CN103972332A - 一种p型氮化镓材料空穴激活的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种P型氮化镓材料空穴激活的方法。该方法包括按现有技术在衬底材料上制备GaN基器件结构，生长P型GaN层时，反应室气氛中使用N2和H2的混合气，压力提高至310~400toor；生长温度为800~1050摄氏度；生长P型GaN材料的同时完成对空穴的激活。本发明避免了GaN基器件结构外延生长之后还需要进行二次处理以激活空穴的问题，简化了工艺步骤，节约了生产成本。通过该方法激活的P型GaN空穴浓度可达1E18以上，完全满足商品化生产的要求。
Description
技术领域
本发明涉及一种P型氮化镓材料空穴激活的方法，属于光电子技术领域。
背景技术
近年来，半导体发光二极管受到人们的广泛关注，它具有体积小、效率高、寿命长等优点。宽禁带III-V半导体材料的迅猛发展使得高亮度发光二极管实现了从绿光到近紫外产品的商品化。目前，普通绿色至紫外范围的发光二极管广泛应用于交通信号灯、全色显示、液晶屏幕背光板、汽车仪表及内装灯等。近些年来，紫外发光二极管进入市场，主要用于生物粒子的探测（如吸收范围在260－340nm的细菌芽孢的探测）、空气和水的纯化、医疗和诊断等，与一般的发光二极管相比，紫外发光二极管对材料的质量要求更高。
GaN基器件在应用上需要解决两大难点。其一是异质衬底上获得高质量GaN基外延层的问题，目前对于该问题的研究比较深入，在蓝宝石衬底、碳化硅衬底甚至硅衬底上外延高质量GaN薄膜都有了突破性的进展，满足了商业化生产的需求。其二是很难获得高空穴浓度的P型GaN材料，由于高质量GaN生长时需要使用氢气（H2）作为载气，而H2会与掺入到GaN中的Mg原子形成络合物从而阻碍受主激活形成空穴。因此，在掺Mg的GaN中，即便掺入的Mg原子浓度很高，最终激活出来的空穴浓度却很低，这个问题一度制约着GaN基器件的发展。CN101335204A(200710123092.2)提供一种P型氮化镓的表面处理方法,该方法包括:将清洗干净的P型氮化镓样品放入反应离子刻蚀机反应室内;对反应室抽真空,至气压小于8.0×10-5托后,用氟等离子体对样品表面处理。该发明可解除P型氮化镓的MG-H键,除去氧化层,提高P型氮化镓表面空穴浓度,降低接触电阻的作用;同时,由于采用了干法处理,避免了湿法处理带来的弊端，改善P型氮化镓的电学性能。但该方法仅对表层的GaN其作用，只能降低接触电阻。
1989年，Akasaki使用低能电子辐照（LEEBI）的方法获得了高空穴浓度的P型GaN的激活，实现了GaN基PN结LED器件的制备。1992年，Nakamura通过对掺Mg的GaN进行氮气（N2）退火的方式实现了空穴激活，并实现了GaN基LED的商品化。
GaN基器件发展至今，P型GaN空穴浓度的激活还仍然需要进行二次处理以促进空穴浓度的提高。人们不断地对二次处理方法进行改进以降低工艺的复杂度并节约成本，如中国专利文献CN1554576A《激光诱导下的氮化镓P型有效掺杂制备方法》提供了一种激活P型GaN的方法，该方法需要在GaN表面沉淀金属锌薄膜，然后将Zn/GaN样品预热，用固体激光器辐照Zn/GaN的表面，将表面剩余的Zn腐蚀掉，经去离子水清洗并烘干，从而获得空穴激活的P型GaN材料。中国专利文献CN1241820A公开了一种使化合物半导体层激活成为P型半导体层的方法，该方法采用短波长光源照射高掺杂浓度的P型半导体的方式来获得空穴的激活。上述方法与低能电子辐照和退火有一定改进，但是仍然没有改变外延生长后需要经历一步二次处理的过程，处理过程也相对比较繁琐，不利于工艺的稳定、效率的提升以及成本的降低。
中国专利文献CN101868848A提供了一种外延后不需要二次处理的方法“P型氮化镓基半导体的制作方法、氮化物基半导体器件的制作方法及外延晶片的制作方法”，该方法通过在P型GaN生长氛围中包含单甲胺及单乙胺中的任意一种来实现空穴的激活。虽然该方法中省去了二次处理步骤，但是该方法需要在反应室中通入单甲胺和单乙胺，一般的商品化的MOCVD外延炉很难实现类似原料的通入，因此缺乏工业生产应用性；另外通入单甲胺和单乙胺这类原料对完整的GaN基器件的其它功能层的影响也是不可预知的，有可能导致器件其它性能的衰减。
