本發(fā)明涉及半導(dǎo)體材料技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種p型指數(shù)摻雜結(jié)構(gòu)GaN光電陰極材料的生長方法。

背景技術(shù)：

氮化鎵(GaN)材料是一種具有寬禁帶、低介電常數(shù)、耐腐蝕、耐高溫、抗輻射等優(yōu)良特性的半導(dǎo)體材料。GaN基光電陰極具有量子效率高、暗電流小、發(fā)射電子能量分布集中等優(yōu)點(diǎn)，是滿足微弱紫外探測要求的非常理想的新型紫外光電陰極，在紫外真空探測、高能物理、微電子技術(shù)、電子束平面印刷以及電子顯微鏡等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。

之前的研究發(fā)現(xiàn)，通過p型摻雜濃度變化的方式可以有效地提高光電陰極的性能。變摻雜主要包括梯度摻雜和指數(shù)摻雜，其中指數(shù)摻雜被證明是更有效的方式。GaN光電陰極的厚度一般不超過500nm，但是傳統(tǒng)的MOCVD等方法難以在納米級別的厚度上控制p型的摻雜濃度，因此最多只能實(shí)現(xiàn)梯度摻雜，很難達(dá)到指數(shù)摻雜的要求，也限制了GaN光電陰極性能的提高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

基于背景技術(shù)存在的技術(shù)問題，本發(fā)明提出了一種p型指數(shù)摻雜結(jié)構(gòu)GaN光電陰極材料的生長方法，且生長出的GaN光電陰極材料具有連續(xù)的內(nèi)建電場，且制備思路清晰、方法簡單，生長出的GaN光電陰極性能顯著提高。

一種p型指數(shù)摻雜結(jié)構(gòu)GaN光電陰極材料的生長方法，包括以下步驟：

A、將清洗后雙面拋光的c軸向藍(lán)寶石襯底置于原子層沉積系統(tǒng)生長室內(nèi)；

B、向所述原子層沉積系統(tǒng)生長室內(nèi)通入鎵源氣體和載體氣體，所述的鎵源氣體作為第一反應(yīng)前驅(qū)體在藍(lán)寶石襯底上進(jìn)行化學(xué)吸附，所述鎵源氣體中的鎵原子吸附在所述的藍(lán)寶石襯底上；

C、吸附在藍(lán)寶石襯底上的鎵原子與電離后的氮源前驅(qū)體發(fā)生反應(yīng)，直到所述藍(lán)寶石襯底表面的鎵原子完全反應(yīng)；

D、向原子層沉積系統(tǒng)中通入作為摻雜元素的前驅(qū)體鎂源氣體和載體氣體，類似鎵原子的吸附過程，鎂原子會吸附在材料的生長表面，形成p型摻雜；

E、按照一定的比例關(guān)系重復(fù)步驟B、C、D，并且在每個步驟后都通入清洗氣體，即可在所述藍(lán)寶石襯底上形成p型指數(shù)摻雜結(jié)構(gòu)的GaN薄膜。

優(yōu)選的，所述鎵源氣體是氯化鎵(GaCl)或三甲基鎵(TMGa)；

優(yōu)選的，所述的清洗氣體和載體氣體是氬氣。

優(yōu)選的，所述的氮源前驅(qū)體是氨氣。

優(yōu)選的，所述的鎂源前驅(qū)體是二茂鎂(Cp₂Mg)。

本發(fā)明的有益之處在于：利用原子層沉積單層生長的特點(diǎn)，解決了傳統(tǒng)方法難以在納米級別上控制p型摻雜濃度的問題，實(shí)現(xiàn)了指數(shù)摻雜GaN光電陰極材料的生長，提高了GaN光電陰極的量子效率等性能，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)指數(shù)摻雜GaN光電陰極的效率比均勻摻雜的提高20％以上。

