專利名稱：摻雜型iii－v族氮化物材料及由這種材料構成的微電子器件和器件前體結(jié)構的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及摻雜III-V族氮化物材料，例如，氮化鋁鎵(AlGaN)、氮化鎵(GaN)、氮化銦鎵(InGaN)等材料，并涉及這些材料的制備方法，以及由這些材料構成的微電子器件和器件前體結(jié)構。
背景技術：
III-V族氮化物半導體作為在高溫、高頻和高功率的微電子技術和紫外線/藍光/綠光的光電子技術中的有用材料具有巨大的潛力，因為它們有寬的帶隙、高的熱傳導率和大的電擊穿場。
微電子器件應用包括AlGaN-GaN多層膜激光器二極管，高電子遷移率晶體管(HEMTs)，場效應晶體管(FETs)，異質(zhì)結(jié)雙極晶體管(HBTs)，發(fā)光二極管(LEDs)和紫外線光探測器，以及通常的(Al，In，Ga)N基底器件，其包括應用于高頻、高功率通信的器件，應用于高密度光存儲的器件，全色顯示器的器件和其它寬帶隙半導體應用的器件。
氮化鋁鎵(AlGaN)和氮化鎵(GaN)材料是非常有前途的III-V族氮化物材料，可以用于無線通信和光通信系統(tǒng)的下一代電子和光電子器件。但是，III-V族氮化物材料的內(nèi)在局限性也給它們的發(fā)展和使用提出了難題。
具體地，需要改善III-V族氮化物半導體材料的摻雜以達到如下目的a)提高載流子遷移率；b)拓寬摻雜范圍；c)降低摻雜劑激活能；d)降低電阻率并同時提高載流子遷移率和拓寬摻雜范圍；e)加強a)-d)性能的可重復性；f)消除激活摻雜雜質(zhì)的需要或者降低摻雜劑激活的溫度/時間的需求；g)消除雜質(zhì)的引入給氮化物材料帶來的活性區(qū)變化；h)最小化由于摻雜雜質(zhì)的引入導致的氮化物材料的變化；和i)能夠選擇性的改變III-V族氮化物摻雜材料的性質(zhì)，例如，電阻率(對比于上述的(d)，在某些應用中需要提高電阻率，或者改變其它材料性能)。
現(xiàn)有技術沒有令人滿意的解決這些問題，這些問題將在本發(fā)明中被涉及。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及摻雜的III-V族氮化物，例如，氮化鋁鎵(AlGaN)、氮化銦鎵(InGaN)和氮化鎵(GaN)材料，這些材料的制備方法，以及由這些材料構成的微電子器件和器件前體結(jié)構。
本發(fā)明一方面考慮了III-V族氮化物如氮化鎵(GaN)和相關氮化物的δ摻雜，以及這些材料的超晶格摻雜。
這里使用的術語“III-V族氮化物”指的是包含氮元素和至少鋁(Al)、銦(In)、Ga(鎵)中之一的半導體材料。
本發(fā)明涉及III-V族氮化物材料(Al，In，Ga)N以及包含這些材料的器件和器件結(jié)構。術語“(Al，In，Ga)N”包括含有(Al)、銦(In)、鎵(Ga)一種或幾種元素的氮化物所有排列，于是，這包括可供選擇的材料氮化鋁(AlN)、氮化銦(InN)、氮化鎵(GaN)、氮化鋁銦(AlInN)、氮化鋁鎵(AlGaN)、氮化銦鎵(InGaN)和氮化鋁銦鎵(AlInGaN)，其中在包含兩種或全部三種這些金屬的化合物中鋁(Al)、銦(In)、鎵(Ga)化學計算系數(shù)可以取在0和1之間的任何適當?shù)闹?，只要滿足條件所有這些化學計量系數(shù)之和為1。出于這種考慮，例如雜質(zhì)元素氫(H)或碳(C)，摻雜劑或者像硼(B)這樣的應力改變材料也能包含在氮化(鋁，銦，鎵)((Al，In，Ga)N)材料中，但是它們的化學計算系數(shù)的總和值為1，偏差小于±0.1％。這樣的化合物的例子包括AlxGa1-xN，其中0≤x≤1，AlxInyGa1-x-yN其中0≤x≤1和0≤y≤1。本發(fā)明實用中感興趣的優(yōu)選材料包括氮化鎵(GaN)和氮化鋁鎵(AlGaN)。
另一方面，發(fā)明涉及含有δ摻雜層和/或摻雜超晶格的III-V族氮化物微電子器件結(jié)構。
再一方面，發(fā)明涉及含有δ摻雜層的III-V族氮化物微電子器件結(jié)構。
δ摻雜層例如能夠構成所述器件結(jié)構的未摻雜III-V氮化物層的中間層。
III-V族氮化物層例如可以包含氮化鋁鎵(AlGaN)或者氮化鎵(GaN)，并且δ摻雜層能可以包含選擇于硅(Si)、鍺(Ge)、鎂(Mg)、碳(C)、氧(O)、鈣(Ca)、鋅(Zn)、鋰(Li)、錳(Mn)、鈉(Na)、鉀(K)、鎘(Cd)、銣(Rb)、鍶(Sr)、鈧(Sc)和鈹(Be)之中的摻雜元素。
該微電子器件結(jié)構例如可以是從發(fā)光二極管(LEDs)、激光器二極管、氮化鋁鎵(AlGaN)/氮化鎵(GaN)高電子遷移率晶體管(HEMTs)、接觸式結(jié)構、隔離式結(jié)構、氮化鋁鎵(AlGaN)場效應晶體管(FETs)、光電子晶體管探測器、隧道摻雜結(jié)構、摻雜基異質(zhì)結(jié)雙極晶體管(HBTs)和光學過濾器中選擇的一種器件結(jié)構。
再一方面，本發(fā)明涉及包括摻雜III-V氮化物超晶格的III-V族氮化物微電子器件結(jié)構。
其它的方面、特征和實施例通過繼續(xù)的闡述和附加的權利要求書能夠得到更充分的體現(xiàn)。


圖1為室溫下霍爾遷移率作為δ摻雜Al0.25Ga0.75N層和體摻雜結(jié)構的霍爾載流子濃度的函數(shù)的曲線圖(δ摻雜層的霍爾載流子濃度定義為霍爾表面電荷除以層厚；C-V數(shù)據(jù)顯示層厚范圍從5至25埃())。
圖2為δ摻雜的HEMT結(jié)構的示意圖。
圖3為未摻雜的HEMT結(jié)構的示意圖。
圖4為藍寶石上300埃()的Al0.30Ga0.70N HEMTs的霍爾遷移率(cm2V-1ls-1)與霍爾面電荷(cm-2)的曲線圖。
圖5為結(jié)構A的I-HEMT器件、結(jié)構B的δ摻雜的HEMT器件、結(jié)構C的n-HEMT器件的C-V摻雜(cm-3)作為深度(μm)的函數(shù)的曲線圖。
圖6為結(jié)構A的I-HEMT器件、結(jié)構B的δHEMT器件和結(jié)構C的n-HEMT器件的電容(pF)作為電壓(V)的函數(shù)的曲線圖。
圖7為二元合金超晶格結(jié)構的能帶隙圖。
圖8為三元合金超晶格結(jié)構的能帶隙圖。
圖9為合金1和合金2中n型摻雜的超晶格結(jié)構的能帶隙圖。
圖10為僅1區(qū)p型摻雜超晶格結(jié)構的能帶隙圖。
圖11為1區(qū)、2區(qū)不同濃度n型摻雜超晶格結(jié)構的能帶隙圖。
圖12為無相關電離摻雜雜質(zhì)的合金1的能級圖。
圖13為源于2區(qū)摻雜物由1區(qū)的載流子引起的高傳導率的超晶格結(jié)構的能級圖。
圖14為高鋁含量的光電陰極的示意結(jié)構。
