摻雜的氮化鋁晶體及其製造方法

2023-09-21 04:47:30 3

專利名稱：摻雜的氮化鋁晶體及其製造方法
摻雜的氮化鋁晶體及其製造方法 相關申請的交叉引用本申請要求於2005年12月2日提交的美國臨時申請60/741，701 的權利和優先權，這裡通過引用將其全部內容併入本文。政府支持本發明是藉助美國政府支持在國家標準技術研究所(NIST)授予 的70NANB4H3051下做出的。美國政府對本發明享有某些權利。
背景技術：
半導體材料在寬範圍內表現出可控的光和電性能，例如電導率。 通過使用摻雜劑實現這樣的控制，所述摻雜劑是引入半導體材料的晶 格充當電子(負電荷)或空穴(正電荷)源的雜質。可控摻雜使製造 各種各樣的半導體器件成為可能，例如發光二極體(LED)、雷射器、 和電晶體。諸如氮化鎵(GaN)和氮化鋁(A1N)的氮化物基半導體在技術上 受到極大關注，部分是由於它們的寬帶隙。這些材料的可控和可複製 的摻雜使得製造以短波長(即藍光、紫光和甚至紫外光波長)發光的 發光器件例如LED和雷射器成為可能。此外，n型和p型氮化物可以 用於製造適合於高功率和/或高溫應用的電晶體。在n型半導體中，電 子濃度比空穴濃度高得多；因此，電子是多數載流子並支配電導率。 相反，在p型半導體中，空穴支配電導率。通常可能難以製造P型氮化物半導體材料，並且獲得具有高Al 含量的AlxGai-xN合金或p型氮化鋁(A1N)的導電晶體或外延層已經 構成特殊的挑戰。向A1N添加碳和氧導致其變成藍色，這意味著其吸收紅光(與不添加雜質的情況下生長的更典型的A1N不同，其由於N 空位而傾向於吸收藍光)。 一些導電性測量已表明該藍色晶體是p型， 而其它工作已經令人非常懷疑製造p型A1N的可能性。來自A1N中的 大多數替代式摻雜劑的受主能級將趨向於在能帶隙中非常深，使得難 以實現合理的電導率水平，除非使用高的摻雜劑濃度。遺憾的是，單 一 p型雜質原子的溶解度往往相當低，並且晶體形成電荷補償空位缺 陷的趨勢高。在任何情況下，迄今為止製造的唯一 p型A1N材料涉及在實驗室 中生長的尺寸只有幾毫米(mm)的小晶體。氮化物材料的n型摻雜也 存在困難。因此，成功製造大的導電晶體已被證明是另人困惑的。發明描述 發明簡述本發明有利於形成大尺度(例如，在某些實施方案中，直徑為至 少lcm)的摻雜A1N晶體。摻雜劑可以是n型和/或p型，並且在電激 活之後，該晶體將表現出足夠的電導率和/或遷移率特性用以支持商用 器件的形成。依照本發明，通過引入比鋁(Al)或氮(N)少一個電子的替代式 雜質在完美的化學計量A1N或AlGaN晶格內產生受主能級。諸如N陰 離子位置上的空位(表示為VN)或具有額外電子的雜質的電荷補償缺 陷得以理想地避免，但更普遍地其密度減小或者活性較低。為了使用 直徑幾乎與Al或N相同的原子並避免局部應變，優選從元素周期表的 上部選擇摻雜劑。Al位置的選擇包括鈹(Be )、鎂(Mg )和鋅(Zn )， 而碳(C)是N位置的一個選擇。比Al少兩個電子的摻雜劑例如鋰(Li) 也可用來製造p型A1N和AlGaN。可以通過將例如Be、 Mg、 Zn、 Li或C的單一替代式雜質引入A1N 晶格實現A1N和AlGaN的p型摻雜，這種常見的方法被稱為單摻雜。 其後通常繼之以晶體的處理以便電激活雜質物類(species)。因此，在第一方面中，本發明的特徵在於一種形成摻雜A1N晶體的方法，該方法包括形成包含A1N和多種雜質物類的混合晶體，和 電激活至少一部分混合晶體中的至少一種雜質物類。在一個實施方案 中，在電激活步驟之前將混合晶體切成多個晶片。電激活步驟之後， 摻雜A1N晶體可以在室溫下具有大於約1(TQ、nT1、或甚至大於約3 x 10—3CT1(1111—'的電導率和/或大於約25cm2V—Yi的遷移率。本發明的實施方案可以包括一個或多個以下特徵。