[发明专利]一种双元素delta掺杂生长P型GaN基材料的方法

说明书

技术领域

本发明涉及GaN材料的制备技术领域，尤其涉及一种双元素delta掺杂生长P型GaN基材料的方法。

背景技术

GaN是继第一代硅、锗和第二代砷化镓、磷化铟等材料以后的第三代新型半导体材料。GaN基材料具有带隙宽、发光效率高、电子漂移饱和速度高、热导率高、硬度大、介电常数小，化学性质稳定及抗辐射、抗高温异质结界面二维电子气浓度高等特性，成为制造高功率、高频电子器件、短波长光电子器件、高温器件和抗辐照器件最重要的半导体材料，被誉为第三代半导体材料。

GaN材料以及基于GaN材料的各种器件虽然在近十年中得到了系统和深入的研究。但现在仍然面临着许多的问题，GaN基材料的p型掺杂技术始终没有很好的解决。目前在GaN基材料中普遍使用的P型掺杂杂质是Mg，由于Mg自身具有较高的电离能，同时Mg杂质的自补偿效应比较明显，因而通常掺Mg-GaN基材料的空穴浓度只有10¹⁷～10¹⁸cm^-3，迁移率尚不到10cm²/V·s，掺杂效率只有0.1％～1％，不能很好满足器件要求，即Mg被单独作为P型掺杂剂时，难于获得高质量、高空穴浓度P型GaN基材料。

发明内容

针对现有技术的缺点，本发明的目的是提供一种能显著抑制Mg杂质的自补偿效应的，能够获得高质量的、高空穴浓度的双元素delta掺杂生长P型GaN基材料的方法。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：一种双元素delta掺杂生长P型GaN基材料的方法，包括以下步骤：

①在置于反应腔中的衬底上依次生长出低温缓冲层和高温缓冲层；

②采用双元素delta掺杂法在所述高温缓冲层上生长p型GaN基层材料，掺杂杂质的元素为Mg、Zn或Mg、O或Mg、Si；

③采用热退火方法对杂质元素进行激活。

由于目前GaN基材料和衬底失配较大，所以在协调衬底与GaN晶格失配问题上需要缓冲层技术来解决。此外，选择Mg、Zn或Mg、O或Mg、Si作为掺杂杂质，采用Mg、Zn共掺杂时，Zn原子可以降低H的溶解度来提高Mg受主的激活率；而采用Mg、O或者Mg、Si共掺杂时，可以使受主能级降低施主能级升高产生更高的空穴浓度。因此，当双元素共掺杂这种方法被用于delta掺杂工艺时，Mg杂质的自补偿效应可得到有效减少，从而可以大大提高P型掺杂的空穴浓度。

此外受主原子Mg和残留的原子H会形成Mg-H复合体，这种复合体会导致了Mg的钝化效应，通过高温退火可使Mg-H键断开，激活受到钝化的受主Mg。

而步骤②中，所述的掺杂杂质元素Mg、Zn或Mg、O或Mg、Si，其中，Mg元素为主要掺杂元素，Zn或O或Si元素为辅助掺杂元素，主要掺杂元素与辅助掺杂元素的比控制在300～1000之间，适量的辅助掺杂元素可以提高P型掺杂的空穴浓度。分别使用CP₂Mg、DEZn、O₂、SiH₄作为Mg源、Zn源、O源，Si源。此外，所述双元素delta掺杂是在温度为700℃-1200℃条件下，进行50-300个周期的生长，每个周期包含以下步骤：

1)通入N源，Ga基三族源，生长GaN基非故意掺杂层；

2)切断三族源20-45s，使所述GaN基非故意掺杂层表面跟NH3充分接触；

3)通入主要掺杂元素Mg和辅助掺杂元素Zn或O或Si元素，20-35s。

掺杂时须停止通入三族源，这一过程抑制了GaN基外延层位错的攀沿，可以减小GaN基材料的位错密度。

步骤1)中，采用NH₃、TMGa、TMAl、TMIn分别作为N源、Ga源、Al源、In源，采用H₂作为载气生长GaN基非故意掺杂层，所述Ga基三族源为Ga源、Al源以及In源。

步骤①中，采用MOCVD方法生长所述低温缓冲层、高温缓冲层和p型GaN基材料，所述反应腔为MOCVD反应腔，所述低温缓冲层和高温缓冲层生长温度范围分别为：500℃-650℃、1080℃-1200℃。

步骤③中，热退火是在N₂环境下进行的，退火温度为500℃～950℃，退火时间为30s-600s。