圖15-19顯示了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的外延薄膜沉積的工藝流程和δ摻雜過程。
圖20、22和24顯示了δ摻雜的高頻場效應晶體管(圖20)、器件相應的電流/電壓曲線(圖22)和器件相應的電容/電壓曲線(圖24)，與此對照，圖21、23和25分別顯示了體摻雜的高頻場效應晶體管(圖21)、器件相應的電流/電壓曲線(圖23)和器件相應的電容/電壓曲線(圖25)。
圖26為δ摻雜的接觸式和隔離式結(jié)構的示意說明，與此對照，圖27為體摻雜的接觸式和隔離式結(jié)構的示意說明，由此顯示了兩種器件結(jié)構中的摻雜損害。
圖28為根據(jù)本發(fā)明一個實施例的δ摻雜基的NPN晶體管的示意說明。
圖29為根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例的δ摻雜基的異質(zhì)結(jié)雙極晶體管(HBT)的示意說明。
圖30為根據(jù)發(fā)明的再一個實施例的發(fā)射器結(jié)構的示意說明。
圖31為根據(jù)本發(fā)明的δ摻雜的隧道摻雜HEMT器件的摻雜～深度的曲線圖和相應的隧道能級圖，與此相對照，圖32為體摻雜的摻雜HEMT器件的摻雜～深度的曲線圖和相應的隧道能級圖。
具體實施例方式
此處分別引用下述參考文件作為參考Zhao et al，Applied PhysicsLetters，Vol 77(14)，2 Oct 2000，pp 2195-2197；Kim et al，MRS InternetJournal of Nitride Semiconductors，Res4S1，G3.49(1999)；U.S.PatentApplication No.09/605，195 filed June 28，2000 in the names of Jeffrey S.Flynn，et al.for″METHOD FOR ACHIEVING IMPROVED EPITAXYQUALITY(SURFACE TEXTURE AND DEFECT DENSITY)ON FREE-STANDING(ALUMINUM，INDIUM，GALLIUM)NITRIDE((Al，In，Ga)N)SUBSTRATES FOR OPTO-ELECTRONIC ANDELECTRONIC DEVICES″；U.S.Patent Application No.09/179,049 filedOctober 26，1998 in the names of Robert P.Vaudo，et al.for″LOWDEFECT DENSITY(Al，In，Ga)N AND HVPE PROCESS FOR MAKINGSAME″；and U.S.Patent 6,156,581 issued December 5，2000 in the namesof Robert P.Vaudo，et al.for″GaN-BASED DEVICES USING(Ga，Al，In)N BASEDLAYERS″.
δ摻雜是一項二維摻雜技術，它能夠在半導體晶體一個非常小的體積中摻雜高濃度的雜質(zhì)。理想情況下，δ摻雜層是由置于合適的半導體位置的III或V族基質(zhì)半導體晶體中的不超過一層的單層摻雜雜質(zhì)(n-型或p-型)構成的。δ摻雜通常出現(xiàn)在用形成高質(zhì)量δ摻雜層所需要的暫停前(pre-pause)、暫停和暫停后(post-pause)條件暫停半導體晶體生長時。本發(fā)明所設想的δ摻雜涉及半導體材料上和材料內(nèi)的單層或近單層摻雜原子。在下文將更詳細說明的優(yōu)選的“暫停摻雜”中，δ摻雜層成為典型的內(nèi)化在半導體材料中的一個層，所采用的步驟涉及在摻雜暫停前和暫停后的半導體材料的外延生長，這使得摻雜原子被插入到其中的一層半導體材料中。
如果δ摻雜層用作接觸層，δ摻雜層被直接暴露于接觸層和沒有密封或內(nèi)化在半導體材料中，僅僅介于半導體材料和形成接觸元件的金屬化層之間。
對比于更常規(guī)的體摻雜技術，δ摻雜為單層摻雜技術，體摻雜技術用于將雜質(zhì)摻入半導體晶體材料的體積中，該體積遠大于等效的單層半導體晶體材料的厚度。以下將會意識到，根據(jù)本發(fā)明的實踐，在暫停期間，晶體生長會由于反應器中剩余的生長成分而繼續(xù)進行(特別是，如果暫停前階段沒有提供足夠的時間完全去除生長成分)，結(jié)果δ摻雜層在厚度上可能是單個或多個原子層，根據(jù)本發(fā)明獲得半導體材料中單層摻雜原子的優(yōu)選實踐，這種偏差是本發(fā)明的δ摻雜要考慮的范圍。
根據(jù)本發(fā)明的δ摻雜是通過原位摻雜進行的，利用了金屬有機物化學氣相沉積(MOCVD)、分子束外延(MBE)、氫化物氣相外延(HVPE)、等離子蝕刻化學氣相沉積(PECVD)等工藝，其中摻雜雜質(zhì)被插入、注入、退火和偏析。如本發(fā)明的具體應用中將描述到的，本發(fā)明的多個實施例使用原位摻雜技術將摻雜劑插入到III族位置、V族位置和III-V族材料的間隙位置。
根據(jù)本發(fā)明在δ摻雜之前和之后，用于III-V族氮化物半導體材料沉積的示例性的工藝條件包括溫度范圍在大約400℃～大約1200℃、壓強范圍在大約1torr～大約1000torr、V/III比率范圍在大約1～大約100,000、暫停時間要足以進行δ摻雜以在半導體材料中生成所期望的δ摻雜層，摻雜操作的周圍環(huán)境可選擇性地包含氮(N)、氫(H)、氬(Ar)、氦(He)或者其它合適的單成分或多成分氣體種類。生長條件要在本領域技術范圍內(nèi)容易優(yōu)化以保持預定的低水平的本身固有缺陷和最小化在生長材料中引入外來有害雜質(zhì)。
在與外延生長工藝相一致的工藝條件下可以方便地進行摻雜操作，這樣可以避免總的溫度波動和其它工藝參量的變化，例如，在連續(xù)的工藝過程中摻雜能夠與外延生長工藝完整地結(jié)合。
盡管優(yōu)選進行涉及外延生長、膜層生長的停止、摻雜、摻雜的停止和外延生長的重新開始這樣的連續(xù)處理順序，但是δ摻雜可以以不連續(xù)的方式實施。因此，可以進行氮化(鋁，銦，鎵)((Al，In，Ga)N)材料的初始外延生長，所形成的制品相關于后續(xù)的δ摻雜操作的執(zhí)行可以存儲或者中斷。
其后，當摻雜結(jié)束后，摻雜的半導體材料制品相對于最后的外延生長工藝可以存儲或者延遲，以形成內(nèi)部包含δ摻雜層的半導體材料。
從暫停前到暫停后的步驟可以重復多次以達到預期效果，例如，形成多層δ摻雜層，其中每一層都與其它的δ摻雜層隔開。
在暫停前、摻雜和暫停后步驟中的最佳界面條件包括準備用于摻雜物優(yōu)先結(jié)合的清潔表面(例如，將表面準備作為最后的暫停前操作)，控制工藝條件以最小化缺陷的產(chǎn)生，連續(xù)進行層生長和引入外來雜質(zhì)并同時控制(摻雜步驟)引入位置，以及控制用于在界面表面重構、偏析和再分配摻雜雜質(zhì)的工藝條件。