在電激活之前， 混合晶體在室溫下的電導率可以小於約10—'r^cnf1，且電激活之後， 摻雜A1N晶體可以是n型或p型。所述多種雜質物類可以包括替代式 摻雜劑，例如C、 0、 Be、 Mg、 Zn或Si。所述多種雜質物類可以包括 填隙式摻雜劑，例如Li，並且電激活步驟可以包括下面的至少一種 退火、浸入熔融金屬或者向至少一部分混合晶體施加電壓。這樣的步 驟可以導致從至少 一部分混合晶體中提取出填隙式摻雜劑。所述多種雜質物類可以包括至少一種施主和至少一種受主。在一 個實施方案中，所述至少一種施主和所述至少一種受主佔據陽離子格 點。所述至少一種施主包括Si，而所述至少一種受主包括Be、 Mg或 Zn。在另一實施方案中，所述至少一種施主和所述至少一種受主佔據 陰離子格點。所述至少一種施主包括0且所述至少一種受主包括C。 在各個實施方案中，電激活步驟包括退火。在另一方面中，本發明的特徵在於一種形成p型A1N晶體的方法，該方法包括形成包含A1N和替代式雜質源的混合晶體，和電激活至 少一些替代式雜質。本發明的實施方案可以包括一個或多個以下特徵。所述替代式雜 質源可以包括Be^。電激活至少一部分替代式雜質的步驟可以包括將 Be3N2轉變為Be3N3,以及可以包括使混合晶體在氮環境中經受小於約 2300X:的溫度和小於約100 MPa的壓力。作為替換或者另外，替代式 雜質源可以包括Mg3^、 Zn3N2、 Li3N、 BeO、 BeSiN2、 LiBeN、 Be2C、 BeSiN2、 MgSiN2、 LiSi2N3、 LiMgN或LiZnN中的至少一種。在又一方面中，本發明的特徵在於摻雜的A1N晶體，該摻雜的A1N 晶體的厚度為至少約0. lmm，直徑為至少約lcm，並且在室溫下電導率大於約10—5Q_1cm—i。在室溫下電導率可以大於約3xi(m、nf1。所述 A1N晶體的遷移率在室溫下可以大於約25 cn^r18—'。直徑可以為至少 約2cm。所述A1N晶體可以包括選自C、 0、 Be、 Mg、 Zn和Si中的至 少兩種替代式摻雜劑。在再一方面中，本發明的特徵在於一種摻雜的p型A1N晶體，該 A1N晶體在室溫下的遷移率大於約25 cm2 V_1s—、所述A1N晶體可以包 括選自C、 0、 Be、 Mg、 Zn和Si中的至少兩種替代式摻雜劑。本發明另一方面的特徵在於一種摻雜的n型單晶A1N結構，其厚 度為至少約0. lmm且直徑為至少約1 cm。所述A1N結構的遷移率在室 溫下可以大於約25cm2^18—\所述A1N晶體可以包括選自C、 0、 Be、 Mg、 Zn和Si中的至少兩種替代式摻雜劑。在另一方面中，本發明的特徵在於一種摻雜的單晶A1N結構，其 尺寸為至少2mmx 2mmx lmm且在室溫下電導率大於約10_5O_1cm_1。所 述A1N晶體可以包括選自C、 0、 Be、 Mg、 Zn和Si中的至少兩種替代 式摻雜劑。在另一方面中，本發明的特徵在於一種摻雜的p型AlGaN外延層， 其具有大於約50%的Al濃度且電導率在室溫下大於約10—icm—\所 述電導率在室溫下可以大於約3x 10_30—^nf1。所述外延層的遷移率在 室溫下可以大於約25cm2 V—Y1。在一個實施方案中，所述外延層包括 選自C、 0、 Be、 Mg、 Zn和Si中的至少兩種替代式摻雜劑。附圖簡述在附圖中，相同的附圖標記在不同視圖中通常指代相同的部件。 此外，附圖並不一定按比例，相反通常著重於說明本發明的原理。在 下面的說明書中，參照以下附圖描述本發明的各個實施方案，其中 圖l示意繪出了用於單晶A1N生長的晶體生長腔室； 圖2是依照本發明的多個實施方案形成摻雜A1N的工藝流程圖；和圖3是依照本發明的其它實施方案形成摻雜A1N的工藝流程圖。優選實施方案詳述參照

