文章編號1000-5269（2024）06-0014-05

DOI：10.15958/j.cnki.gdxbzrb.2024.06.03

摘要：近年來，對AlN材料的研究熱度居高不下，對AlN材料的制備日益成熟，但是對摻雜的研究大多數(shù)是理論方面，而有效地?fù)诫s是制備器件的前提之一。本文采用高溫?zé)釘U(kuò)散的方式對超寬禁帶材料AlN進(jìn)行N型摻雜實(shí)驗(yàn)研究。首先使用磁控濺射儀在AlN薄膜上濺射一層Si，然后進(jìn)行高溫?zé)釘U(kuò)散，熱擴(kuò)散后測試霍爾發(fā)現(xiàn)其電導(dǎo)率沒有明顯規(guī)律，分析原因可能是薄膜表面沉積的Si沒有完全進(jìn)入AlN中，表面殘余的Si影響了測試結(jié)果，進(jìn)一步使用ICP刻蝕設(shè)備刻蝕掉表面殘留的Si。SEM測試熱擴(kuò)散前后的薄膜截面厚度，發(fā)現(xiàn)熱擴(kuò)散后的厚度小于熱擴(kuò)散前。EDS線掃模式測試其截面發(fā)現(xiàn)Si含量從薄膜頂部到底部呈遞減趨勢，符合擴(kuò)散規(guī)律。XRD測試后發(fā)現(xiàn)摻雜后除了襯底峰其余的峰都向大角度偏移，且霍爾測試發(fā)現(xiàn)高溫?zé)釘U(kuò)散后的樣品電導(dǎo)率從10-8 Ω-1·cm-1到10-5 Ω-1·cm-1，這些都說明了AlN材料形成有效的N型摻雜。

關(guān)鍵詞：AlN；N型摻雜；ICP刻蝕；磁控濺射；高溫?zé)釘U(kuò)散；電導(dǎo)率

中圖分類號：O474

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

氮化鋁（aluminum nitride， AlN）為Ⅲ-Ⅴ族寬禁帶半導(dǎo)體中帶隙最大的材料。1960年，TAYLAR等［1］第一次在1 800～2 000 ℃的氮?dú)鈿夥罩姓舭l(fā)鋁，制備出直徑0.5 mm、長度30 mm的AlN單晶薄片。隨后許多研究人員使用物理氣相傳輸（physical vapor transport， PVT）［2］、氫化物氣相外延［3-4］、化學(xué)氣相外延等［5］方法制備AlN單晶薄膜。目前，AlN基的光電器件、高溫高功率器件的研究也逐漸展開，但AlN一般都是作為襯底或者外延層在器件中應(yīng)用，或者是在壓電器件中應(yīng)用較多，而制備上述器件的前提就是實(shí)現(xiàn)有效的P型和N型摻雜，本文將用理論與試驗(yàn)相結(jié)合的方式來對AlN的N型摻雜進(jìn)行研究。

對于制備N型AlN有許多雜質(zhì)源，2002年，TANIYASU等［6］采用氣相外延法成功制備出導(dǎo)電性好的Si摻雜AlN薄膜。2012年，吳榮等［7］發(fā)明了一種Si摻雜AlN半導(dǎo)體薄膜的制備方法，使用Si靶和Al靶在氮?dú)夥諊码p靶磁控濺射，得到摻雜分布均勻、沉積速率高的N型AlN薄膜。2012年，王新建等［8］使用熱擴(kuò)散方式對AlN進(jìn)行Si熱擴(kuò)散摻雜，將SiNx作為擴(kuò)散源，經(jīng)過熱擴(kuò)散摻雜電導(dǎo)從19×10-3 S·m-1增加到2.1×10-3 S·m-1。2014年，WANG等［9］使用第一性原理的贗勢法，研究了一種有效的XN（SiAl—XN，X=F、Cl、Br和I）共摻雜氮化鋁的N型摻雜策略。結(jié)果表明，SiAl—XN配合物的供體電離能遠(yuǎn)低于相應(yīng)的分離SiAl雜質(zhì)。2016年，CONTRERAS等［10］通過分子束外延生長Si摻雜AlN，獲得導(dǎo)電性良好的N型導(dǎo)電材料，在室溫下測得自由載流子濃度約為1×1015 cm3。2021年，周露［11］利用MS軟件進(jìn)行O、Ce、Si替位AlN中的Al形成N型摻雜的第一性原理仿真。2021年，程建軍［12］使用氧來摻雜AlN來形成N型摻雜實(shí)驗(yàn)研究。綜上所述，發(fā)現(xiàn)摻雜原子與AlN中被替換原子的尺寸相差越大，對晶格的擾動越大，越不利于摻雜濃度的提高。因此，Si是最適合形成N型AlN的雜質(zhì)源。

