P型GaN欧姆接触结构、其制备方法及应用

技术领域

本发明是关于半导体器件技术领域，特别是关于一种P型GaN欧姆接触结构、其制备方法及应用。

背景技术

氮化镓(GaN)基材料(包括GaN、AIN、InN及其合金)是继硅、砷化镓之后的第三代半导体，其禁带宽度范围为0.7～6.2eV，在光电子和微电子领域具有广泛的应用前景和研究价值。GaN基激光器作为一种GaN基光电子器件，具有体积小、效率高、寿命长和响应速度快等优点，在军用及民用领域有非常重要的应用价值。

为了获得高效率GaN器件，P型GaN欧姆接触性能的优化是必须要克服的技术难题。由于GaN基激光器工作状态时，流过器件的电流密度较高，因此，电极处金属与半导体的接触尤其重要，一般要求电极的比接触电阻率低至10

公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

发明内容

本发明的目的在于提供一种P型GaN欧姆接触结构的制备方法及应用，其能够降低比接触电阻率，提高P型GaN欧姆接触性能。

为实现上述目的，本发明的实施例提供了一种P型GaN欧姆接触结构的制备方法，包括：在衬底上生长外延层，所述外延层包括位于顶层的Mg掺杂的P型GaN层；对所述Mg掺杂的P型GaN层进行碳离子注入并退火；在所述Mg掺杂的P型GaN层表面制备金属电极。

在本发明的一个或多个实施方式中，通过分子束外延设备在所述衬底上生长所述外延层。

在本发明的一个或多个实施方式中，通过离子注入机进行所述碳离子的注入。

在本发明的一个或多个实施方式中，注入能量为30keV-400keV。

在本发明的一个或多个实施方式中，碳离子的注入浓度为10

在本发明的一个或多个实施方式中，在超高真空环境下进行所述外延层的生长且生长所述外延层的原材料采用纯度为6N的高纯度单质。

在本发明的一个或多个实施方式中，所述超高真空环境的压强范围为10

在本发明的一个或多个实施方式中，所述Mg掺杂的P型GaN层的厚度为20nm-300nm。

在本发明的一个或多个实施方式中，所述Mg掺杂的P型GaN层中Mg元素的掺杂浓度大于或等于5*10

在本发明的一个或多个实施方式中，所述退火的温度为300℃-800℃。

在本发明的一个或多个实施方式中，所述退火的时间为15min-60min。

在本发明的一个或多个实施方式中，所述退火的氛围包括氮气。

在本发明的一个或多个实施方式中，在所述Mg掺杂的P型GaN层表面制备金属电极，包括：在所述Mg掺杂的P型GaN层表面制备第一金属电极，所述第一金属电极的材料包括Pd、Pt、Ni、Al、Ti中一种或几种，所述第一金属电极的厚度为1nm-300nm；在所述第一金属电极表面形成第二金属电极，所述第二金属电极的材料包括Au，所述第二金属电极的厚度大于或等于30nm。

在本发明的一个或多个实施方式中，可以采用电子束蒸发工艺、磁控溅射工艺进行所述金属电极的制备。

在本发明的一个或多个实施方式中，制备金属电极后，进行二次退火处理，二次退火温度为400℃～700℃，退火时间为30s～600s，退火氛围包括氮气。

在本发明的一个或多个实施方式中，所述外延层还包括，形成于所述衬底表面的GaN缓冲层，形成于所述GaN缓冲层表面的非掺杂GaN层；所述Mg掺杂的P型GaN层形成于所述非掺杂GaN层表面。

本发明还提供了一种P型GaN欧姆接触结构，包括：衬底；外延层，形成于所述衬底表面，所述外延层包括位于顶层的Mg掺杂的P型GaN层，所述Mg掺杂的P型GaN层内形成有碳离子注入区；金属电极，形成于所述Mg掺杂的P型GaN层的碳离子注入区表面。

本发明还提供了一种根据上述的制备方法制备的P型GaN欧姆接触结构在激光器件中的应用。

与现有技术相比，根据本发明实施方式的P型GaN欧姆接触结构的制备方法，在生长外延层后使用离子注入碳的方式精准调控碳离子的注入浓度，使碳离子作为一种合适浓度的深能级缺陷辅助载流子进行变程跃迁，降低比接触电阻率，提高P型GaN欧姆接触性能。

根据本发明实施方式的P型GaN欧姆接触结构的制备方法，通过MBE设备生长P型GaN，使其内H、C杂质的原始浓度极低，便于后续离子注入机对碳离子注入浓度的精准调控，改善欧姆接触性能。