圖1，可以通過如美國專利6, 770, 135所述的升華-再凝結 方法形成A1N晶體，通過引用將該專利的全部內容併入本文。晶體生 長腔室100包含蒸氣混合物110、 A1N晶體120和多晶源130,並且被 加熱爐140包圍。在一個實施方案中，晶體生長腔室100包含鴒。在 替代實施方案中，晶體成長腔室100包含錸鴒合金、錸、碳、碳化鉭、 氮化鉭、碳氮化鉭、氮化鉿、鴒與鉭的混合物、或其組合，如美國專 利申請10/822, 336所述，通過引用將該專利申請的全部內容併入本 文。蒸氣混合物110由加熱晶體成長腔室IOO—端處的多晶源130產 生，並聚結到另一較冷端處的A1N晶體120中。A1N晶體120可以包 含有限濃度的填隙式或替代式雜質。在進一步處理時，可以電激活雜 質以便摻雜A1N晶體120並向其提供需要的電學性質。在此處描述的 所有實施方案中，AlN晶體120還可以包含鎵(Ga)，使其成為AlGaN 晶體。例如，可以將Ga添加到多晶源130使得晶體聚結為AlGaN。在 這種情況下，晶體的Al濃度可以大於約50%。 A1N晶體120可以具有 大於約0. lmm的厚度和大於約lcm的直徑。所述直徑甚至可以大於約 2cm。圖2圖解了用於形成p型A1N晶體的工藝200。在步驟220中， 在約2000t;至約23001C的溫度下通過升華-再凝結形成A1N晶體 120，該晶體是包含A1N和替代式或填隙式雜質源(即至少一種摻雜劑 物類)的混合晶體。所述多種替代式雜質的源是Be3N2、 Mg3N2、 Zn3N2、 Li3N、 BeO、 BeSiN2、 LiBeN、 Be2C、 BeSiN2、 MgSiN2、 LiSi2N3、 LiMgN、 LiZnN或其它適宜的材料。相應的替代式雜質包括Be、 Mg、 Zn、 O或 其它。化合物Be3N2在約2200"C熔化並在約2250lC下在l巴的K中分 解成液體Be+N"金屬Be在2970X:沸騰。化合物Mg^在800 - 900t: 的溫度下在1巴的N2中分解。Mg在6491C熔化並在1090X:沸騰。在步 驟230中，電激活A1N晶體120內的所述多種替代式或填隙式雜質中的至少一部分。在一個實施方案中，在氮環境中通過高壓處理將Be3N2 轉變為Be3N3，由此電激活Be摻雜劑。可能需要在高達2300C溫度下 的高達100 MPa的&壓力和高達幾個星期的時間。然而，在商業應用 中必須考慮到Be的人體毒性。在步驟240中，通過使用線鋸或金剛石 圓鋸將A1N晶體120切成晶片以便直接使用或用於隨後在其上的半導 體層外延生長和/或器件集成。還可以通過在生長過程中或生長之後將兩種或更多種不同元素引 入晶體來實現A1N的摻雜。此處將使用兩種元素稱為雙摻雜；對於三 種元素，稱為三摻雜。雙摻雜方法可以分成兩類。第一類是"非對稱雙摻雜"(ABD)，其中兩種雜質代表施主元素 和受主元素，並以近似相等的濃度引入。但是，在高濃度下，施主間 的相互作用不同於受主之間的相互作用。除孤立的單原子雜質激活能 之外，在諸如雜質能帶和雜質複合體的多體狀態形成中的這種差異是 非對稱性的來源。施主-受主對優選地具有特殊性質。充當所述多種 雜質的源的適宜化合物包括MgSiN2和BeSiN2。在MgSiN2或BeSiN2中， Mg或Be受主佔據Al陽離子格點，如同補償的Si受主那樣。因此， 它們在晶格中形成最近的相鄰對，和淨摻雜(以及因此的高電導率) 的結果。在MgSiN2的情形中，施主和受主在高的生長溫度下不成對。在高 於1018 cm—3的摻雜水平下，Mg、 Be或Si物類開始形成雜質能帶，在 該雜質能帶中Mg或Be上的空穴可以從一個雜質原子移動到最近的相 同雜質原子形成P型次能帶(sub-band)。當雜質物類中的一種是Si 原子時，Si波函數交疊能形成n型次能帶。根據當摻雜劑濃度提高時 首先形成哪個次能帶，產生的摻雜AlN晶體可以是n型或者p型。