關于在界面表面重構、偏析和再分配摻雜雜質(zhì)以形成δ摻雜層，本發(fā)明考慮將涉及注入、移動和定位步驟的處理作為δ摻雜技術。
作為說明性的例子，在暫停前階段，離子注入機械裝置被安置在反應器內(nèi)并且調(diào)節(jié)生長條件使之能夠注入在材料的合適區(qū)域內(nèi)的半導體晶體中。在隨后的暫停階段，啟動注入機械裝置把硅(Si)離子引入材料中。緊接著，通過退火、遷移或?qū)⒐?Si)載流子定位于半導體晶體的特定位置的暫停后步驟而形成優(yōu)化的或者改良的δ摻雜結(jié)構(例如，其中摻雜雜質(zhì)原子在大體上平坦的區(qū)域聚集，優(yōu)選獲得不超過摻雜原子種類的直徑(原子直徑)25倍的厚度，更加優(yōu)選獲得不超過摻雜原子種類的直徑15倍的厚度和尤其優(yōu)選獲得不超過摻雜原子種類的直徑10倍的厚度)。
暫停前、暫停和暫停后摻雜工藝步驟可以無限制性地包括附加的半導體材料制備、恢復或修正步驟，為得是能夠獲得高質(zhì)量的δ摻雜，這些步驟包括溫度改變、環(huán)境條件改變、初始條件(precursor)變化、壓力變化、總流量變化、添加雜質(zhì)變化、表面活性劑添加(為改善摻雜的表面質(zhì)量和摻雜雜質(zhì)引入的均勻性)、材料蝕刻或去除、選擇或定位局部材料的去除等等。
相對于現(xiàn)有技術的摻雜的III-V族氮化物材料，本發(fā)明的δ摻雜實現(xiàn)了III-V族氮化物材料產(chǎn)品中遷移率的實質(zhì)性增強和表面電阻的降低。作為特定實例，本發(fā)明的氮化鋁鎵(AlGaN)的δ摻雜與相應的體摻雜的氮化鋁鎵(AlGaN)材料相比獲得的遷移率增強了超過兩倍。
這項改進由圖1數(shù)據(jù)顯示，圖1為δ摻雜的氮化鋁鎵(AlGaN)層的室溫霍爾遷移率作為霍爾載流子濃度的函數(shù)的曲線圖。圖1顯示的δ摻雜數(shù)據(jù)是通過將δ摻雜表面電荷轉(zhuǎn)變?yōu)檩d流子濃度產(chǎn)生的，假設不同δ摻雜層具有5、10和25埃()的層厚。δ摻雜層的厚度由C-V數(shù)據(jù)的FWHM測定(大約10左右)。δ摻雜數(shù)據(jù)與含25％等量鋁成分的傳統(tǒng)的1-3μm的體摻雜的氮化鋁鎵(AlGaN)層的數(shù)據(jù)相比較。圖1中的曲線圖的數(shù)據(jù)顯示對比于體摻雜結(jié)構，δ摻雜結(jié)構在相等的載流子濃度處展現(xiàn)了高得多的遷移率。所有數(shù)據(jù)都在室溫條件下測定。
盡管我們沒有闡明這種電子遷移率方面實質(zhì)性改進的具體機制，但是很顯然這種改進的幅度提供了迄今有關氮化鎵(GaN)和相關材料系統(tǒng)的摻雜缺陷的解決方案。盡管不希望在所展示出的改進的性質(zhì)或程度方面受到任何理論的限制，但是電子遷移率的實質(zhì)性的提高可能要歸因于摻雜層區(qū)域中的晶格應變在這些III-V族氮化物材料中引發(fā)的強大的壓電效應，以及其它方面的效應，這些效應包括載流子-雜質(zhì)交互作用的改變、雜質(zhì)散射的降低、缺陷散射的降低和聲子-聲子的交互作用的降低。
通過本發(fā)明獲得的電子遷移率的實質(zhì)性的改進可以適用于實現(xiàn)接觸電阻的改進，p型電阻率的改進(例如，δ摻雜基異質(zhì)結(jié)雙極晶體管(HBT)和激光器器件結(jié)構中的p型電阻率的改進)，器件可靠性和工作特性的加強，以及新型微電子器件結(jié)構的實現(xiàn)。
通過制造兩種高電子遷移率晶體管(HEMT)結(jié)構和比較它們的性能我們已經(jīng)展示了本發(fā)明用于增強型電子遷移率器件的優(yōu)點和潛力。圖2所示的第一結(jié)構(結(jié)構A)為未摻雜的HEMT結(jié)構。圖3所示的第二結(jié)構(結(jié)構B)為δ摻雜的HEMT結(jié)構。應當意識到，在本領域技術范圍內(nèi)，可以用傳統(tǒng)方式來沉積柵極、源極、漏極、鈍化層以及其它層從而完成最終的HEMT結(jié)構。
圖2顯示，HEMT結(jié)構(結(jié)構A)包括藍寶石基底10和緩沖層12作為基底結(jié)構?；?0可以選擇性的包含氮化鎵(GaN)、碳化硅(SiC)或其它適當?shù)幕撞牧稀＞彌_層由氮化鋁形(AlN)成并且形成厚度大約為400埃()的量級。在該基礎結(jié)構上生長有3微米厚的氮化鎵(GaN)層14，以及200埃()厚的氮化鋁鎵(Al0.25Ga0.75N)層16。
圖3顯示了比較結(jié)構B，結(jié)構B包含了與結(jié)構A中的層相同的層(所有對應的層都用與圖2中的附圖標記相同的標記進行標示)，區(qū)別僅在于，氮化鋁鎵(Al0.25Ga0.75N)層16包含了30埃()厚的下面部分和170埃()厚的上面部分，它們之間是硅(Si)δ摻雜層18。δ摻雜層18在包含帶有δ摻雜層的厚的氮化鋁鎵(Al0.25Ga0.75N)的標準結(jié)構中具有5×1012cm-2霍爾表面電荷。
在圖2顯示的現(xiàn)有技術的HEMT結(jié)構中，如圖4所示，提高HEMT結(jié)構的表面電荷會造成該結(jié)構相應的電子遷移率特性的降低。圖4為藍寶石基底上HEMT的300埃()厚的氮化鋁鎵(Al0.30Ga0.70N)層(結(jié)構A)的霍爾遷移率(cm2 V-1 s-1)作為霍爾表面電荷(cm-2)函數(shù)的曲線圖。
如下表1所示，δ摻雜結(jié)構(結(jié)構B)沒有顯示提高了表面電荷會降低電子遷移率這樣不利的結(jié)果，而是顯示了在高得多的表面電荷的情況下與未摻雜的HEMT結(jié)構(結(jié)構A)相當?shù)倪w移率。
表1δ摻雜(結(jié)構B)和未摻雜(結(jié)構A)HEMT結(jié)構的霍爾特性

制造了進一步的對比結(jié)構C，與圖3示意性顯示的結(jié)構B有著相同的大體結(jié)構和層(所有對應的層都用與圖2中的附圖標記相同的標記進行標示)，包括30埃()厚的氮化鋁鎵(Al0.25Ga0.75N)層16的下面部分，不同之處在于，氮化鋁鎵(Al0.25Ga0.75N)層1 6的上面部分僅為70埃()厚，中間層1 8被體摻雜而不是δ摻雜。體摻雜的中間層18的厚度為100埃()并且包含了對于相當?shù)?×1012cm-2霍爾表面電荷的5×1018cm-3的載流子濃度。
如下面的表2中的結(jié)果所示，對于各種樣品結(jié)構(結(jié)構A，B，C)示出了其Lehighton表面電阻(ohm/sq)，可以看出，與對應的體摻雜HEMT結(jié)構(結(jié)構C)相比，δ摻雜的HEMT結(jié)構(結(jié)構B)展示出了改善的表面電阻。