发明内容
针对现有空穴激活方式的不足，本发明提出一种P型氮化镓材料空穴激活的方法，可获得高空穴浓度的氮化镓（GaN）材料。
本发明还提供一种用于制作高空穴P型氮化镓的GaN基器件的方法。
术语解释：
1、MOCVD:Metal Organic Chemical Vapour Deposition,金属有机物化学气相沉积。
2、CVD:Chemical Vapour Deposition，化学气相沉积。
本发明的技术方案如下：
一种P型氮化镓材料空穴激活的方法，包括按现有技术在衬底材料上制备GaN基器件结构，其中，生长P型GaN层时，使用N2作为金属有机物源的载气，通入二茂镁作为Mg掺杂源，Mg掺杂浓度为5×1017/cm3~5×1021/cm3；反应室的整体气氛中，使用N2和H2的混合气，混合气中N2和H2的体积比为1~5:1~5；压力提高至310~400toor；生长温度为800~1050摄氏度；P型GaN的生长速率控制在0.5~4μm/h；生长P型GaN材料的同时完成对空穴的激活。
根据本发明优选的，P型GaN层生长厚度80-400nm，进一步优选100-200nm。
根据本发明优选的，混合气中N2和H2的体积比为1:1~3。
根据本发明优选的，反应室中的压力为380~400toor。
根据本发明优选的，P型GaN的生长速率控制在2~3μm/h。
根据本发明优选的，P型GaN的生长温度为900~1000摄氏度。
根据本发明优选的，在生长P型GaN层之后的结构层生长过程中，始终保持生长气氛中含有N2；进一步优选的，保持生长气氛中N2比例为5-20%体积比。以避免P型氮化镓材料已经激活的空穴再度发生络合。
根据本发明优选的，所述衬底为蓝宝石、碳化硅或硅衬底；
根据本发明优选的，所述P型GaN层是采用MOCVD法生长或CVD法生长。在衬底材料上制备GaN基器件结构时，在P型GaN层之前生长的各层材料，根据目标产品类型不同可做相应调整。在P型GaN层上继续生长器件所需结构其余的层材料，也可根据所目标产品类型不同做相应调整。
一种用于制作高空穴P型氮化镓的GaN基器件的方法，其中包括：
形成包含P型掺杂剂的氮化镓的GaN基器件的结构；P型掺杂剂为Mg；
形成GaN基器件的结构的过程中，包含P型掺杂剂的氮化镓的生长方法包括使用N2作为金属有机物源的载气，通入二茂镁作为Mg掺杂源，Mg掺杂浓度为5×1017/cm3~5×1021/cm3；反应室的整体气氛中，使用N2和H2的混合气，混合气中N2和H2的体积比为1~5:1~5；压力提高至310~400toor；生长温度为800~1050摄氏度；P型GaN的生长速率控制在0.5~4μm/h；生长P型GaN材料的同时完成对空穴的激活。
所述GaN基器件结构是采用MOCVD法生长制备的。在生长P型GaN层之后的结构层生长过程中，始终保持生长气氛中含有N2；进一步优选的，保持生长气氛中N2比例为5-20%体积比。
GaN基器件的结构包括GaN、AlGaN、InGaN、AlInGaN中的至少一种。
本发明中涉及的制备GaN基器件结构按现有技术，GaN基器件结构一般包括衬底、成核层、GaN缓冲层、（Si掺杂的）N型GaN层、多量子阱发光层、（Mg掺杂的）P型AlGaN层、Mg掺杂的P型GaN层、（Mg掺杂的）欧姆接触层。这些层可以组成完整的GaN-LED器件，但其中有一些层是可以被其他材料替代的，以上列出的层结构材料只是现有技术中的一种代表性方案。本发明的方法主要是针对GaN基器件结构中Mg掺杂的P型GaN层进行空穴激活。
下面是利用本发明的P型氮化镓材料空穴激活的方法制备一种高空穴P型氮化镓的GaN基器件的示例。
一种用于制作高空穴P型氮化镓的GaN基器件的方法，包括步骤如下：
（1）在衬底上利用MOCVD工艺生长AlN成核层，成核层厚度80-120nm，生长温度900-1100摄氏度，压力45-50torr，生长气氛为H2；