雖然目前對于AlN的N型摻雜試驗(yàn)研究已經(jīng)有很多種方法，但采用高溫?zé)釘U(kuò)散的方式來進(jìn)行研究的報(bào)道很少，本試驗(yàn)采取高溫?zé)釘U(kuò)散的方式進(jìn)行試驗(yàn)研究，并且在已有試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，本試驗(yàn)將雜質(zhì)源改為高純硅，這樣便于在摻雜后去除殘留層。

1試驗(yàn)

1.1試驗(yàn)方法

本文使用Si雜質(zhì)源對藍(lán)寶石襯底上的AlN薄膜進(jìn)行了摻雜研究，使用磁控濺射儀在薄膜上濺射了不同時(shí)間的Si原子。使用硅靶作為Si原子的來源。磁控濺射儀的基本參數(shù)設(shè)置為：本底真空為90×10-4 Pa，靶基距為6.0 cm，濺射功率為200 W，工作壓強(qiáng)為5.0 Pa，襯底溫度為125 ℃，通入30 sccm的氬氣。分別濺射5、20、40 min，并依次標(biāo)記為A1、A2、A3。磁控濺射完畢的樣品采用水平管式高溫?cái)U(kuò)散爐對樣品進(jìn)行高溫?cái)U(kuò)散，在1 150 ℃的溫度下，通入120 min的N2。高溫?cái)U(kuò)散后使用ICP刻蝕機(jī)對高溫?cái)U(kuò)散后殘留Si進(jìn)行物理轟擊。在300 Pa的氣體壓強(qiáng)下通入0.73 sccm的SF6氣體，設(shè)置激勵功率為100 W，偏置功率為50 W?？涛g時(shí)間是依據(jù)鄭志霞等［13］研究反應(yīng)離子刻蝕硅速率與激勵功率和偏置功率之間的關(guān)系和測得濺射硅的厚度計(jì)算刻蝕硅時(shí)間，濺射硅時(shí)間5、20、40 min分別對應(yīng)刻蝕時(shí)間為10、24、44 s。對AlN的刻蝕研究都是采用氯基氣體以及采用物理和化學(xué)刻蝕相結(jié)合的方式［14-15］。

1.2性能測試

采用日本Rigaku SmartLab XG型X射線衍射儀（X-ray diffraction， XRD）來分析薄膜的結(jié)晶性質(zhì)。采用VDP6800型霍爾測試儀測量出半導(dǎo)體材料的載流子遷移率、電阻率等電學(xué)信息。采用本原CSPM 5500型原子力顯微鏡測量樣品表明形貌。采用日立公司Hitachi SU8100型SEM對晶體進(jìn)行定性分析。采用日立公司U-4100型積分球式分光光度計(jì)測量薄膜的吸收光譜。

2結(jié)果與討論

2.1物相分析

將高溫?zé)釘U(kuò)散后的AlN薄膜樣品切割成0.2 cm×1 cm的小塊樣品測試其截面。

如圖1所示，（a）、（b）、（c）分別是樣品A3熱擴(kuò)散前、熱擴(kuò)散后和刻蝕完的薄膜截面的SEM測試圖，能夠看出濺射完成后在AlN薄膜上生長了一層硅，熱擴(kuò)散后硅的薄膜厚度明顯減小，說明熱擴(kuò)散后硅進(jìn)入到了AlN薄膜里面。測試霍爾后發(fā)現(xiàn)其電導(dǎo)率沒有明顯規(guī)律，分析原因可能是薄膜表面沉積的Si沒有完全進(jìn)入AlN中，表面殘余的Si影響了測試結(jié)果，使用刻蝕機(jī)將殘留硅刻蝕掉?？涛g完殘留硅后測試各樣品截面能夠明顯看出殘留硅幾乎都被刻蝕掉且后續(xù)的霍爾測試也說明了Si被刻蝕完了。