根据本发明实施方式的P型GaN欧姆接触结构的制备方法，在进行碳离子注入后进行退火，能修复因离子注入引起的晶格损伤。

附图说明

图1是根据本发明一实施方式的P型GaN欧姆接触结构的制备方法的工艺流程图；

图2是根据本发明一实施方式的P型GaN欧姆接触结构的示意图；

图3是根据本发明一实施方式的P型GaN欧姆接触结构的传输环结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。

如背景技术所言，现有技术中的用于提高金半接触界面欧姆接触的方法，往往从提高Mg激活率、改善金属电极类型等方法入手，而碳元素含量对于欧姆接触的影响却很少涉及，原因主要是碳元素在常规MOCVD生长中属于一种浓度较高、很难彻底控制的杂质，同时要调控其浓度往往是通过调控反应室压强，但这种调控无法单独且精准控制碳元素的浓度，并且会引起其他元素含量的改变，可能会对受主进行补偿、降低空穴浓度，增加制备良好欧姆接触的难度。同时由于生长机制的原因，常规方法生长的P型GaN碳杂质的浓度始终处于一个较高值附近，无法对其浓度进行精准调控。而将Mg的掺杂浓度提升到较高量级可能导致载流子迁移率下降、器件性能降低等一系列问题。使用含氧氛围热退火处理氢杂质可能会导致接触金属的氧化，如激光器常用接触层金属Pd可能会被氧化从而提高了电阻率。

为了解决上述技术问题，本发明提出了一种P型GaN欧姆接触结构的制备方法，通过外延层的生长结合碳离子注入以调控并优化Mg掺杂的P型GaN欧姆接触性能。具体来说就是，先外延生长Mg掺杂的P型GaN，生长后通过离子注入的方式对Mg掺杂的P型GaN层注入一定浓度的碳离子并精准调控碳浓度，降低比接触电阻率，后进行退火并沉积金属电极。该方式使碳离子作为一种合适浓度的深能级缺陷辅助载流子进行变程跃迁，降低比接触电阻率，提高P型GaN欧姆接触性能。

如图1所示，根据本发明一实施方式的P型GaN欧姆接触结构的制备方法，包括：s1，在衬底上生长外延层，外延层包括位于顶层的Mg掺杂的P型GaN层；s2，对Mg掺杂的P型GaN层进行碳离子注入并退火；s3，在Mg掺杂的P型GaN层表面制备金属电极。

其中，步骤s1是通过在分子束外延设备中进行外延层的生长。由SIMS(二次离子质谱)数据可以看出，分子束外延设备(MBE)生长的P型GaN，其H、C杂质的原始浓度极低，可借助MBE设备生长P型GaN材料时C、H杂质浓度处于较低值的优势，方便后续离子注入时对碳离子注入浓度进行精准调控，改善欧姆接触性能。步骤s2中，通过商用的离子注入机实现碳离子注入，目的是精准控制碳离子的浓度，可以根据所需要的浓度条件调整离子源的束流强度，注入能量、注入深度、注入角度等条件均可借助成熟的模拟软件SRIM进行模拟优化，使得碳离子处于合适位置，同时浓度处于合适的值并作为另一种深能级缺陷辅助载流子进行变程跳跃，改善欧姆接触性能。且，在步骤s2中，离子注入后利用退火炉完成退火，可以修复晶格损伤。

以下对本申请的P型GaN欧姆接触结构的制备方法进行详细展开阐述，以便于理解本申请的内容。

首先，通过分子束外延设备(MBE)在衬底10上外延生长P型GaN外延层20。外延层20包括依次外延生长的GaN缓冲层21、非掺杂GaN层22以及Mg掺杂的P型GaN层23，如图2所示。其中，P型GaN材料均使用分子束外延设备进行生长。对于p型材料，MBE设备的生长腔室为超高的真空环境(10

其次，采用离子注入机在Mg掺杂的P型GaN层中进行碳离子注入，以在Mg掺杂的P型GaN层中形成碳离子注入区231，如图2所示。碳离子注入区内碳离子浓度处于合适的值并在该直范围内使得碳离子作为另一种深能级缺陷辅助载流子进行变程跳跃，改善欧姆接触性能。在本实施例中，离子注入机进行碳离子注入的注入能量为30keV～400keV，碳离子的注入浓度为10

接着，采用退火炉对离子注入后的外延片进行退火工艺，以修复离子注入引起的晶格损伤。其中，退火温度为300℃-800℃，退火时间为15min～60min，退火氛围优选为氮气。