優 選地，引入濃度大於約1018 cm-3的雜質物類，甚至更優選地引入高達 2x lo22cm—3的濃度。 一種適宜的雜質物類源BeSiN2在固態A1N中無限 可溶。(參見G. Schneider, L.J. Gauckler， 和G. Petzow， J. Am. Ceram. Soc. ， Vol. 63， P32 ( 1980 )，通過引用將其全部內容併入本 文)。同樣，MgSiN2在AlN中具有高的溶解度，由於Si在AlN中是淺施主而Mg是較深的受主，因此用MgSiN2摻雜的A1N通常為n型。製造p型A1N的ABD方法的另一個例子是將兩種不同雜質置於A1N 中的N陰離子格點上。這能夠通過製造A1N與A120C的混合晶體來實 現。Al20C在A1N中的固溶度對於氧和碳都高達3 x 1 022cm—3。參見C. Qui 和R. Metselaar， J. Am. Ceram. Soc. ， Vol. 80, P2013U997 ) ( "Qui 參考文獻")，通過引用將其全部內容併入本文。在這種情況下，點 缺陷源是AIA和A14C3。氣體環境可以包括CO、 A120、 A1CN或這三種 氣體的各種混合物，且替代式雜質可以包括C和O。碳由於其低毒性可以優選作為AIN的p型摻雜劑。化合物A14C3 以黃色晶體存在。在惰性的石墨坩堝中，它在2156t;的溫度下轉熔 (peritectically)分解。在高於1500X:的100 kPa的N2中，其不存 在A1A與Na反應形成AIN和C。可以在碳(石墨)坩堝中在2000 C至2300C下在100 kPa的N2中通過升華-再凝結方法生長AIN晶體。 它們生長良好，顏色為黃色，每立方釐米包含幾百個小的黑色石墨片， 這些石墨片分布在整個晶體中。主要的碳輸送蒸氣分子是A1CN。當晶 體在高溫下退火時過量的碳從溶體中脫出。該溫度下的生長時間約為 150小時。可能因為作為替代式雜質引入N格點的相對少量的C被N 空位補償，因此這些晶體在室溫下不導電。可以通過使用化合物A120C非常有效地引入碳作為氮位置上的替 代式雜質。化合物Al20C存在並具有與AIN幾乎相同的晶體結構.它 在高溫下以固態與A1N混溶，Al20C為O至約40摩爾％。 N2和C0分子 都包含14個電子。Al2OC的晶體本身不導電。氧雜質作為深施主進入 (在氮位置上)，並且似乎補償了較淺的碳受主。成功生長摻有Al20C 的晶體的一個重要因素是在生長過程中或之後對其進行適當的熱處理以便得到均勻的體電導率。ABD的這個例子依賴於如下事實C受主能 級顯著淺於0施主能級，因此Al2OC化合物在高摻雜濃度下將有效地 充當p型摻雜劑。在一種雜質為替代式而另一種為填隙式的意義上，雙摻雜的第二 種類型也是非對稱的。用於雙摻雜A1N的一些有用化合物是LiBeN、LiMgN和LiZnN。元素Be、 Mg和Zn將趨向於作為替代式雜質進入A1N 晶體，而Li將趨向於成為填隙式雜質。作為填隙式雜質，Li原子在 A1N晶格中相對易遷移。因此，可以通過提取出Li離子並將Be留在 適當位置來電激活摻雜有LiBeN的A1N晶體，產生p型的導電半導體。 可以通過下述進行提取在真空下加熱摻雜的A1N晶體以便蒸發Li、 將晶體或晶體切片浸入液態鎵(Ga)或銦(In)的熔融金屬浴中、或 者在外加的直流(DC )電場中使Li漂移到表面。Be受主(或Mg或Zn ) 要麼是孤立的未補償受主，要麼在較高濃度下形成p型次能帶。這種 製造導電A1N的方法被稱為提取-激活雙摻雜(EABD)。此外，雙摻 雜允許將A1N摻雜至非常高的雜質含量水平，這對於獨自使用Be、 Mg 或Zn的單摻雜常常是不可能的。製造p型A1N的EABD法的另 一種應用涉及製造具有化合物L i S i2N3 的A1N混合晶體。