附圖說明：

圖1：p型指數(shù)摻雜結(jié)構(gòu)GaN光電陰極材料摻雜濃度隨循環(huán)周期的變化情況圖。

圖2：p型指數(shù)摻雜結(jié)構(gòu)GaN光電陰極材料的ALD生長流程圖。

圖3：摻雜周期示意圖。

具體實(shí)施方式：

實(shí)施例

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)地說明。

圖1是p型指數(shù)摻雜結(jié)構(gòu)GaN光電陰極材料摻雜濃度隨循環(huán)周期的變化情況。

圖2是p型指數(shù)摻雜結(jié)構(gòu)GaN光電陰極材料的ALD(原子層沉積)生長流程。

對藍(lán)寶石表面進(jìn)行清洗，干燥氮?dú)獯蹈桑瑢⑺{(lán)寶石襯底置于原子層沉積系統(tǒng)生長室中；

設(shè)置襯底生長溫度為550℃(以550℃為例，不限于此溫度)，存放氯化鎵的噴嘴式容器保持在70℃，氨氣被用來作為反應(yīng)氮源，氬氣作為載體和凈化氣體，開啟真空泵抽真空達(dá)到要求的工作環(huán)境，向生長室中通入氬氣清洗腔室。

如圖2中所示，ALD循環(huán)有兩種：a.鎵源循環(huán)，氯化鎵(7s,50sccm氬氣為載體氣體)，氬氣凈化氣體(30s,500sccm)，氨氣(10s,500sccm)，氬氣凈化氣體(30s,500sccm)；和b.鎂源循環(huán)，二茂鎂(10s,50sccm氬氣為載體氣體)，氬氣凈化氣體(30s,500sccm)，氨氣(10s,500sccm)，氬氣凈化氣體(30s,500sccm)。其中a循環(huán)為GaN生長過程，b循環(huán)為p型摻雜過程。

循環(huán)a和b的關(guān)系：

以每進(jìn)行一次b循環(huán)為一個摻雜周期，那么在第n個摻雜周期內(nèi)，定義循環(huán)a的次數(shù)為M_n，如圖3所示。當(dāng)M_n為一個常數(shù)時，即每進(jìn)行一次b循環(huán)對應(yīng)的a循環(huán)次數(shù)是固定的，此時進(jìn)行的就是p型摻雜濃度恒定的GaN材料生長過程。

而對于摻雜濃度隨厚度呈指數(shù)變化時，M_n的情況要復(fù)雜得多。首先確定當(dāng)n＝1，即第一個摻雜周期時至少對應(yīng)一個a循環(huán)，否則生長的材料就變成了MgN_x而非p型GaN，那么起始鎂的摻雜濃度的最大值為N_Ga/2，其中N_Ga為GaN中的鎵原子濃度。

在第n個摻雜周期內(nèi)，對應(yīng)的a循環(huán)次數(shù)為M_n，此時總循環(huán)次數(shù)為總的生長厚度為R為ALD的周期生長速率。此摻雜周期內(nèi)鎂的摻雜濃度為要使摻雜濃度隨厚度呈指數(shù)降低，則需滿足：

其中A為指數(shù)變化系數(shù)，M_n按四舍五入取整。

當(dāng)鎵源的循環(huán)次數(shù)M_n＝1時先進(jìn)行a循環(huán)再進(jìn)行b循環(huán)，即最開始由鎵源循環(huán)開始；當(dāng)M_n＞1時，盡量在M_n次a循環(huán)的中間位置進(jìn)行b循環(huán)，即進(jìn)行M_n/2個a循環(huán)后進(jìn)行一次b循環(huán)，隨后再進(jìn)行M_n/2個a循環(huán)，如圖3所示。

最后以GaCl₃(7s,50sccm氬氣為載體氣體)，氬氣凈化氣體(30s,500sccm)為結(jié)束。

以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實(shí)施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案及其發(fā)明構(gòu)思加以等同替換或改變，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。