表2未摻雜HEMT結(jié)構(結(jié)構A)、δ摻雜HEMT結(jié)構(結(jié)構B)和體摻雜HEMT結(jié)構(結(jié)構C)的Lehighton特性

更高均勻性摻雜傳統(tǒng)的體摻雜均勻性是生長速度以及前體均勻性、氣相流動均勻性和摻雜劑初始均勻性的函數(shù)。在δ摻雜中，生長速度均勻性變量被消除，因此改進了達到均勻性和更加可重現(xiàn)摻雜特性的能力。進一步，其余的影響摻雜均勻性的因素，包括摻雜濃度、δ摻雜工藝條件和δ摻雜時間，根據(jù)這里所公開的內(nèi)容在本領域技術范圍內(nèi)很容易優(yōu)化，從而提供飽和條件以在晶格中生產(chǎn)所期望的引入速度。
用δ摻雜設計應變當由于摻雜物原子尺寸相對于主晶格的原因在δ摻雜層和主半導體晶格之間出現(xiàn)應變的時候，III-V族氮化物材料系統(tǒng)例如氮化鎵(GaN)材料系統(tǒng)中的依賴于δ摻雜能級的壓電效應在優(yōu)化δ摻雜結(jié)構和包含該δ摻雜結(jié)構的器件結(jié)構中能夠起到重要作用。為了正確的設計源于δ摻雜層的壓電性質(zhì)，對于δ摻雜層能夠使用多種類型(不同的晶格尺寸、晶格親和力方位和激活能)雜質(zhì)的組合，這些雜質(zhì)包括硅(Si)、鍺(Ge)、鎂(Mg)、碳(C)、氧(O)、鈣(Ca)、鋅(Zn)、鋰(Li)、錳(Mn)、鈉(Na)、鉀(K)、鎘(Cd)、銣(Rb)、鍶(Sr)、鈧(Sc)和鈹(Be)?？梢酝ㄟ^設計氮化鋁銦鎵(AlInGaN)四元合金與δ摻雜層混合從而影響壓電特性的進一步優(yōu)化。
提高器件結(jié)構穩(wěn)定性。
典型地通過相應的提高氮化鋁鎵(AlGaN)的鋁含量和/或提高厚度來提高應力進而提高氮化鋁鎵(AlGaN)HEMT的表面電荷。但是為了獲得1013cm-3量級的合理的表面電荷，需要超過氮化鋁鎵(AlGaN)阻擋層的臨界厚度。這導致了具有高電壓弛豫的不穩(wěn)定的器件結(jié)構。避免該缺陷的一個途徑是在通道區(qū)域(最接近層14的區(qū)域16)使用高鋁含量的氮化鋁鎵(AlGaN)層來生長該結(jié)構，然后離開通道(離開層14/層16的界面)逐漸級次降低氮化鋁鎵(AlGaN)的鋁含量。提高表面電荷的另一個途徑涉及到使用傳統(tǒng)技術例如阻擋層的體摻雜，但是阻擋層的厚度仍然需要非常的厚或者摻雜能級需要極度的高，這導致了材料性能惡化。
我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在阻擋層中引入δ摻雜層為通道產(chǎn)生了大大增強的電荷貢獻。我們已經(jīng)對比于5×1012cm-2的表面電荷的阻擋層的體摻雜(100埃()，5×1018cm-3)對5×1012cm-2的表面電荷的氮化鋁鎵(AlGaN)HEMT展示了這一點。如圖5和圖6所示，δ摻雜結(jié)構為通道提供了改善的電荷貢獻。
圖5為對于結(jié)構A的I-HEMT器件、結(jié)構B的δ摻雜HEMT器件和結(jié)構C的n-HEMT器件的C-V摻雜(cm-3)作為深度(μm)的函數(shù)的曲線圖。
圖6為對于結(jié)構A的I-HEMT器件、結(jié)構B的δ摻雜HEMT器件和結(jié)構C的n-HEMT器件的電容(pF)作為電壓(V)的函數(shù)的曲線圖。
這些結(jié)果顯示δ摻雜結(jié)構可以實現(xiàn)較低的厚度和較低的鋁(Al)含量，但其可以達到與低穩(wěn)定的很厚的高鋁含量的結(jié)構和體摻雜結(jié)構可比較的性能，因此在低于氮化鋁鎵(AlGaN)層的臨界厚度的情況下能夠獲得更穩(wěn)定的器件結(jié)構。引入δ摻雜層從而增強對通道的電荷分配的能力也給了器件結(jié)構設計者另一種自由度，使得他們能夠優(yōu)化應力和因此帶來的壓電特性，以便能夠?qū)崿F(xiàn)最可靠和最高性能的器件結(jié)構。
另一個改善器件結(jié)構穩(wěn)定性的例子涉及到δ摻雜層在器件結(jié)構中的位置。最佳位置根據(jù)器件的應用和器件的工作需要而存在于每個器件中。例如，在δ摻雜的HEMT中，優(yōu)選的實踐是將該δ摻雜層設置在接近通道的HEMT的阻擋層中，以便δ摻雜層和通道的距離小于載荷子的隧道距離(圖31)。
改良的光學性能當用摻雜元素如硅(Si)或鎂(Mg)來體摻雜氮化鎵(GaN)和氮化鋁鎵層時，產(chǎn)生了額外的深能級，這一點通過器件結(jié)構的光致發(fā)光特性可得到證明。這些深能級的能量明顯的要比III-V族氮化物材料中感興趣的能量發(fā)射和傳輸?shù)膽弥兴枰牡秃芏?，結(jié)果這些深能級能夠?qū)е掳l(fā)射器非常弱的光提取率，探測器非常差的響應和過濾器非常弱的光傳輸。根據(jù)本發(fā)明能夠使用δ摻雜減輕這些光學活性缺陷的沖擊，因為δ摻雜提供了等效于體摻雜材料的實質(zhì)為單層的摻雜材料。δ摻雜也有益于在能量低于半導體能帶隙時減少層或器件結(jié)構對光的敏感性，因此生產(chǎn)出相應的半導體器件改良的噪音特性。
改善的器件特性如前述部分所述，III-V族氮化物材料如氮化鎵(GaN)和氮化鋁鎵(AlGaN)的體摻雜造成了材料中的深能級。使用δ摻雜減小包含這些深能級的器件層的橫截面(體積)會充分的改良器件性能，包括溫度穩(wěn)定性、壽命、滲漏和擊穿等性能。
出于這方面考慮，δ摻雜的阻擋層HEMT結(jié)構(結(jié)構B)在器件被夾斷時，對比于體摻雜的HEMT結(jié)構(結(jié)構C)，會展現(xiàn)出改善的擊穿和滲漏特性，這是由于結(jié)構B的器件擁有較少的深能級，所以改善了電阻率并減少了擊穿途徑。
改善了器件制造δ摻雜層可以根據(jù)其在器件中的位置進行設計，因此能夠改良器件的制造，包括例如在器件結(jié)構中提供δ摻雜的接觸層、隔離層和互連層。例如，δ摻雜的接觸層可以置于HEMT器件結(jié)構的頂端附近(區(qū)域16)，以改進源極或漏極接觸的的歐姆接觸行為。這樣的器件通過注入隔離層比等效電阻率的體摻雜層更容易和更可重復地隔離，因為注入能量和時間降低了。結(jié)果，注入量和注入損害會充分的降低，因此可產(chǎn)生改良的器件性能，包括隔離、擊穿和滲漏特性(圖26和27)。
作為本發(fā)明所考慮的δ摻雜的另一種應用，δ摻雜層可用在本發(fā)明的再一個方面作為蝕刻制動器或者使用從δ摻雜層獲得的摻雜信號來識別在特殊半導體器件和器件前體結(jié)構的制造中所需要的蝕刻深度。