最后，通过光刻、沉积接触金属电极、剥离、二次退火等步骤制备传输环模型，后进行比接触电阻率测试。其中，所述的沉积接触金属电极所使用的沉积设备可以为电子束蒸发、磁控溅射等镀膜设备；沉积的金属电极分为两层，第一层为第一金属电极，常用为Pd、Ni、Pt、Al、Ti等一种或几种，常见厚度为1nm～300nm。第二层为第二金属电极，常见金属为Au，厚度一般大于或等于30nm。当上述的P型GaN材料用于激光器时，电极材料优选为Pd/Pt/Au(30nm/30nm/50nm)。

其中，二次退火的目的是使得接触金属电极合金化从而更好地形成欧姆接触，降低势垒，使用的二次退火温度为400℃～700℃，退火时间为30s～600s，退火氛围优选为650℃氮气退火90s。传输环(CTLM)的目的是用来测试比接触电阻率，图形结构如图3所示，通过光刻等工艺得到若干不同内外径(r/R)的金属圆环图形模型来测试对应的电阻，计算得到比接触电阻率，从而对欧姆接触的好坏进行评价。

在上述实施例中，碳离子的注入方式是通过离子注入机实现的。在其他实施例中，也可以通过高温热扩散碳元素的方式进行，只要能实现碳含量的精准控制即可。

参考图2所示，本申请基于上述P型GaN欧姆接触结构的制备方法，还提出了一种P型GaN欧姆接触结构，包括衬底10、外延层20以及金属电极30。外延层20形成于衬底10的表面。外延层20包括形成于衬底10表面的GaN缓冲层21，形成于GaN缓冲层21表面的非掺杂GaN层22以及形成于非掺杂GaN层22表面的Mg掺杂的P型GaN层23。其中，Mg掺杂的P型GaN层的厚度为20nm-300nm。Mg掺杂的P型GaN层中Mg元素的掺杂浓度大于或等于5*10

本发明还提供了一种根据上述的制备方法制备的P型GaN欧姆接触结构在激光器件中的应用。

与现有技术相比，本发明实施方式的P型GaN欧姆接触结构的制备方法，采用MBE生长的Mg掺杂的P型GaN层辅以Mg掺杂的P型GaN层离子注入碳的方式优化欧姆接触。利用MBE生长材料过程中几乎无碳杂质的特点，后续用离子注入机精准调控注入P型GaN材料中碳元素的含量，而Mg掺杂的P型GaN层中注入的碳，经过退火后可以作为Mg以外的第二种深能级缺陷，辅助载流子进行变程跃迁，从而降低比接触电阻率，成本较低、材料无需较高的Mg元素含量，是一种提高欧姆接触性能的可行方法。

下面结合具体实施例及相应的对比例对本申请的P型GaN欧姆接触结构及其性能进行详细阐述。

实施例1：

步骤1：使用分子束外延设备，在蓝宝石衬底上外延生长P型GaN材料，包括一次生长的GaN缓冲层、非掺杂GaN层、Mg掺杂的P型GaN层，其中掺Mg的P型GaN层厚度为200nm，Mg掺杂浓度为1×10

步骤2：利用盐酸：去离子水(1：3)对上述外延片酸洗15min，用去离子水清洗后，对外延片依次使用丙酮、异丙醇、无水乙醇各超声10min，然后用去离子水清洗5遍并用氮气枪吹干，确保P型GaN表面的洁净无杂质。

步骤3：将清洗完成的外延片使用离子注入机进行碳离子的注入，注入能量为100keV，碳离子的注入浓度为1×10

步骤4：将离子注入后的P型GaN放入管式退火炉/快速退火炉，在700℃氮气氛围下退火30min，修复离子注入引起的晶格损伤。

步骤5：退火完成后的外延片，利用浓硫酸：双氧水(7:3)对其酸洗15min，用去离子水清洗后，对外延片依次使用丙酮、异丙醇、无水乙醇各超声10min，然后用去离子水清洗5遍并用氮气枪吹干，确保P型GaN表面的洁净无杂质。

步骤6：对外延片表面进行10分钟的HMDS(六甲基二硅氮烷)预处理，然后旋涂光刻胶，并在在95℃的热板上烘干90s，之后使用如图3所示的设计好的光刻板掩膜进行光刻，然后在3038显影液中进行显影得到传输环图形，然后在110℃热板上烘90s坚膜。

步骤7:将光刻后的P型GaN使用电子束蒸发设备沉积Pd/Pt/Au(30nm/30nm/50nm)三层金属，并用丙酮/NMP溶液(N-甲基吡咯烷酮)进行剥离，去除残留光刻胶，多次清洗以后得到传输环金属图形。

