浓度。

在本发明的具体实施例中，浅能级掺杂剂是n型掺杂剂。深能级过渡金属掺 杂剂可以是Fe、Co、Mn、Cr、V和/或Ni和/或其它过渡金属掺杂剂。并且，可 以选择p型掺杂剂和n型掺杂剂的其中一种作为浅能级掺杂剂，以分别使得深能 级过渡金属掺杂剂的类施主能级成为深能级过渡金属掺杂剂的主要能级，或使得 深能级过渡金属掺杂剂的类受主能级成为深能级过渡金属掺杂剂的主要能级。

在本发明的另一些实施例中，通过包含浅能级p型掺杂剂和深能级掺杂剂例 如深能级过渡金属掺杂剂的III族氮化物层而提供半绝缘半导体材料层。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。浅能级p型掺杂剂的浓度可 以大于由在III族氮化物层中的缺陷和不希望的杂质引起的背景浓度。浅能级p型 掺杂剂的浓度可以小于约1×10¹⁷cm^-3。浅能级p型掺杂剂可以是Mg和/或Zn和/ 或其它p型掺杂剂。深能级过渡金属掺杂剂可以是Fe、Co、Mn、Cr、V和/或Ni 和/或其它过渡金属掺杂剂。并且，深能级过渡金属掺杂剂的类施主能级可以是深 能级过渡金属掺杂剂的主要能级。在本发明的另一些实施例中，深能级过渡金属 掺杂剂的浓度至少是浅能级p型掺杂剂浓度的大约三倍。在本发明的具体实施例 中，深能级过渡金属掺杂剂的浓度大于约2×10¹⁷cm^-3。在本发明的又一些实施例 中，深能级过渡金属掺杂剂的浓度是约2×10¹⁶cm^-3。

在本发明的再又一些实施例中，由包含具有浓度小于约1×10¹⁷cm^-3的浅能级 掺杂剂和深能级掺杂剂例如深能级过渡金属掺杂剂的III族氮化物层，而提供半绝 缘半导体材料层。深能级过渡金属掺杂剂的浓度大于浅能级掺杂剂的浓度。浅能 级掺杂剂的浓度可以大于由在III族氮化物层中的缺陷和不希望的杂质导致的背景 浓度。浅能级掺杂剂可以是n型掺杂剂。深能级过渡金属掺杂剂可以是Fe、Co、 Mn、Cr、V和/或Ni和/或其它过渡金属掺杂剂。如果浅能级掺杂剂是n型掺杂剂， 则深能级过渡金属掺杂剂的类受主能级可以是深能级过渡金属掺杂剂的主要能 级。深能级过渡金属掺杂剂的浓度可至少是浅能级掺杂剂浓度的大约三倍。在本 发明的具体实施例中，深能级过渡金属掺杂剂的浓度大于约2×10¹⁷cm^-3。在本发 明的其它实施例中，深能级过渡金属掺杂剂的浓度是大约2×10¹⁶cm^-3。

附图说明

图1是说明根据本发明的实施例制造半绝缘III族氮化物的操作的流程图。

图2是说明根据本发明的另一实施例制造半绝缘III族氮化物层的操作的流程 图。

图3是说明与浅受主共掺杂以把费米能级钉扎(pin)在过渡金属掺杂剂的类 施主能级处的能带图。

图4是说明与浅施主共掺杂以把费米能级钉扎在过渡金属掺杂剂的类受主能 级处的能带图。

具体实施方式

现在在下文中将参考附图更全面地描述本发明，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，并且不应该被解释为限于这里所 述的实施例；而是，提供这些实施例以使得这个公开内容是全面和完整的，且将 完全地把本发明的范围传达给本领域技术人员。在全文中相同的附图标记表示相 同的元件。如本领域技术人员可以理解，这里指的在衬底或其它层“上”形成的层 可以指直接在衬底或其它层上、或在衬底或其它层上形成的插入层上形成的层。 这里使用的术语“和/或”包括相关列出项目的一个或多个的任意或所有组合。

本发明的实施例可以使用具有浅能级掺杂剂和深能级掺杂剂的III族氮化物 层的共掺杂以提供半绝缘III族氮化物层的可预测特性。术语“半绝缘”是在相对 意义上而不是在绝对意义上描述性地使用的。在本发明的具体实施例中，半绝缘 III族氮化物层在室温下具有等于或高于约1×10⁵Ω-cm的电阻率。