根據(jù)本發(fā)明中用δ摻雜層形成的器件可以是有用的任何適當?shù)念愋停鏰)接觸和隔離結(jié)構；b)高頻率氮化鋁鎵(AlGaN)場效應晶體管(FETs)或HEMTs；c)普通δ摻雜結(jié)構和光學器件；d)光電子晶體管探測器結(jié)構 e)隧道摻雜結(jié)構；f)δ摻雜基HBTs(NPN)；g)濾光器；h)探測器超晶格結(jié)構超晶格結(jié)構是其中合金成分沿著材料的厚度或厚度的部分以規(guī)則的或者周期性的方式變化的結(jié)構。合金成分通常在兩種成分之間變化，變化通常很突然并且合金成分的變化經(jīng)常導致如圖7所示的能帶隙的變化。突然的程度是所采用的器件制造技術的結(jié)果。原則上，超晶格能夠包含如圖8所示的3種或更多種合金，但是只是為了方便下面的說明，在下文中示例性的描述了包含兩個區(qū)域的超晶格結(jié)構，以區(qū)域1和區(qū)域2表示。
半導體中超晶格結(jié)構的x周期(見圖7)典型的范圍從幾納米到幾十納米，但是在III-V族氮化物材料系統(tǒng)中范圍可以小至1納米和大到500納米。超晶格周期的數(shù)量和兩種合金區(qū)域w1和w2的寬度能夠根據(jù)器件和它的最終用途的需要而改變。
超晶格能夠分別摻雜在任一種合金或單獨的合金區(qū)域中，如圖9、10和11所示，顯示了在合金1和合金2中的n-型摻雜能級(圖9)、只在區(qū)域1中的p-型摻雜(圖10)和在區(qū)域1和區(qū)域2中濃度不同的n-型摻雜(圖11)。某些情況下，每個區(qū)域中的濃度也會變化。例如，區(qū)域1的n-型濃度可以為1×1017cm-3，區(qū)域2的n-型濃度可以為5×1017cm-3。摻雜雜質(zhì)的能級隨著能帶隙以與合金成分、摻雜濃度和超晶格尺寸相一致的方式改變。如圖11所示，在區(qū)域1和區(qū)域2中不同的摻雜濃度能夠?qū)е履軒啤?br> 在本發(fā)明的一個方面中，擁有高激活能的摻雜物不會為特殊的溫度和合金成分提供載流子。例如圖12中的能級圖顯示的合金1并沒有相關的電離的摻雜雜質(zhì)。當這種摻雜物用在含有合金1和合金2的超晶格結(jié)構中時，其中合金2的能帶隙要大于合金1的能帶隙，材料的傳導率更高。摻雜物可以被引入兩個區(qū)域中或者只被引入?yún)^(qū)域2中。如圖13的能級圖所示，這個更高的傳導率源于區(qū)域2中的摻雜物的區(qū)域1中的載流子。由于區(qū)域1的溫度和成分，區(qū)域1中的任何摻雜物通常并不起作用。
鎂(Mg)通常用作氮化鎵(GaN)和含少量鋁(Al)的氮化鋁鎵(GaAlN)的p-型傳導，但是用鎂(Mg)在氮化鎵(GaN)中很難獲得超過1×1018cm-3的載流子濃度。由于上面描述的原因，鎂(Mg)成為優(yōu)選有效的摻雜物種類。對于氮化鎵(GaN)和氮化鋁鎵(GaAlN)超晶格結(jié)構可供選擇的摻雜物種類包括鈣(Ca)、鈉(Na)、鉀(K)、鋅(Zn)、鋰(Li)、鎘(Cd)、銣(Rb)、鍶(Sr)、鈧(Sc)和鈹(Be)。
區(qū)域1和區(qū)域2的寬度、區(qū)域2的合金成分(區(qū)域1的成分通過相關的器件結(jié)構特定用途確定)以及區(qū)域1和區(qū)域2中的摻雜濃度可以調(diào)節(jié)以獲得預定的或其它需要的傳導能級。
當鎂(Mg)用作氮化鎵(GaN)或氮化鋁鎵(GaAlN)的摻雜雜質(zhì)，鎂(Mg)摻雜的氮化鎵(GaN)和鎂(Mg)摻雜的氮化鋁鎵(GaAlN)需要高的退火溫度去激活材料，因為材料中的任何氫(H)會與鎂(Mg)雜質(zhì)和鎂(Mg)化合物結(jié)合，這導致了電非激活。為防止分解，退火通常在氨或氮的氣氛中進行，從而將氫(H)從其束縛態(tài)釋放然后使它擴散出材料。壓電性的氮化鎵(GaN)/氮化鋁鎵(GaAlN)顯示出內(nèi)電場，該內(nèi)電場用于降低排出氫(H)所需要的能量。壓電性的氮化鎵(GaN)/氮化鋁鎵(GaAlN)的這個特性允許以較低的能量/溫度條件來實施退火，結(jié)果節(jié)省了費用。在無氮化鎵(GaN)或氮化鋁鎵(GaAlN)分解風險的條件下，在無氮(N)氣氛下退火溫度可以充分的低去實施退火。
根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，四元合金逐漸為III-V族氮化物系統(tǒng)產(chǎn)生超晶格結(jié)構。第三雜質(zhì)的添加可以用作改變外延生長層固有的應力和缺陷密度。
盡管前面的討論集中于超晶格結(jié)構的摻雜物激活和激活能/載流子濃度特性的變化，但是應當注意到作為超晶格摻雜的結(jié)果也可能會出現(xiàn)其它晶體性質(zhì)的改進。例如，如果超晶格外延層中摻雜物激活能有效地改變，僅需要很少的參雜雜質(zhì)并且能獲得相對于對應的更高摻雜層在缺陷密度和/或熱傳導率方面的改善。結(jié)果，取得了晶體質(zhì)量和熱傳導率的改進，同時也改進了超晶格材料的光學、化學和結(jié)構性質(zhì)的改進。
根據(jù)本發(fā)明的超晶格結(jié)構可以通過任何適當?shù)陌雽w制造技術生長和生產(chǎn)，這些技術包括但并不局限于MOVPE、MBE、HVPE、濺射沉積(和選擇性的退火)、注入(和選擇性的退火)和生長期間通過MOVPE、MBE或HVPE注入。MOVPE和MBE是最優(yōu)先選用的技術。對于本發(fā)明該方面的給定的應用，在本技術領域內(nèi)很容易確定這樣的生長和生產(chǎn)過程的工藝條件。
根據(jù)本發(fā)明的改良的摻雜超晶格結(jié)構的電導率使得能夠改進歐姆電接觸(具有較低的特定接觸電阻率)。伴隨著摻雜超晶格結(jié)構出現(xiàn)的較高的載流子濃度會降低金屬-半導體阻擋層的寬度。用于形成與氮化鎵(GaN)和氮化鋁鎵(GaAlN)接觸的典型金屬包括鈀(Pd)、鎳(Ni)、金(Au)、錸(Re)、鉑(Pt)/金(Au)、鈀(Pd)/金(Au)和鈦(Ti)/鉑(Pt)/金(Au)。
根據(jù)本發(fā)明由超晶格摻雜形成的改良的p-型材料在本發(fā)明的一個實施例中被有效地使用去推動日光遮蔽探測器的氮化物光電陰極的生產(chǎn)，也特別適用于在需要實質(zhì)的電荷置換能力(和由此的高材料傳導率)或只探測波長非常短的光量子的時候的高速應用。
現(xiàn)有技術發(fā)現(xiàn)很難使高鋁(Al)含量的氮化鋁鎵(GaAlN)p-型傳導。本發(fā)明的p-型摻雜氮化鋁鎵(GaAlN)材料克服了這個缺陷。
圖14顯示了高鋁(Al)含量光電陰極的示意性的結(jié)構。區(qū)域3的鋁含量的選擇使得E3能帶隙吸收需要波長的光量子并且允許波長較長的光量子通過。選擇區(qū)域3的寬度以便所需波長的大多數(shù)光量子被吸收，但是它又不是太大以便產(chǎn)生的電子有可能在遭遇表面并散射到真空中之前被重新吸收?；谠谳p度摻雜的p-型氮化鎵(GaN)中電子擴散長度為0.2微米并且在氮化鋁鎵(GaAlN)中獲得了相似的擴散長度，區(qū)域3的厚度會是幾個十分之一微米，這部分地取決于材料的質(zhì)量，材料質(zhì)量不好的更適宜薄一些。
