способ легирования эпитаксиальных слоев нитрида галлия германием

Формула изобретения

Способ легирования эпитаксиальных слоев нитрида галлия германием, включающий введение германия в твердый образец, нагрев, отжиг и охлаждение, отличающийся тем, что германий вводят путем облучения эпитаксиальных слоев нитрида галлия потоком частиц, содержащим тепловые нейтроны с плотностью потока не более 10¹² см^-2 с^-1, нагрев ведут со скоростью 10÷30 град/мин до температуры отжига, определяемой зависимостью

T_отж=800+(lgN_Ge-15)·35 [°С],

где N_Ge - концентрация вводимой легирующей примеси германия [см^-3], отжиг проводят в течение 20 мин, охлаждение ведут со скоростью 10÷20 град/мин до температур 450÷500°С, а далее со скоростью 20÷40 град/мин до комнатной температуры.

Описание изобретения к патенту

Изобретение может быть использовано в полупроводниковой технологии для получения легированных германием (Ge) эпитаксиальных слоев нитрида галлия. (GaN) для создания микроэлектронных и оптических устройств.

В производстве приборов используются эпитаксиальные слои нитрида галлия как электронного (n-), так и дырочного (р-) типа проводимости. Электропроводность GaN можно регулировать путем введения примесей n-типа, р-типа и/или глубоких уровней в процессе роста из газовой фазы. Добавление примесей n-типа, таких как кремний или германий, например, при использовании силана или тетрагидрида германия в потоке газа в процессе роста можно использовать для регулирования электропроводности материала n-типа. Соответственно, добавление и активацию примесей р-типа, таких как бериллий, магний или цинк, с использованием металлоорганических или других источников этих элементов, вводимых в газовый поток в ходе процесса, можно использовать для регулирования электропроводности р-типа материала. При осуществлении данного способа предпочтительно, чтобы концентрации доноров составляли от 1×10¹⁴ до 1×10²⁰ см^-3. Однако неоднородность распределения легирующих примесей по объему материала составляет 10÷15%.

Одним из способов однородного введения легирующей примеси в полупроводники (кремний, арсенид галлия и др.) является ядерное легирование путем облучения материала тепловыми нейтронами реактора. Например, кремний легируется стабильным изотопом фосфора-31, образующимся за счет ядерных реакций, протекающих при поглощении теплового нейтрона изотопом кремния-30.

Техническим результатом изобретения является получение однородно легированных германием эпитаксиальных слоев нитрида галлия с улучшенными электрофизическими характеристиками путем облучения потоком частиц, содержащим тепловые нейтроны с плотностью потока не более 10¹² см^-2 с^-1, нагревом, отжигом и охлаждением. Нагрев ведут со скоростью 10÷30 град/мин до температуры отжига Т_отж [°С], определяемой зависимостью

Т_отж=800+(lgN_Ge -15)·35,

где N_Ge - концентрация вводимой легирующей примеси германия [см^-3], а охлаждение ведут с различными скоростями до комнатной температуры.

В результате облучения GaN тепловыми нейтронами происходят следующие ядерные реакции:

(сечение поглощения 1,68 барн),

(сечение поглощения 4,7 барн).

Из этих реакций видно, что облучение GaN тепловыми нейтронами приводит к образованию двух изотопов Ge с высокой эффективностью. Период полураспада полученного нестабильного изотопа является приемлемо коротким. Ge останется на месте, которое занимал Ga. Поскольку легирующая примесь не вводится в процессе выращивания, снижается вероятность того, что Ge будет компенсирован, например, водородом.

Влияние трансмутации атомов азота на изменения электрических свойств GaN незначительно, так как сечения захвата тепловых нейтронов изотопами ¹⁴N (99,63% от природного) и ¹⁵ N очень малы.

Получение примеси Ge n-типа на месте Ga подобным способом позволяет достичь высокой степени однородности легирования и избежать вредных воздействий высоких концентраций неконтролируемых примесей, получающихся в процессе выращивания. Хрупкость, которая может возникнуть в образцах при легировании до высоких концентраций в процессе выращивания, также будет ниже при ядерном легировании.

Наведенная радиоактивность в облученных большими флюенсами нейтронов (>10¹⁹ см^-2) образцах GaN при выгрузке из реактора достаточно высока (>10⁵ Кюри), но из-за коротких периодов полураспада активность будет снижаться до нескольких мкКюри через 10 дней.

Облучение быстрыми нейтронами приводит к образованию в материале точечных радиационных дефектов (вакансия и межузельный атом), а также сложных радиационных дефектов, так называемых «областей разупорядочения» (РО), для устранения которых требуются высокотемпературные отжиги [1-4].

В применении ядерного легирования к нитриду галлия имеется несколько предполагаемых преимуществ, включая:

- возможность введения электрически активных легирующих примесей до концентраций, превышающих концентрации, вводимые в процессе выращивания, так как концентрации легирующих добавок не ограничиваются твердофазной растворимостью примеси в материале;

- эффективность введения германия в GaN на 3 порядка выше, чем фосфора в кремний, а концентрации других образующихся при облучении примесей незначительны из-за малых сечений захвата тепловых нейтронов;

- неоднородность распределения легирующей примеси германия не превышает 2÷5%, так как атомам Ge энергетически выгоднее находиться на месте атомов Ga в электрически активном состоянии.