本发明的实施例可特别适合用在氮化物基器件如III族氮化物基器件中。如这 里所用的那样，术语“III族氮化物”是指在氮和通常为铝(Al)、镓(Ga)和/或铟(In) 的周期表III族中元素之间形成的那些半导体化合物。该术语也指三元和四元化合 物，如AlGaN和AlInGaN。本领域技术人员非常理解，III族元素可以与氮结合以 形成二元(例如GaN)、三元(例如AlGaN、AlInN)和四元(例如AlInGaN)化 合物。这些化合物都具有成分式，其中1摩尔的氮与总量为1摩尔的III族元素结 合。因此，经常用其中0≤x≤1的通式如Al_xGa_1-xN描述它们。

在图1的流程图中说明了根据本发明实施例的材料的制造过程。如图1中可 以看出，利用浅能级掺杂剂以小于约1×10¹⁷cm^-3的浓度掺杂III族氮化物层(块 100)。浅能级掺杂剂可以是n型掺杂剂或p型掺杂剂。例如，浅能级掺杂剂可以 是Si、Ge、O、Mg或Zn和/或其它p型或n型掺杂剂。如这里所用的，浅能级掺 杂剂是指具有受主/施主能级的掺杂剂，其中该能级距离III族氮化物层的导带或价 带比特意引入的深能级掺杂剂的预定主要能级更近。在本发明的具体实施例中， 浅能级掺杂剂的受主/施主能级在III族氮化物层的导带或价带的约0.3eV以内。

III族氮化物层掺杂有深能级掺杂剂例如过渡金属，以致使得III族氮化物层半 绝缘(块110)。深能级过渡金属掺杂剂可以例如是Fe、Co、Mn、Cr、V和/或 Ni和/或其它过渡金属掺杂剂。也可以使用其它深能级掺杂剂，例如C或碳复合物。 在本发明的具体实施例中，深能级过渡金属掺杂剂是Fe。如这里所用，深能级掺 杂剂是指具有距导带或价带的足够大能量的掺杂剂，以使得在操作温度下，非常 少量的自由载流子会存在于导带或价带中。例如，具有从导带大于约0.5eV的能 级和贡献远小于10¹⁴cm^-3自由载流子的掺杂剂可以被认为是深能级掺杂剂。

提供小于约1×10¹⁷cm^-3的浅能级掺杂剂浓度可以允许产生一个半绝缘层，其 具有的深能级掺杂剂浓度比具有大于约1×10¹⁷cm^-3的浅能级掺杂剂浓度可能需要 的深能级掺杂剂浓度要低。在某些环境下可能不需要更高浓度的深能级掺杂剂。 例如，与低浓度的Fe相比高浓度的Fe可以增加俘获。因此，这有利于提供具有 更低浓度的Fe的半绝缘III族氮化物。

图2说明了本发明的另一些实施例。如图2中所示，利用浅能级p型掺杂剂 (块200)掺杂III族氮化物层。例如，浅能级p型掺杂剂可以是Mg或Zn和/或其 它p型掺杂剂。III族氮化物层也掺杂有深能级掺杂剂例如过渡金属，以致使得III 族氮化物层半绝缘(块210)。深能级过渡金属掺杂剂可以是例如Fe、Co、Mn、 Cr、V和/或Ni。也可以使用其它深能级掺杂剂例如C或碳络合物。在本发明的具 体实施例中，深能级过渡金属掺杂剂是Fe。

也可以提供图1和2的组合，其中提供具有浓度小于约1×10¹⁷cm^-3的浅能级 p型掺杂剂。

在如图1和2中所示的半绝缘III族氮化物的制造过程中，深能级掺杂剂的浓 度大于浅能级掺杂剂的浓度。在本发明的具体实施例中，深能级掺杂剂的浓度大 于浅能级掺杂剂的净浓度。如这里使用的，术语净浓度是指浅能级掺杂剂的有效 浓度。在本发明的某些实施例中，深能级过渡金属掺杂剂的浓度至少是浅能级掺 杂剂浓度的大约三倍。深能级掺杂剂的具体浓度水平可取决于器件和/或利用半绝 缘III族氮化物层制造的器件的使用。在本发明的具体实施例中，深能级过渡金属 掺杂剂可以具有大于约2×10¹⁷cm^-3的浓度。在利用半绝缘层制造的功率器件中这 样的浓度可以例如提供更高的击穿电压。在本发明的其它实施例中，深能级过渡 金属掺杂剂可以具有约2×10¹⁶cm^-3的浓度。在利用半绝缘层制造的功率器件中这 样的浓度可以例如提供更高的功率密度。