Al含量和區(qū)域1和區(qū)域2的寬度優(yōu)選地要使得光量子能夠通過而不發(fā)生障礙，并且在區(qū)域3和靠近區(qū)域3處提供合適的傳導性圖14顯示的結(jié)構還有其他的益處。區(qū)域3到區(qū)域1過渡的區(qū)域能帶隙增加。因此，有一個勢壘在這里載流子會被反射。這個反射勢壘增加了區(qū)域3產(chǎn)生的載流子會被散射的可能性(例如，光電陰極擁有更高的效率)。
本發(fā)明的摻雜超晶格材料在很寬種類范圍的電子和光電子器件中都有益且有用，這些器件包括單極和雙極器件以及雙終端和三或多終端器件。
圖15-19顯示了根據(jù)本發(fā)明一個實施例的外延薄膜沉積和δ摻雜工藝的工藝流程。
圖15顯示了在一個外延膜的生長過程中，外延膜22由前體蒸汽21沉積在基底20上。為方便引用，在圖16-19中用對應的附圖標記表示產(chǎn)品的相同的特征。
圖16顯示了通過終止初始蒸氣21(見圖15)的流出預暫停的外延生長。結(jié)果，外延膜22在沉積過程中被中斷。
圖17顯示了下一步驟的從摻雜源材料23用摻雜物接觸外延膜從而在外延膜22上形成接近單原子厚度的δ摻雜層24。摻雜源材料可以含有例如在惰性載體氣體中高度稀釋的摻雜蒸氣以用于在外延膜22的表面形成摻雜原子近單層的沉積。這是工藝的暫停步驟。
在工藝的暫停步驟中在外延膜22上形成δ摻雜層24之后，摻雜沉積終止。緊接著進行另一個靜止的暫停后步驟，在這期間沒有沉積和薄膜形成。
下一步，外延膜形成過程恢復，在δ摻雜層24上沉積了另一外延膜26。以這種方式，摻雜物內(nèi)化或者插入由下層22和上層26組成的外延膜中。
圖20、22和24分別顯示了δ摻雜高頻場效應晶體管(圖20)、器件相應的電流/電壓曲線(圖22)和相應的電容/電壓曲線(圖24)，與此對比，圖21、23和25分別顯示了體摻雜高頻場效應晶體管(圖21)、器件相應的電流/電壓曲線(圖23)和相應的電容/電壓曲線(圖25)。
圖20顯示了δ摻雜高頻場效應晶體管30，該晶體管30包含插入了δ摻雜層34的外延半導體材料32。器件結(jié)構突出了源極和漏極歐姆接觸36和40以及柵極肖特基接觸38。
圖22顯示了圖20的器件結(jié)構的電流/電壓曲線和圖24顯示了圖20的器件結(jié)構的電容/電壓曲線。
圖21顯示了相應的體摻雜高頻場效應晶體管42，該晶體管42含有外延半導體材料44，在該材料的區(qū)域46用與圖20的FET器件結(jié)構相同的摻雜種類進行體摻雜。該FET器件結(jié)構包括源極和漏極歐姆接觸48和52以及柵極肖特基接觸50。
圖23顯示了圖21器件結(jié)構的電流/電壓曲線和圖25顯示了圖21器件結(jié)構的電容/電壓曲線。
圖22和圖23的對照以及圖24和圖25的對照顯示了圖20的δ摻雜FET器件結(jié)構的工作特性要顯著的優(yōu)于圖21的體摻雜FET器件結(jié)構的工作特性。
圖26是δ摻雜接觸和隔離結(jié)構60的示意性說明，與此對比，圖27是體摻雜接觸和隔離結(jié)構72的示意性說明，顯示了在這兩種器件結(jié)構中的注入損傷。
圖26顯示的δ摻雜接觸和隔離結(jié)構60突出了器件活性層62，在其上δ摻雜層64(合適的n-型或p-型摻雜物)插入外延半導體材料中。該結(jié)構還突出了接觸68和70。通過交叉影線顯示了注入損傷。
圖27顯示的體摻雜接觸和隔離結(jié)構72包括器件激活層74，在其上部為半導體材料的體摻雜區(qū)域76。接觸和隔離結(jié)構72突出了接觸80和82。向下延伸入器件的激活層74的半導體材料的交叉影線部分78證明了比圖26的δ摻雜結(jié)構更大程度的注入損傷。圖27器件結(jié)構的摻雜種類與圖26器件結(jié)構的相同，兩種結(jié)構具有可比的電阻特性。再次強調(diào)的是本發(fā)明的δ摻雜結(jié)構證明了相當小程度的注入損傷，這與圖26顯示的接觸和隔離結(jié)構比圖27的體摻雜結(jié)構具有更優(yōu)良的操作性能是一致的。
圖28為根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的δ摻雜NPN晶體管84的示意性說明。晶體管84包括一個N集電極部分86和一個N發(fā)射極部分88，它們之間是器件的δ摻雜P基極層90。
圖29為根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例的δ摻雜異質(zhì)結(jié)雙極晶體管(HBT)92的示意性說明。HBT92包括一個N集電極部分94、相關的接觸102和104、δ摻雜P基極層96和一個上面形成有接觸106的上部N發(fā)射極(發(fā)射極能帶隙要大于基極能帶隙)部分98。
圖30為根據(jù)本發(fā)明的再一個實施例的發(fā)射極結(jié)構108的示意性說明。發(fā)射極結(jié)構108包括了激活區(qū)110、下n區(qū)和含有δ摻雜p-型摻雜層112和114的上部區(qū)域。如圖顯示，在器件運作中，在器件結(jié)構的激活區(qū)產(chǎn)生光量子。
圖31為根據(jù)本發(fā)明的δ摻雜的隧道摻雜HEMT器件的摻雜相對于深度的曲線圖以及相應的隧道能級圖，與此相對，圖32為體摻雜的隧道摻雜HEMT器件的摻雜相對于深度的曲線圖以及相應的隧道能級圖。顯示于隧道能級圖的距離d要小于δ摻雜的HEMT器件運作中的載流子的隧道距離。通過比較圖31和圖32很容易可以證明，體摻雜HEMT運作中的載荷子的能量明顯不能令人滿意。
通過前面的敘述很明顯可以看出，δ摻雜的微電子器件的結(jié)構性能和運作功能得到了實質(zhì)的改善，并且在氮化(鋁，銦，鎵)((Al，In，Ga)N)材料領域以及包含該類材料的微電子/光電子器件領域達到了領先水平。
應當意識到，與前面的導言相一致的是，盡管在各個實施例中特別參照氮化鎵(GaN)和氮化鋁鎵(GaAlN)對本發(fā)明進行了描述，但是所有的III-V族氮化物材料(鋁，銦，鎵)((Al，In，Ga)N)都被認為落入此處描述的本發(fā)明的寬的范圍之內(nèi)。
通過下面本發(fā)明的說明性的和非限制性的實例，本發(fā)明的特性和優(yōu)點能夠得到更充分的顯示。
實例1δ摻雜的HEMT器件結(jié)構在氫氣(H2)環(huán)境中100mbar壓力下將藍寶石基底加熱至1170℃十分鐘。對δ摻雜結(jié)構生長的剩余物保持壓力不變，將反應器冷卻至500℃，然后以傳統(tǒng)的方式沉積低溫氮化鋁(AlN)晶核緩沖層。在緩沖層沉積在藍寶石基底上之后，在2.5slm氨氣(NH3)和20slm氫氣(H2)下加熱反應器至1220℃的基座溫度，并且保持該溫度2分鐘。