然後，如上文所述提取出Li (在這種情形中Li為 Al陽離子格點上的替代式雜質)以便留下摻雜有VA1Si2N3 (即對於每 個Al空位，Al位置上有兩個Si原子)的A1N晶體。這使晶體成為淨 P型半導體。但是，應該注意在這個工藝期間避免退火除去過多的鋁 空位(U (例如進行至過高的溫度)，因為摻雜有VA1Si3N4 (即每個 VA,三個Si原子)的晶體將被完全補償並且在低摻雜濃度下不導電。圖3圖解了用於形成摻雜A1N晶體的替代工藝300。在步驟320 中，在約2000匸至約2300C的溫度下通過升華-再凝結形成A1N晶體 120—一包含A1N和多種雜質物類(即不同類型的摻雜劑原子)的混合 晶體。所述雜質物類可以包括諸如C、 0、 Be、 Mg、 Zn和Si的替代式 摻雜劑和/或諸如Li的填隙式摻雜劑。可以通過如下方式引入所述雜 質物類利用例如MgSiN" BeSiN2、 A120C、 LiBeN、 LiMgN、 LiZnN或 LiSi2N3的化合物(即一種或多種雜質物類的源)作為多晶源130的一 部分，或者將其氣態前體引入蒸氣混合物110中使得A1N晶體120包 含目標化合物和/或雜質物類。這時，在電激活之前，A1N晶體120可 以具有低的電導率，例如在室溫下小於約10-2Q—^nf1，因為所述多種 雜質物類可以相互補償。A1N晶體120的電導率甚至可以小於約10—5為了在A1N中的N陰離子位置上獲得非常高的C濃度，可以用0. 1 - 50摩爾％的A120C和99. 9 - 50摩爾°/。的A1N製造混合多晶材料。然 後使用所述混合多晶材料作為用於生長摻雜A1N晶體的多晶源130。 可以通過將適當比例的A1N和A120C粉末混合併燒結來形成所述混合 多晶源材料。但是，純淨的A120C結構相當不穩定，並且通過製造其 與A1N的混合晶體使其最佳穩定。這可以在利用A14C3、 A1N和A1203 的熱力學性質的仔細控制的條件下進行。製造A1N-A120C多晶材料的一種此類方法是將人1203粉末添加到 A1-N-C混合物(具體地說，要麼(i) A1N + C粉末，要麼(ii) A1N、 C和A1粉末，要麼(iii) A1N和ALC3粉末)並將其加熱以便將相對 高濃度的Al20C併入AlN。該反應優選在1700"C- 20001C的溫度範圍 內進行，這時A120C是熱力學穩定的(參見例如Qui參考文獻和Y. Urrere等人的Rev, Int. Hautes Temp. Refract. Fr. ， Vol. 21， P3 ( 1984 ),通過引用將其全部內容併入本文)。我們可以計算出在 20001C穩定的最高壓力約為1巴。可以將Al^加Al-N-C粉末冷壓， 然後在最高達1990匸的溫度下在頂部帶螺紋的石墨圃筒中燒結。然 而，燒結將產生略微多孔的樣品，因此更好在約1900C的溫度下在緊 密密封的石墨模中熱壓粉末持續2 - 3小時。所述密封防止氣體從壓模中洩漏出從而改變化學組成。反應熱壓的使用利用了 Al力3與Al4C3的反應中5%的體積收縮來形成A120C。理想地在壓力下冷卻混合物以防 止逆反應。熱壓產生>98.5%理論密度的樣品，如S.Y. Kuo和 A.V，Virkar的J. Am. Ceram. Soc. ， Vol. 73， P2640 U990 )中所 示，通過引用將其全部內容併入本文。具有摻雜多晶材料的A1N晶體生長的理想進行應注意晶體生長腔 室100的類型。例如，使用A1N-A120C多晶起始材料時，可以優選使 用由TaC或石墨(C)製成的晶體生長腔室100。在一個實施方案中，所述多種雜質物類包括至少一種施主和至少 一種受主。此外，這樣的雜質物類對可以佔據A1N晶格中的陽離子或陰離子格點。例如，化合物A120C可以充當施主物類0和受主物類C 的源，它們兩者都佔據陰離子(N)格點。