（2）在AlN成核层上依次生长GaN缓冲层、N型GaN层、多量子阱发光层、P型AlGaN层,各层厚度分别为1-3μm、1-3μm、160-250nm、20-30nm,各层生长温度分别为900-1100摄氏度、900-1100摄氏度、700-750摄氏度、760-800摄氏度,各层生长压力分别为260-300torr、260-300torr、260-300torr、120-150torr,各层生长气氛分别为H2、H2、N2、N2；
（3）在P型AlGaN层上生长P型GaN层，使用N2作为金属有机物源的载气，通入二茂镁作为Mg掺杂源，Mg掺杂浓度为5×1017/cm3~5×1021/cm3；反应室的生长气氛为N2和H2混合气，所述混合气的体积比为N2：H2=1-5:1-5；生长压力310-400torr，生长温度800-1050摄氏度，P型GaN的生长速率控制在0.5~4μm/h；生长厚度80-400nm；
（4）在P型GaN层的表面生长欧姆接触层，保持生长气氛中N2比例为5-20%体积比。
与现有技术相比，本发明的优良效果如下：
本发明通过改变P型GaN生长的气氛、温度和压力的生长条件，获得了在线激活空穴的P型GaN材料，避免了外延生长之后还需要进行二次处理以激活空穴的问题，减少了工艺步骤，节约了生产成本。经过测试，通过该方法激活的P型GaN空穴浓度可达1E18以上，完全满足商品化生产的要求。
本发明的方法工艺简单、控制难度小，只需要调整P型GaN生长条件以及生长气氛，生长压力略作提高，生长温度略作降低。使用N2和H2的混合气在工业上也易于实现。本发明的方法适用于MOCVD、CVD等一般的商品化的设备。
附图说明
图1是实施例1的结构示意图。1、碳化硅衬底，2、AlN成核层，3、GaN缓冲层，4、N型GaN层，5、多量子阱发光层，6、P型AlGaN层，7、P型GaN层，8、欧姆接触层。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明，但不限于此。
实施例1、一种P型氮化镓材料空穴激活的方法，采用MOCVD工艺按现有技术在衬底材料上制备GaN基器件结构，其中，生长P型GaN层时，使用N2作为金属有机物源的载气，反应室的整体气氛中，使用N2和H2的混合气，混合气中N2和H2的体积比为1:3；压力为400toor；生长温度为1000摄氏度；P型GaN的生长速率控制在2μm/h；生长时通入二茂镁作为Mg掺杂源，Mg掺杂浓度可调范围为5×1018/cm3~5×1019/cm3；生长厚度100nm；生长P型GaN材料的同时完成对空穴的在线激活，激活的P型GaN材料空穴浓度1×1018/cm3～1×1019/cm3。
实施例2、一种P型氮化镓材料空穴激活的方法，如实施例1所述，所不同的是：
反应室的整体气氛中，使用N2和H2的混合气，混合气中N2和H2的体积比为1:1；压力为400toor；生长温度为960摄氏度；P型GaN的生长速率控制在1μm/h；Mg掺杂浓度可调范围为5×1019/cm3~1×1020/cm3；生长厚度200nm；生长P型GaN材料的同时完成对空穴的在线激活，激活的P型GaN材料空穴浓度5×1018/cm3~1×1019/cm3。在生长P型GaN层之后的结构层中，始终保持生长气氛中含有10%的N2体积比。
实施例3、一种P型氮化镓材料空穴激活的方法，如实施例1所述，所不同的是：
反应室的整体气氛中，使用N2和H2的混合气，混合气中N2和H2的体积比为2:1；压力为310toor；生长温度为920摄氏度；P型GaN的生长速率控制在2μm/h；Mg掺杂浓度可调范围为1×1020/cm3~5×1020/cm3；生长厚度100nm；生长P型GaN材料的同时完成对空穴的在线激活，激活的P型GaN材料空穴浓度1×1019/cm3~5×1019/cm3。
实施例4、一种高空穴P型氮化镓的GaN基器件的制作方法，GaN基器件结构如图1所示，步骤如下：
（1）在碳化硅衬底5上利用MOCVD工艺生长AlN成核层6，成核层厚度100nm，生长温度1000摄氏度，压力50torr，生长气氛为H2；
（2）在AlN成核层6上从下往上依次生长GaN缓冲层7、N型GaN层8、多量子阱发光层9、P型AlGaN层10，各层厚度分别为2μm、2μm、200nm、25nm，各层生长温度分别为1000摄氏度、1000摄氏度、750摄氏度、800摄氏度，各层生长压力分别为300torr、300torr、300torr、150torr，各层生长气氛分别为H2、H2、N2、N2；