三甲基鎵(TMG)以充足的流量引入反應器以提供大約2.0μm/hr生長速度90分鐘，由此沉積3微米厚的氮化鎵(GaN)層。三甲基鋁(TMA)被引入5.5秒以生長30埃()厚的氮化鋁鎵(Al0.25Ga0.75N)分隔層。
下一步，通過關掉進入反應器的TMG和TMA而開始暫停前步驟，把界面置于1220℃的基座溫度下氨氣(NH3)和氫氣(H2)環(huán)境中。暫停前步驟持續(xù)10秒。在暫停前步驟之后，開始暫停步驟，以能實現(xiàn)硅(Si)的δ摻雜的流量將55ppm乙硅烷(乙硅烷(Si2H6)稀釋在氫氣(H2)中)引入反應器75秒。
在暫停步驟之后，暫停后步驟開始，關閉進入反應器的乙硅烷同時以前述的工藝條件(用于氮化鋁鎵(GaAlN)暫停前生長)打開進入反應器的三甲基鎵(TMG)和三甲基鋁(TMA)31.2秒，另外生長170埃()的氮化鋁鎵(Al0.25Ga0.75N)。在該結(jié)構中氮化鎵(GaN)和氮化鋁鎵(GaAlN)層的V/III比率大約為2500。關掉進入反應器的三甲基鎵(TMG)和三甲基鋁(TMA)停止材料生長。生長的材料在氮氣(NH3)和氫氣(H2)過壓的情況下被冷卻至低于500℃并且反應器壓力上升至900mbar，以得到δ摻雜的HEMT器件結(jié)構。
實例2δ摻雜的超晶格結(jié)構在氫氣(H2)環(huán)境中100mbar的壓力下將藍寶石基底加熱至1170℃十分鐘。對δ摻雜結(jié)構生長的剩余物保持壓力不變，將反應器冷卻至500℃，然后以傳統(tǒng)的方式沉積低溫氮化鋁(AlN)晶核緩沖層。在緩沖層沉積在藍寶石基底上之后，在2.5slm氨氣(NH3)和20slm氫氣(H2)下加熱基底至1220℃的基座溫度，并且保持該溫度2分鐘。
三甲基鎵(TMG)以合適的流量引入反應器以提供大約2.0μm/hr的生長速度90分鐘，由此沉積3微米厚的氮化鎵(GaN)層。三甲基鋁(TMA)以合適的流量被引入以生長氮化鋁鎵(Al0.2Ga0.8N)層。
下一步，通過關掉進入反應器的TMG和TMA而開始暫停前步驟，把界面置于1220℃的基座溫度下氨氣(NH3)和氫氣(H2)環(huán)境中。暫停前步驟持續(xù)10秒。在暫停前步驟之后，開始暫停步驟，以能實現(xiàn)鎂(Mg)δ摻入先前沉積的膜材料的適當?shù)牧髁繉⒍拳h(huán)戊二炔鎂((Cp2Mg)引入反應器75秒。
在暫停步驟之后，暫停后步驟開始，關閉進入反應器的Cp2Mg同時以暫停前生長氮化鋁鎵(GaAlN)材料同樣的條件打開進入反應器的三甲基鎵(TMG)和三甲基鋁(TMA)。以此方式沉積另外厚度的氮化鋁鎵(Al0.2Ga0.8N)。然后關掉TMA并再次生長GaN層。
引入三甲基鋁(TMA)生長適當厚度的氮化鋁鎵(Ga0.2Al0.8N)層。在該結(jié)構中氮化鎵(GaN)和氮化鋁鎵(GaAlN)層的V/III比率大約為2500。關掉進入反應器的三甲基鎵(TMG)和三甲基鋁(TMA)停止材料生長。所述生長在氮氣(NH3)和氫氣(H2)過壓的情況下被冷卻至低于500℃并且反應器壓力上升至900mbar，以完成δ摻雜的超晶格結(jié)構。
實例3光電陰極結(jié)構在氫氣(H2)環(huán)境中和100mbar的壓力下將藍寶石基底加熱至1170℃十分鐘。對δ摻雜結(jié)構生長的剩余物保持壓力不變，將反應器冷卻至500℃，然后以傳統(tǒng)的方式沉積低溫氮化鋁(AlN)晶核緩沖層。在AlN緩沖層沉積在藍寶石基底上之后，在2.5slm流速的氨氣(NH3)和20slm流速的氫氣(H2)下加熱基底至1220℃的基座溫度，并且保持該溫度2分鐘。把三甲基鎵(TMG)和三甲基鋁(TMA)引入反應器以生長氮化鋁鎵(Al0.3Ga0.7N)層。下一步，通過關掉進入反應器的TMG和TMA而開始暫停前步驟，把界面置于1220℃的基座溫度下氨氣(NH3)和氫氣(H2)環(huán)境中。暫停前步驟持續(xù)10秒。在暫停前步驟之后，開始暫停步驟，將二度環(huán)戊二炔鎂((Cp2Mg)引入反應器75秒以進行δ摻雜。在暫停步驟之后，暫停后步驟開始，關閉進入反應器的Cp2Mg同時以δ摻雜步驟之前沉積氮化鋁鎵(GaAlN)膜同樣的工藝條件打開進入反應器的三甲基鎵(TMG)和三甲基鋁(TMA)，以生長另外厚度的氮化鋁鎵(Al0.3Ga0.7N)。然后改變TMA的流量以變化AlGaN膜的化學配比從而生成Al0.15Ga0.85N層。然后增加三甲基鋁(TMA)的流量以生長Al0.3Ga0.7N層。最后將體摻雜了Mg的GaN層置于該結(jié)構頂部。在該結(jié)構中氮化鎵(GaN)和氮化鋁鎵(GaAlN)層的V/III比率大約為2500。關掉進入反應器的三甲基鎵(TMG)和三甲基鋁(TMA)停止材料生長。所述生長在氮氣(NH3)和氫氣(H2)過壓的情況下被冷卻至低于500℃并且反應器壓力上升至900mbar，以完成光電陰極結(jié)構。
盡管在這里通過示意性的實施例和及其特性以不同方式地公開了本發(fā)明，但是應當意識到上文描述的實施例和特性并不是用來限制本發(fā)明，本領域的普通技術人員可以進行其它的變化、修改和實施其它的實施例。因此與所附的權利要求書相一致，本發(fā)明的保護范圍要進行更寬的解釋。
權利要求
1.一種包含δ摻雜層的III-V族氮化物微電子器件結(jié)構。
2.如權利要求1所述的微電子器件結(jié)構，其中所述δ摻雜層所述器件結(jié)構中未摻雜的III-V族氮化物中間層。
3.如權利要求2所述的微電子器件結(jié)構，其中所述的III-V族氮化物層包含AlGaN。
4.如權利要求2所述的微電子器件結(jié)構，其中所述的III-V族氮化物層包含GaN。
5.如權利要求1所述的微電子器件，其中所述的δ摻雜層包含選擇于Si、Ge、Mg、C、O、Ca、Zn、Li、Mn、Na、K、Cd、Rb、Sr、Sc和Be中的至少一種摻雜劑。
6.如權利要求1所述的微電子器件結(jié)構，包含了選擇于如下組中的器件結(jié)構UV LEDs，AlGaN/GaN高電子遷移率晶體管(HEMTs)，接觸結(jié)構、隔離結(jié)構、AlGaNFETs、光電子晶體管探測器、隧道摻雜結(jié)構、摻雜基異質(zhì)結(jié)雙極晶體管(HBTs)和濾光器。
7.如權利要求1所述的微電子器件結(jié)構，包含了一種AlGaN/GaN高電子遷移率晶體管(HEMT)。
8.如權利要求7所述的微電子器件結(jié)構，其中所述的AlGaN/GaN高電子遷移率晶體管(HEMT)包括位于所述器件阻擋層中的δ摻雜層，與相應的沒有δ摻雜層的器件結(jié)構相比較，所述δ摻雜層可用于提高所述器件結(jié)構中的表面電荷。
9.如權利要求8所述的微電子器件結(jié)構，其中所述δ摻雜層位于所述阻擋層中相關于所述器件結(jié)構中的溝道層的位置，以使得在操作所述器件結(jié)構時，所述δ摻雜層和所述溝道層之間間隔開小于載荷子的隧道距離的距離。