步骤8：使用快速退火炉进行二次退火，对传输环金属图形在650℃氮气氛围下退火90s，获得更好的欧姆接触效果。

步骤9：使用四探针系统对圆形传输环模型进行测试，得到多组电阻率数据，计算得到比接触电阻率数据。

对比例1：

步骤1：使用分子束外延设备，在蓝宝石衬底上外延生长P型GaN材料，包括一次生长的GaN缓冲层、非掺杂GaN层、Mg掺杂的P型GaN层，其中掺Mg的P型GaN层厚度为200nm，Mg掺杂浓度为5×10

步骤2：将上述步骤1中所得外延片利用盐酸：去离子水(1：3)对外延片酸洗10min，用去离子水清洗后，对外延片依次使用丙酮、异丙醇、无水乙醇各超声10min，然后用去离子水清洗5遍并用氮气枪吹干，确保接触界面的洁净无杂质。

步骤3：清洗后的外延片表面进行10分钟的HMDS(六甲基二硅氮烷)预处理，然后旋涂光刻胶，并在在95℃的热板上烘干90s，之后使用如图3所示的设计好的光刻板掩膜进行光刻，然后在3038显影液中进行显影得到传输环图形，然后在110℃热板上烘90s坚膜。

步骤4：将光刻后的P型GaN使用电子束蒸发设备沉积Pd/Pt/Au(30nm/30nm/50nm)三层金属，并用丙酮/NMP溶液(N-甲基吡咯烷酮)进行剥离，去除残留光刻胶，多次清洗以后得到传输环金属图形。

步骤5：使用快速退火炉进行退火，对传输环金属图形在650℃氮气氛围下退火90s，获得更好的欧姆接触效果。

步骤6：使用四探针系统对圆形传输环模型进行测试，得到多组电阻率数据，计算得到比接触电阻率数据。

对比例2：

步骤1：使用MOCVD设备，在蓝宝石衬底的GaN缓冲层上外延生长2μmn型GaN层，继续生长400nm的中度掺杂Mg的p型GaN层(Mg掺杂浓度1×10

步骤2：将步骤1中外延片进行清洗，洗好的外延片使用离子注入机进行碳离子的注入，注入能量为100keV，碳离子的注入浓度为1×10

步骤3：将离子注入后的P型GaN放入管式退火炉/快速退火炉，在700℃氮气氛围下退火30min，修复离子注入引起的晶格损伤。

步骤4：将步骤3中外延片进行清洗，清洗后的外延片表面进行10分钟的HMDS(六甲基二硅氮烷)预处理，然后旋涂光刻胶，并在在95℃的热板上烘干90s，之后进行传输环的光刻，然后在3038显影液中进行显影得到传输环图形，然后在110℃热板上烘90s坚膜。

步骤5：将光刻后的P型GaN使用电子束蒸发设备沉积Pd/Pt/Au(30nm/30nm/50nm)三层金属，并用丙酮/NMP溶液(N-甲基吡咯烷酮)进行剥离，去除残留光刻胶，多次清洗以后得到传输环金属图形。

步骤6：使用快速退火炉进行二次退火，对传输环金属图形在650℃氮气氛围下退火90s，之后使用四探针系统对圆形传输环模型进行测试，得到多组电阻率数据，计算得到比接触电阻率数据。

结论：实施例1测试得到比接触电阻率为4.5x10

通过实施例1、对比例1和对比例2可知：本发明方案提出的欧姆接触结构方案，其测试得到的电阻率更低、接触性能更好，方案具有优越性。而提高Mg掺杂浓度的对比例1，性能下降主要来自于高杂质掺杂浓度导致的载流子迁移率下降、电学性能恶化。对比例2中MOCVD设备在生长阶段通过调整腔室压强的方法无法精准控制碳的浓度，同时会引起其他杂质浓度同时提高，材料质量不可控，虽然后续也使用离子注入手段，但是注入离子的量级远低于本身样品内部杂质浓度，注入调控效果不显著，从而综合导致了其欧姆接触性能的降低。

本发明采用MBE生长的Mg掺杂的P型GaN层辅以Mg掺杂的P型GaN层离子注入碳的方式优化欧姆接触。利用MBE生长材料过程中杂质浓度极低的特点，后续用离子注入机精准调控注入P型GaN材料中碳元素的含量，而Mg掺杂的P型GaN层中注入的碳，经过退火后可以作为Mg以外的第二种深能级缺陷，辅助载流子进行变程跃迁，从而降低比接触电阻率，成本较低、材料无需较高的Mg元素含量，是一种提高欧姆接触性能的可行方法。

前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。