相反，諸如BeSiN2、 MgSiN2 和ZnSiN2的化合物可以充當施主物類Si和受主物類Be、 Mg和Zn的 源，它們全部佔據陽離子(Al)格點。繼續參照圖3，在步驟320中還可以引入填隙式和替代式雜質物 類的組合。例如，諸如LiBeN、 LiMgN或LiZnN的化合物可以提供Li 作為填隙式雜質以及諸如Be、 Mg、 Zn或Si的物類作為替代式雜質。 在這種情況下，存在填隙式雜質和替代式雜質兩者可以使A1N晶體120 基本為本徵性直到在隨後的步驟340中提取出填隙式雜質(如下所 述)。另一個例子是LiSi2N3摻雜，其中Li和Si兩者都將是Al陽離 子位置上的替代式雜質。因此，A1N晶體120可以具有低的電導率， 例如在室溫下小於約1(Trrcm—、直到在隨後的步驟340中提取出更 加易於遷移的替代式Li雜質(如下所述)。在這個階段，A1N晶體120 的電導率甚至可以小於約10_50_1( 01_1。在一個實施方案中，0雜質的源是Al203，它向A1N晶體120提供 Al空位和替代式O形式的點缺陷。該Al203點缺陷源提供Al空位，因 為A1203實際是以A12Va,03溶解，其中Va!表示一個Al空位。在2300 "C的生長溫度和低的A1A濃度下，O原子將隨機分布在N位置上，而 Al空位隨機分布在A1位置上。在緩慢冷卻過程中，O原子可以趨向於 簇集在A1空位周圍，因為它們的直徑比N原子略大，導致應力消除的 簇集。可以通過在3 0分鐘或更少的時間內將晶體從生長溫度快速冷卻 來預防這種簇集。快速冷卻將導致在N陰離子格點和Al空位上具有未 簇集的0點缺陷的A1N晶體。在可選步驟330中，將此刻包含至少一種雜質物類的A1N晶體120 切成晶片。在可選步驟335中，在A1N晶體120的至少一個晶片上沉 積外延層。所述外延層可以包括A1N、 GaN、 InN或其合金或混合物。 所述外延層的Al濃度可以大於50%。(因此，對於AlxGa^N外延層， x可以大於0.5)。在步驟335期間，所述外延層可以摻雜有至少一種 雜質物類，例如O。所述外延層的厚度可以為約0. 5微米(ym)至200jam。在步驟340中，電激活至少一部分A1N晶體120 (該晶體此刻可 選為晶片形式)中(和/或沉積在其上的外延層中)的至少一種雜質物 類，以便形成摻雜晶體。在電激活之後，所述晶體(和/或沉積在其上 的外延層)可以具有淨的n型或p型摻雜水平。可以通過例如在約2000 C至約23001C的溫度範圍內對A1N晶體120進行退火來實現電激活。在步驟320中已經引入填隙式雜質物類時，步驟340可以包括方 法提取出填隙式雜質物類，同時將一種或多種激活的替代式雜質物 類留在A1N晶體120中。在這樣的實施方案中，步驟340可以包括 在高於300C但低於1600X:的溫度下(以避免過度損傷A1N基質晶體) 在真空中對A1N晶體120進行退火以蒸發填隙式雜質物類，將A1N晶 體120或其晶片浸入液態鎵(Ga)或錮(In)熔融金屬浴中，或向A1N 晶體120施加電壓以便使填隙式雜質物類漂移到表面。步驟340可以包括在可以向A1N晶體120提供至少一種附加雜質 物類的環境中退火。在一個實施方案中，A1N晶體l:20在約2000"€至 約2300"的溫度範圍內退火。在O雜質的情形中，選擇溫度以便防止 簇集或使O-Vw簇再溶解。所述環境是例如30巴下的90% N2 + 10% CO 的氣氛，退火時間為例如24小時，且越厚的晶片需要越長的時間。一 些CO擴散到晶體中，而一些氮和氧擴散出。因此，退火步驟將C(一 種附加的雜質物類)併入A1N晶體120。類似地，如果A1N晶體120 的晶片上存在外延層，這樣的退火可以向外延層提供附加的雜質物類。 因此，所述外延層可以包含多種雜質物類，其中至少一種被電激活。