從表1中能看出不同濺射時(shí)間，硅薄膜厚度的減少量不同，經(jīng)過相同的時(shí)間，薄膜越厚，熱擴(kuò)散進(jìn)入到AlN里面的硅就越多。

為了探究硅進(jìn)入AlN薄膜后的分布，對刻蝕后A1、A2、A3樣品的截面和表面進(jìn)行EDS點(diǎn)掃測試，其截面和表面掃描位置圖如圖2所示。

表2給出掃描各區(qū)域的硅元素的質(zhì)量百分比和原子百分比。從表2中可以看出，在樣品A3的上、中、下三個區(qū)域都檢測出Si元素，且薄膜上方Si原子占比最多，原子百分比13.004%，薄膜中間也有不少Si原子，原子百分比6.168%，在薄膜下方就剩下很少的Si原子，只有1.004%，說明Si作為目標(biāo)摻雜元素經(jīng)過熱擴(kuò)散成功進(jìn)入到AlN薄膜里面。

綜上所述，經(jīng)過熱擴(kuò)散后，硅有效地進(jìn)入了AlN薄膜里面，并且硅在AlN薄膜里面均勻分布。濺射硅時(shí)間越長，堆積在AlN薄膜表面的硅就越厚，越多的硅進(jìn)入到AlN薄膜里面。

圖3是高溫?zé)釘U(kuò)散前后樣品的XRD圖譜，其中，黑色曲線是未經(jīng)過任何試驗(yàn)處理的原始樣品AlN測出的XRD曲線，從圖3（a）中能夠看出有三個衍射主峰，分別位于32.399°、36.021°、76.441°，在36.021°處存在AlN（002）峰， AlN（004）的峰強(qiáng)相對較弱，所以該AlN薄膜是（002）擇優(yōu)取向，這與陳紅舉的生長AlN薄膜測試結(jié)果相符［16］。由于選用的測試模式X射線能夠穿透薄膜所以會測出襯底峰Al2O3的峰。摻雜后除了襯底峰其余的峰都向大角度偏移說明AlN晶格發(fā)生收縮，樣品A3偏移最大，因?yàn)閾诫s濃度最高，這和一些研究者分析是一致的［17-19］。

圖3（b）是刻蝕完殘留硅后測試的XRD曲線，從圖中能夠明顯看出來，樣品A2、A3在刻蝕完殘留硅后襯底峰變得十分明顯，比起本征AlN測得襯底峰還要強(qiáng)烈，說明刻蝕過程損傷了AlN薄膜，這和田仁來等使用反應(yīng)離子刻蝕方法刻蝕了薄膜后襯底峰變得明顯的結(jié)果一致［20］?？涛g使用的氣體是SF6，查閱文獻(xiàn)SF6對AlN的刻蝕速率很慢但對硅的刻蝕很有效［21］，所以刻蝕的時(shí)間在經(jīng)過計(jì)算后都是在此基礎(chǔ)上延長了刻蝕時(shí)間，才會對薄膜造成了不同程度的影響。

根據(jù)謝樂公式[22]計(jì)算（002）峰的晶粒尺寸，并繪制出如圖4所示的AlN（002）取向的晶粒尺寸變化圖，明顯地看到晶粒尺寸變小，說明結(jié)晶質(zhì)量變差，摻雜硅對于薄膜的取向以及結(jié)晶質(zhì)量都有影響。從圖4中可以看出樣品A1的結(jié)晶質(zhì)量最好，結(jié)合上面的分析考慮是因?yàn)榭涛g對A2和A3樣品有比較大的影響。

2.2電性能的測試結(jié)果分析

表3是樣品高溫?zé)釘U(kuò)散后的電導(dǎo)率和刻蝕完成后的電導(dǎo)率以及載流子濃度。本征藍(lán)寶石襯底AlN測試的電導(dǎo)率為0.8×10-8 "Ω-1·cm-1，載流子濃度0.9×1014 cm-3，這和中南大學(xué)汪煉成測試的結(jié)果一致［23］。