（3）在P型AlGaN层10上方生长P型GaN材料，生长压力350torr，厚度100nm，生长温度1000摄氏度，生长气氛为N2和H2混合气，所述混合气的体积比例为N2：H2=1:3；
（4）在P型GaN层11的表面生长欧姆接触层12。保持生长气氛中N2比例为10%体积比。
所得P型氮化镓的GaN基器件的正向工作电压得到降低，反向击穿电压得到提高，漏电和抗静电通过率均得到提高。所得GaN基LED的10*23mil管芯与传统工艺LED的10*23mil管芯电学参数的对比如下表所示。
Claims (8)
1.一种P型氮化镓材料空穴激活的方法，包括按现有技术在衬底材料上制备GaN基器件结构，其中，生长P型GaN层时，使用N2作为金属有机物源的载气，通入二茂镁作为Mg掺杂源，Mg掺杂浓度为5×1017/cm3~5×1021/cm3；其特征在于，反应室的整体气氛中，使用N2和H2的混合气，混合气中N2和H2的体积比为1~5:1~5；压力提高至310~400toor；生长温度为800~1050摄氏度；P型GaN的生长速率控制在0.5~4μm/h；生长P型GaN材料的同时完成对空穴的激活。
2.根据权利要求1所述的P型氮化镓材料空穴激活的方法，其特征在于，P型GaN层生长厚度80-400nm。
3.根据权利要求1所述的P型氮化镓材料空穴激活的方法，其特征在于，在生长P型GaN层之后的结构层生长过程中，始终保持生长气氛中含有N2。
4.根据权利要求3所述的P型氮化镓材料空穴激活的方法，其特征在于，在生长P型GaN层之后的结构层生长过程中，保持生长气氛中N2比例为5-20%体积比。
5.根据权利要求1所述的P型氮化镓材料空穴激活的方法，其特征在于，所述衬底为蓝宝石、碳化硅或硅衬底。
6.根据权利要求1所述的P型氮化镓材料空穴激活的方法，其特征在于，所述P型GaN层是采用MOCVD法生长或CVD法生长。
7.一种用于制作高空穴P型氮化镓的GaN基器件的方法，其中包括：
形成包含P型掺杂剂的氮化镓的GaN基器件的结构；P型掺杂剂为Mg；
形成GaN基器件的结构的过程中，包含P型掺杂剂的氮化镓的生长方法包括使用N2作为金属有机物源的载气，通入二茂镁作为Mg掺杂源，Mg掺杂浓度为5×1017/cm3~5×1021/cm3；反应室的整体气氛中，使用N2和H2的混合气，混合气中N2和H2的体积比为1~5:1~5；压力提高至310~400toor；生长温度为800~1050摄氏度；P型GaN的生长速率控制在0.5~4μm/h；生长P型GaN材料的同时完成对空穴的激活。
8.如权利要求7所述的GaN基器件的制作方法，其特征在于包括步骤如下：
（1）在衬底上利用MOCVD工艺生长AlN成核层，成核层厚度80-120nm，生长温度900-1100摄氏度，压力45-50torr，生长气氛为H2；
（2）在AlN成核层上依次生长GaN缓冲层、N型GaN层、多量子阱发光层、P型AlGaN层,各层厚度分别为1-3μm、1-3μm、160-250nm、20-30nm,各层生长温度分别为900-1100摄氏度、900-1100摄氏度、700-750摄氏度、760-800摄氏度,各层生长压力分别为260-300torr、260-300torr、260-300torr、120-150torr,各层生长气氛分别为H2、H2、N2、N2；
（3）在P型AlGaN层上生长P型GaN层，使用N2作为金属有机物源的载气，通入二茂镁作为Mg掺杂源，Mg掺杂浓度为5×1017/cm3~5×1021/cm3；反应室的生长气氛为N2和H2混合气，所述混合气的体积比为N2：H2=1-5:1-5；生长压力310-400torr，生长温度800-1050摄氏度，P型GaN的生长速率控制在0.5~4μm/h；生长厚度80-400nm；
（4）在P型GaN层的表面生长欧姆接触层，保持生长气氛中N2比例为5-20%体积比。
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