一旦步驟340完成，A1N晶體120和/或沉積在其上的外延層就可 以具有理想的電特性。這些電特性包括例如電導率在室溫下大於約 10—5Q-W1，或者在室溫下甚至大於約3x 10-3Q-W1。電導率在室溫 下甚至可以大於約0. lrTcm人AlN晶體120和/或沉積在其上的外延 層的遷移率在室溫下可以大於約25 cm^-Y1。結果是四元晶體，該四元晶體主要為A1N但在N格點上具有高濃 度的O和C。由於過量的O，其還將具有一定濃度的Al空位(VA1)。 在緩慢冷卻過程中， 一些過量0可能再次簇集在Al空位周圍，但遷移性比0原子差的C原子不會。在溶體中C位於並停留在N位置上，並 且C濃度與0濃度相當或者大於0濃度。現在A1N晶體120是良好的 p型導體(室溫下電導率a > 3x 10-3Q-^m-1 )。在優選實施方案中， A1N晶體120在室溫下的遷移率大於25cmTY1,因為高濃度的C產生 非定域的受主能帶，而由O產生的較深施主能級保持為定域性。優選 的A1N晶體的尺寸超過2mmx 2mmx l咖，並且室溫下的電導率大於l(T5該p型摻雜劑的激活能將取決於其濃度，但是由於Al20C和Al2VA力3 兩者在A1N中的高溶解度，因而有可能製造退化摻雜的p型A1N以及 輕摻雜的材料。希望C濃度超過約lxlO"cm—3以便實現實用的p型導 電性。使用這種技術能夠獲得非常高的C濃度(最高達約2 x 1 022cm—3)， 並且這樣的濃度有助於獲得高的p型摻雜水平(和較高的導電性)。Al^和CO摻雜以及退火處理對於控制p型摻雜存在通常重要。 在優選實施方案中，0與C的原子比約為一比一 (1:1)，且大部分C 被激活。如果存在比此更多的0，則將有較少的C中心被激活，而較 低的0濃度可以導致C析出並且為非電活性。可以看到，本文描述的方法為包括A1N和AlGaN的摻雜晶體和外 延層的製備提供了基礎。此處使用的術語和措辭用作描述而非限定性 的術語，在這些術語和措辭的使用中並不意圖排除所示和所述特徵的 任何等效物或其部分。相反，認為在本發明權利要求範圍內可以做各 種修改。權利要求如下
權利要求
1.形成摻雜AlN晶體的方法，該方法包括以下步驟a.形成包含AlN和多種雜質物類的混合晶體；和b.電激活至少一部分混合晶體中的至少一種雜質物類以便形成摻雜AlN晶體。
2. 如權利要求1所述的方法，該方法還包括在電激活步驟之前將 混合晶體切成多個晶片的步驟。
3. 如權利要求1所述的方法，其中在電激活步驟之後，該摻雜 A1N晶體在室溫下具有大於約1(TQ-icii^的電導率。
4. 如權利要求3所述的方法，其中在電激活步猓之後，該摻雜 A1N晶體在室溫下具有大於約3x 10-3Q、n^的電導率。
5. 如權利要求1所述的方法，其中在電激活步驟之後，該摻雜 A1N晶體在室溫下具有大於約25cm^-Y!的遷移率。
6. 如權利要求1所述的方法，其中在電激活步驟之前，該混合晶 體在室溫下具有小於約1(TQ^ci^的電導率。
7. 如權利要求1所述的方法，其中在電激活步驟之後，該摻雜 A1N晶體為n型。
8. 如權利要求1所述的方法，其中在電激活步驟之後，該摻雜 A1N晶體為p型。
9. 如權利要求1所述的方法，其中所述多種雜質物類包括替代式 摻雜劑。
10. 如權利要求9所述的方法，.其中該替代式摻雜劑選自C、 0、 Be、 Mg、 Zn和Si。
11. 如權利要求l所述的方法，其中所述多種雜質物類包括填隙式 摻雜劑。
12. 如權利要求11所述的方法，其中該填隙式摻雜劑包括Li。
13. 如權利要求11所述的方法，其中電激活步驟包括下述中的至 少一種退火、浸入熔融金屬和向混合晶體的至少一部分施加電壓。
14. 如權利要求13所述的方法，其中該電激活步驟從至少一部分 混合晶體中提取出填隙式摻雜劑。