由表3可知，樣品在高溫?zé)釘U(kuò)散后電導(dǎo)率增大了一個數(shù)量級，但是由于表面有殘留硅，所以電導(dǎo)率的測試會因?yàn)闅埩艄枋艿接绊?，所以需要將表面殘留硅去除后測試電導(dǎo)率以及載流子濃度?？涛g完測得的電導(dǎo)率比熱擴(kuò)散完的電導(dǎo)率增大了兩個數(shù)量級，說明刻蝕將大量的殘留硅都刻蝕掉。刻蝕后相比于原始AlN薄膜電導(dǎo)率增加了三個數(shù)量級。同時(shí)，隨著硅濺射時(shí)間增長，刻蝕掉殘余硅后測得的電導(dǎo)率和載流子濃度越大。這是因?yàn)闉R射硅時(shí)間越長，經(jīng)過高溫?zé)釘U(kuò)散后，相應(yīng)摻雜濃度最高的樣品，其有效替位摻雜越多，其電導(dǎo)率和載流子濃度測試結(jié)果也是最大的。

3結(jié)論

1）SEM測試結(jié)果表明高溫?zé)釘U(kuò)散后濺射Si的厚度變薄，且Si厚度越厚的樣品高溫?zé)釘U(kuò)散后減少的Si的厚度就越多，說明濺射Si時(shí)間越長進(jìn)入到薄膜里的硅就越多。

2）使用EDS測試其原子百分比和XRD測試，結(jié)果表明Si原子已經(jīng)進(jìn)入到薄膜中。

3）由于殘留Si會對薄膜的進(jìn)一步表征分析產(chǎn)生影響，所以采用ICP刻蝕技術(shù)將薄膜表面的硅通過刻蝕去除掉，但通過XRD的測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)刻蝕的方法容易將薄膜損傷。

4）刻蝕完的樣品測試其電導(dǎo)率能夠明顯的看出其電導(dǎo)率增大了三個數(shù)量級，并且濺射硅時(shí)間越長的樣品其電導(dǎo)率就越高，說明其摻雜濃度就越大。

綜上試驗(yàn)結(jié)果表明，Si摻雜能形成穩(wěn)定的N型AlN薄膜，這為制作AlN器件提供了借鑒。

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（責(zé)任編輯：于慧梅）

Abstract：

In recent years， the research fever of AlN materials remains high， and the preparation of AlN materials is becoming more and more mature， but most of the research on doping is theoretical， and effective doping is one of the prerequisites for the preparation of devices. Therefore， in this paper， high-temperature thermal diffusion was used to experimentally investigate the N-type doping of AlN， an ultra-broadband material. Firstly， a layer of Si was sputtered on the AlN film using a magnetron sputtering apparatus， and then high-temperature thermal diffusion was carried out. After thermal diffusion， the test of Hall found that there was no obvious pattern of conductivity， and the reason may be that the Si deposited on the surface of the film do not completely enter into the AlN， and as a result the residual Si on the surface influenced the results of the test. Therefore， the residual Si on the surface was further etched away using the ICP etching equipment. SEM test results of the cross-section thickness of the films before and after thermal diffusion reveal that the thickness after thermal diffusion is less than that before thermal diffusion. The EDS line-scan mode testing of its cross-section reveals a decreasing trend of Si content from the top to the bottom of the film， which is consistent with the diffusion law. XRD tests reveal that after doping all the peaks except the substrate peaks is shifted to a large angle. And Hall's test reveal that the conductivity of the samples after high temperature thermal diffusion range from 10-8 Ω-1·cm-1 to 10-5 Ω-1·cm-1， all of which indicate the formation of effective N-type doping of the AlN material.

Key words：

AlN; N-type doping; ICP etching; magnetron sputtering; high-temperature thermal diffusion; electrical conductivity

收稿日期：2024-01-25

基金項(xiàng)目：半導(dǎo)體功率器件可靠性教育部工程研究中心開放基金資助項(xiàng)目 （ERCME-KFJJ2019-01）

作者簡介：郭豐杰（1998—），男，在讀碩士，研究方向：電子科學(xué)與技術(shù)，E-mail：guofengjie000000@163.com.

*通訊作者：楊發(fā)順，E-mail：fashun@gzu.edu.cn.