10.如權利要求9所述的微電子器件，其中，所述δ摻雜層中的摻雜劑是硅。
11.一種包含摻雜III-V族氮化物超晶格的III-V族氮化物微電子器件結(jié)構。
12.如權利要求11所述的微電子器件結(jié)構，其中所述的超晶格包含GaN或AlGaN超晶格。
13.如權利要求11所述的微電子器件結(jié)構，其中所述的超晶格被Si、Ge、Mg、C、O、Ca、Zn、Li、Mn、Na、K、Cd、Rb、Sr、Sc和Be中的至少一種摻雜劑摻雜。
14.如權利要求11所述的微電子器件，其中所述的超晶格包含第一合金和第二合金，所述第二合金的帶隙比所述第一合金的帶隙要大，相對于相應的含有未摻雜超晶格的微電子器件結(jié)構，電導率提高。
15.一種形成摻雜型III-V族氮化物半導體微電子器件結(jié)構的方法，該方法包括如下步驟通過第一外延膜生長過程在基片上沉積半導體材料；終止在所述基片上沉積半導體材料以給出外延膜表面；在所述外延膜表面上對半導體材料進行δ摻雜，以在其上形成δ摻雜層；終止δ摻雜；在第二外延膜生長過程中，重新開始半導體材料的沉積以在所述δ摻雜層上沉積半導體材料；和；繼續(xù)所述半導體材料的第二外延膜生長過程到預先確定的程度，以形成摻雜的微電子器件結(jié)構，其中所述δ摻雜層內(nèi)化在所述第一、第二外延膜生長過程中沉積的半導體材料中。
16.如權利要求15所述的方法，其中所述的δ摻雜包含了從以下方法中選擇的工藝MOCVD、MBE、HVPE、PECVD和離子注入。
17.如權利要求15所述的方法，其中所述的半導體材料包括GaN或AlGaN。
18.如權利要求15所述的方法，其中所述的半導體材料包括GaN。
19.如權利要求15所述的方法，其中所述的半導體材料包括AlGaN。
20.如權利要求15所述的方法，其中所述δ摻雜摻入III族位置處的摻雜劑原子。
21.如權利要求15所述的方法，其中所述δ摻雜摻入V族位置處的摻雜劑原子。
22.如權利要求15所述的方法，其中所述δ摻雜摻入III-V族氮化物半導體間隙位置的摻雜劑原子。
23.如權利要求15所述的方法，其中所述δ摻雜在表面活性劑存在的工藝條件下進行。
24.如權利要求15所述的方法，其中所述第一和第二外延生長過程和所述δ摻雜層形成包括在如下的工藝條件下生長GaN或AlGaN溫度范圍大約400℃～大約1200℃、壓力范圍大約1torr～大約1000torr、V/III比率范圍在大約1～大約100,000。
25.如權利要求24所述的方法，其中所述第一和第二外延生長過程和所述δ摻雜層形成在含有氮、氫或氨的環(huán)境下進行。
26.如權利要求1所述的微電子器件結(jié)構，更進一步包含由選自于藍寶石、SiC和GaN的材料構成的基片。
27.一種HEMT器件，其包括藍寶石基底、位于所述基底上的AlN緩沖層、位于所述AlN緩沖層上的GaN層和位于所述GaN層上的AlGaN層，其中所述AlGaN層中具有δ摻雜層。
28.如權利要求27所述HEMT器件，其中所述δ摻雜層包含選擇于Si、Ge、Mg、C、O、Ca、Zn、Li、Mn、Na、K、Cd、Rb、Sr、Sc和Be中的摻雜劑。
29.如權利要求27所述的HEMT器件，其中所述δ摻雜層包含Si摻雜劑。
30.一種III-V族氮化物HEMT器件，其包括在所述器件阻擋層中的δ摻雜層。
31.如權利要求30所述的HEMT器件，其中所述δ摻雜層靠近所述器件的溝道層，其所處的位置使得所述δ摻雜層和所述溝道層之間的間距小于器件運轉(zhuǎn)時載荷子的隧道距離。
32.一種III-V族氮化物光電子器件，其選自于III-V族氮化物發(fā)射器、III-V族氮化物探測器和III-V族氮化物過濾器，并且包含能有效地改進所述器件的光學性能的δ摻雜層。
33.一種III-V族氮化物光電子器件，其包含III-V族氮化物半導體和δ摻雜層，相對于相應的缺少這樣的δ摻雜層的III-V族氮化物光電子器件，所述δ摻雜層可以有效地在能量低于所述III-V族氮化物半導體帶隙的能級處降低所述器件的光敏度。
34.一種III-V族氮化物半導體器件，其包括選自于接觸層、隔離層和互連層中的器件層，并且其中所述的層中至少一個層是δ摻雜的。
35.如權利要求34所述的III-V族氮化物半導體器件，其中所述器件包含HEMT器件中，并且所述器件包括δ摻雜接觸層。
36.一種包括了摻雜的III-V族氮化物超晶格的III-V族氮化物微電子器件結(jié)構，其中所述超晶格包含三種或更多種合金。
37.一種包括了摻雜的III-V族氮化物超晶格的III-V族氮化物微電子器件結(jié)構，其中所述超晶格包括限定了第一合金區(qū)域和第二合金區(qū)域的兩種合金，并且所述超晶格在所述的第一和第二區(qū)域中的至少一個區(qū)域中為δ摻雜的。
38.如權利要求37所述的III-V族氮化物微電子器件結(jié)構，其中所述第一和第二區(qū)域的一個是摻雜的。
39.如權利要求37所述的III-V族氮化物微電子器件結(jié)構，其中所述第一和第二區(qū)域都是摻雜的。
40.一種包括四元合金超晶格的III-V族氮化物微電子器件結(jié)構。
41.一種包括p-型摻雜超晶格的III-V族氮化物的光電陰極。
42.一種由權利要求15的方法形成的摻雜的III-V族氮化物半導體微電子器件結(jié)構。
43.一種包括δ摻雜層和/或摻雜的超晶格的III-V族氮化物微電子器件結(jié)構。
44.如權利要求15所述的方法，其中所述δ摻雜包含了選自于MOCVD、MBE、HVPE和PECVD和離子注入中的工藝。45.一種δ摻雜結(jié)構，其具有相對于體摻雜機構實質(zhì)增強的遷移率。
46.一種包含兩層或多層δ摻雜層的III-V族氮化物微電子器件結(jié)構
47.如權利要求46所述的III-V族氮化物微電子器件結(jié)構，其包含了多層δ摻雜層用于以預定方式所述控制器件結(jié)構的傳導率。
全文摘要
一種包括δ摻雜層(24)和/或摻雜超晶格的III－V族氮化物微電子器件結(jié)構。描述了一種δ摻雜方法，其包括步驟通過第一外延膜生長過程在基片上沉積半導體材料；終止在基片上沉積半導體材料以給出外延膜表面；在外延膜表面上對半導體材料進行δ摻雜，以在其上形成δ摻雜層；終止δ摻雜；在第二外延膜生長過程中，重新開始半導體材料的沉積以在δ摻雜層上沉積半導體材料；和繼續(xù)半導體材料的第二外延膜生長過程到預先確定的程度，以形成摻雜的微電子器件結(jié)構，其中δ摻雜層(24)內(nèi)化在第一、第二外延膜生長過程中沉積的半導體材料中。
文檔編號H01S5/323GK1643696SQ03807131
公開日2005年7月20日 申請日期2003年3月19日 優(yōu)先權日2002年3月25日
發(fā)明者杰斯里斯·S·弗林, 喬治·R·布蘭德斯 申請人:克利公司