并且，浅能级掺杂剂的浓度应该比由缺陷和不希望的杂质引起的背景浓度更 大。在本发明的具体实施例中，浅能级掺杂剂的浓度足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能级掺杂剂控制。然而，深能级掺杂剂浓度 高于浅能级掺杂剂浓度，因此材料的费米能级被钉扎在与深能级掺杂剂相关的能 级。

根据浅能级掺杂剂是n型或p型，可以表示深能级掺杂剂的不同特性和能级。 该层的电阻率和俘获特性可以受浅能级掺杂剂是p型还是n型影响。例如，如果 深能级掺杂剂具有两个能级，其中一个能级是类施主的，而另一个是类受主的， 则情况可能是这样的。因此，例如，如果浅能级掺杂剂是p型，则深能级掺杂剂 的主要能级可以是类施主的。在图3的能带图中说明了这样的情况。如果浅能级 掺杂剂是n型，则深能级掺杂剂的主要能级可以是类受主的。在图4的能带图中 说明了这样的情况。因此，通过浅能级掺杂剂的选择，可以控制共掺杂层的能级 的特性，以成为类受主的或类施主的。如这里所使用的，类受主的是指在深能级 受主能级处具有额外的电子，其中额外的电子在不共掺杂的情况下将不存在，而 类施主的是指在深能级施主能级处具有较少的电子，其中较少的电子在不共掺杂 的情况下不存在。因此，通过在深能级掺杂剂和浅能级掺杂剂组合的基础上建立 层的费米能级，得到的层的特性可以是更易于再生的，且在处理过程之间的变化 会减小、最小化和/或减轻。

另外，例如，在通过例如化学气相沉积形成III族氮化物层期间，可以利用浅 和深能级掺杂剂基本上同时掺杂III族氮化物层。III族氮化物层的形成可以由 MOCVD或本领域技术人员已知的其它技术提供，例如MBE、HVPE、溶液生长 和/或高压生长。III族氮化物层的掺杂可并入作为生长工艺的一部分和/或可以例如 在生长后通过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型掺杂剂)或SiH₄(用于n型掺杂剂)时， 可以使用MOCVD制造半绝缘III族氮化物层。可选择地或附加地，DeZn、GeH₄、 Si₂H₆、H₂O和/或O₂也可以用作掺杂剂源。也可以使用其它源。

在本发明的某些实施例中，在衬底上形成半绝缘III族氮化物层，在衬底上形 成氮化物基半绝缘层，可以是碳化硅衬底和/或层和/或III族氮化物衬底和/或层和/ 或缓冲层。而且，半绝缘III族氮化物层可以被提供作为衬底。因此，术语层包括 层和/或衬底。在本发明的具体实施例中，其上形成有半绝缘III族氮化物层的衬底 可以是半绝缘碳化硅(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。

碳化硅相对非常通用的用于III族氮化物器件的衬底材料蓝宝石(Al₂O₃)具有 更接近于III族氮化物的晶格匹配。更接近的晶格匹配可以得到比在蓝宝石上通常 可得的那些膜质量更高的III族氮化物膜。碳化硅也具有非常高的导热性，使得在 碳化硅上的III族氮化物器件的总输出功率典型地不像在蓝宝石上形成的相同器件 的情况那样受衬底散热的限制。由例如本发明的受让人Durham N.C.，Cree，Inc. 制造适当的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中描述了生产的方法，这里引入其全部内容作为参考。类似地，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 长III族氮化物的技术，这里也引入其全部内容作为参考。

虽然碳化硅和/或III族氮化物可以用作衬底材料，但本发明的实施例可以使用 任何适当的衬底，例如蓝宝石、氮化铝、硅、GaAs、LGO、ZnO、LAO、InP等。 在某些实施例中，也可以形成适当的缓冲层。

例如，III族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III族氮化物层的共掺杂产生。例如，对III族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，并不是用于限制的目的。