15. 如權利要求1所述的方法，其中所述多種雜質物類包括至少一 種施主和至少一種受主。
16. 如權利要求15所述的方法，其中所述至少一種施主和所述至 少一種受主佔據陽離子格點。
17.如權利要求16所述的方法，其中所述至少一種施主包括Si， 且所述至少一種受主包括Be、 Mg或Zn。
18. 如權利要求15所述的方法，其中所述至少一種施主和所述至 少一種受主佔據陰離子格點。
19. 如權利要求18所述的方法，其中所述至少一種施主包括0, 且所述至少一種受主包括C。
20. 如權利要求1所述的方法，其中所述電激活步驟包括退火。
21. 形成p型A1N晶體的方法，該方法包括以下步驟a. 形成包含A1N和替代式雜質源的混合晶體；和b. 電激活至少一些替代式雜質以便形成p型A1N晶體。
22. 如權利要求21所述的方法，其中所述替代式雜質源包括Be3N2。
23. 如權利要求22所述的方法，其中所述電激活步驟包括將Be3N2 轉化為Be3N3。
24. 如權利要求21所述的步驟，其中所迷電激活步驟包括在氮環 境中使混合晶體經受小於約100 MPa的壓力和小於約2300匸的溫度。
25. 如權利要求21所述的方法，其中所述替代式雜質源包括Mg3N2、 Zn3N2、 Li3N、 BeO、 BeSiN2、 LiBeN、 Be2C、 BeSiN2、 MgSiN2、 LiSi2N3、 LiMgN或LiZnN中的至少一種。
26，摻雜A1N晶體，其厚度為至少約0. lmm，其直徑為至少約lcm， 其電導率在室溫下大於約10—5Q—^nf1。
27.如權利要求26所述的A1N晶體，其中所述電導率在室溫下大 於約3x 1(r3ir1(^—1。
28，如權利要求26所述的A1N晶體，其中該A1N晶體的遷移率在室溫下大於約25cm2V—Y\
29. 如權利要求26所述的A1N晶體，其中該A1N晶體的直徑為至 少約2cm。
30. 如權利要求26所述的A1N晶體，該A1N晶體還包含選自C、 0、 Be、 Mg、 Zn和Si中的至少兩種替代式摻雜劑。
31. 摻雜的p型A1N晶體，其遷移率在室溫下大於約25cmYY1。
32. 如權利要求31所述的A1N晶體，該A1N晶體還包含選自C、 0、 Be、 Mg、 Zn和Si中的至少兩種替代式摻雜劑。
33. 摻雜的n型單晶A1N結構，其厚度是至少約0. lmm且直徑是至 少約lcm。
34. 如權利要求33所述的A1N結構，其中該A1N結構的遷移率在 室溫下大於約25cm2V—Y1。
35. 如權利要求33所述的A1N結構，其還包含選自C、 0、 Be、 Mg、 Zn和Si中的至少兩種替代式摻雜劑。
36. 摻雜的單晶A1N結構，其尺寸是至少2mmx lmm且電導率 在室溫下大於約10—5Q—^m—\
37. 如權利要求36所述的A1N結構，其還包含選自C、 0、 Be、 Mg、 Zn和Si中的至少兩種替代式摻雜劑。
38. 摻雜的p型AlGaN外延層，其Al濃度大於約50%且電導率在 室溫下大於約10—5Q-1cm—、
39. 如權利要求38所述的外延層，其中在室溫下電導率大於約3 x 10-W、
40. 如權利要求38所述的外延層，其中在室溫下遷移率大於約 25cmT V。
41. 如權利要求38所述的外延層，其還包含選自C、 0、 Be、 Mg、 Zn和Si中的至少兩種替代式摻雜劑。
全文摘要
具有高電導率和遷移率的摻雜AlN晶體和/或AlGaN外延層，通過如下步驟進行製造例如形成包含多種雜質物類的混合晶體，和電激活該晶體的至少一部分。
文檔編號C30B29/10GK101331249SQ200680045153
公開日2008年12月24日 申請日期2006年12月4日 優先權日2005年12月2日
發明者G·A·斯萊克, L·J·斯庫瓦特 申請人:晶體公司