Пример 1

Эпитаксиальный слой нелегированного нитрида галлия толщиной 150 мкм и диаметром 50 мм, с плотностью дислокаций D=5×10⁶ см^-1, выращенный на сапфировой подложке методом хлорид-гидридной эпитаксии из газовой фазы с концентрацией носителей заряда n=2×10 ¹⁴ см^-3 и подвижностью µ=350 см² В^-1 с^-1 облучают полным спектром реакторных нейтронов, содержащим тепловые нейтроны с плотностью потока =1×10¹² см^-2 с^-1, флюенсом =2×10¹⁶ см^-2, выдерживают для спада наведенной радиоактивности до уровня естественного фона. Облученные образцы отжигают при температуре 810°С, рассчитанной по приведенной формуле, в течение 20 минут. Нагрев ведут со скоростью 10 град/мин, охлаждение до температуры 500°С ведут со скоростью 5 град/мин, а далее со скоростью 20 град/мин до комнатной температуры. Получены следующие электрофизические характеристики материала: концентрация носителей заряда n=2×10¹⁵ см ^-3, подвижность носителей заряда µ=20 см² В^-1 с^-1, неоднородность распределения удельного электрического сопротивления по диаметру <5%.

Пример 2

Эпитаксиальный слой нелегированного нитрида галлия толщиной 150 мкм и диаметром 50 мм, с плотностью дислокаций D=5×10⁶ см ^-1, выращенный на сапфировой подложке методом хлорид-гидридной эпитаксии из газовой фазы с концентрацией носителей заряда n=2×10 ¹⁴ см^-3 и подвижностью µ=340 см² В^-1 с^-1 облучают полным спектром реакторных нейтронов, содержащим тепловые нейтроны с плотностью потока =1×10¹² см^-1 с^-1, флюенсом =2×10¹⁷ см^-2, выдерживают для спада наведенной радиоактивности до уровня естественного фона. Облученные образцы отжигают при температуре 845°С, рассчитанной по приведенной формуле, в течение 20 минут. Нагрев ведут со скоростью 30 град/мин, охлаждение до температуры 500°С ведут со скоростью 10 град/мин, а далее со скоростью 40 град/мин до комнатной температуры. Получены следующие электрофизические характеристики материала: концентрация носителей заряда n=1,8×10¹⁶ см ^-3, подвижность носителей заряда µ=500 см² В^-1 с^-1, неоднородность распределения удельного электрического сопротивления по диаметру <5%.

Пример 3

Эпитаксиальный слой нелегированного нитрида галлия толщиной 150 мкм и диаметром 50 мм, с плотностью дислокаций D=5×10⁶ см ^-1, выращенный на сапфировой подложке методом хлорид-гидридной эпитаксии из газовой фазы с концентрацией носителей заряда n=2×10 ¹⁴ см^-3 и подвижностью µ=350 см² В^-1 с^-1 облучают полным спектром реакторных нейтронов, содержащим тепловые нейтроны с плотностью потока =1×10¹² см^-2 с^-1, флюенсом =2×10¹⁹ см^-2, выдерживают для спада наведенной радиоактивности до уровня естественного фона. Облученные образцы отжигают при температуре 915°С, рассчитанной по приведенной формуле, в течение 20 минут. Нагрев ведут со скоростью 30 град/мин, охлаждение до температуры 500°С ведут со скоростью 10 град/мин, а далее со скоростью 40 град/мин до комнатной температуры. Получены следующие электрофизические характеристики материала: концентрация носителей заряда n=1,8×10¹⁸ см ^-3, подвижность носителей заряда µ=400 см² В^-1 с^-1, неоднородность распределения удельного электрического сопротивления по диаметру <5%.

В таблице приведены примеры, реализации способа легирования эпитаксиальных слоев GaN облучением тепловыми нейтронами реактора и последующим отжигом, подтверждающие формулу изобретения.

Источники информации

1. A.Y. Polyakov, N.B. Smirnov, A.V. Govorkov, A.V. Markov, S.J. Pearton, N.G. Kolin, D.I. Merkurisov, V.M. Boiko. Neutron irradiation effects on electrical properties and deep-level spectra in undoped n-AlGaN/GaN heterostructures. J. Appl. Phys. 98, 033529 (2005).

2. A.Y. Polyakov, N.B. Smirnov, A.V. Govorkov, A.V. Markov, N.G. Kolin, D.I. Merkurisov, V.M. Boiko, S.J. Pearton. Neutron irradiation effects in undoped n-AlGaN. J. Vac. Sci. Technol. В 243, May/Jun 2006, 1094-1097.

3. A.Y. Polyakov, N.B. Smirnov, A.V. Govorkov, A.V. Markov, N.G. Kolin, D.I. Merkurisov, V.M. Boiko, S.J. Pearton. Neutron irradiation effects on electrical properties and deep-level spectra in undoped n-AlGaN/GaN heterostructures. Journal of applied physics 98, 033529, 2005.

4. Водоу Роберт П. (US); Флинн Джеффри С. (US); Брандз Джордж P. (US); Редуинг Джоан М. (US); Тишлер Майкл А. (US). Буля нитрида элемента III-V групп для подложек и способ ее изготовления и применения. WO 01/68955 (20.09.2001)