[发明专利]一种p型GaN与AlGaN半导体材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及p型GaN与AlGaN半导体材料的外延生长技术领域，尤其涉及一种采用表面活性剂辅助delta掺杂制备p型GaN与AlGaN半导体材料的方法。

背景技术

三族氮化物（也称作GaN基材料）作为第三代半导体材料，具有禁带宽度大、直接带隙（光电转化效率高）、化学性能稳定、热导能力强以及击穿电压高等特点。基于该类半导体材料可以制作出高光电转换效率、高响应速度的光电子器件（如蓝绿光发光二极管、半导体激光器和紫外光电探测器）以及耐高温、耐高压、适用于大功率的电子器件（如高电子迁移率晶体管和大功率开关场效应晶体管等）。

随着最近三十年人们对三族氮化物材料和器件的不断研究，目前基于三族氮化物的发光器件已经实现了商用化并得到了广泛的应用。但是针对三族氮化物半导体仍有许多基础的材料问题没有很好地解决，而p型掺杂GaN基材料的电导控制就是其中之一。目前，p型宽禁带GaN或AlGaN半导体材料的低掺杂效率依然制约着器件应用的发展。镁作为当前普遍使用且掺杂效率较高的GaN基材料的受主掺杂元素，在材料中有较高的离化能（约为120至180 meV），因此p型GaN基材料的空穴浓度仍处于较低水平，一般在5×10¹⁷ cm^-3左右。若要获得更大的空穴浓度，就需要掺入更高浓度的镁原子。但是，随着镁原子掺入量的增大，外延层晶体质量大幅下降，补偿性缺陷和位错增多，从而导致镁原子的自补偿效应增强，反而降低了空穴浓度。另一方面，掺杂的镁原子受固溶度的限制，也无法达到期待的镁原子掺入量。

为了提高p型GaN或AlGaN的掺杂效率，研究者提出了许多方法，其中主要包括delta掺杂、超晶格结构掺杂以及受主-施主共掺杂等。所谓delta掺杂的生长方法（GaN: δ-Mg grown by MOVPE: Structural properties and their effect on the electronic and optical behavior，Journal of Crystal Growth，310，13–21，2008）是在断开三族源（如镓源、铝源）的同时通入受主掺杂镁源，使得受主掺杂镁原子在材料内部呈现类似delta函数的分布。这种通过在外延层限定区域内的掺杂来对能带进行调制的生长方法，可以降低离化能，但是该方法本身并没有针对外延层中的补偿性缺陷进行抑制；超晶格结构掺杂的生长方法（Polarization-enhanced Mg doping of AlGaN/GaN superlattices，APPLIED PHYSICS LETTERS，VOLUME 75，NUMBER 16，1999），也即通过短周期交替生长不同禁带宽度的半导体材料，并对禁带较宽的材料外延层或两种材料的外延层进行掺杂。由于在两种材料的界面处将产生能带的断续，其导带和价带将产生同超晶格周期相同的周期性振荡。通过控制、调节价带边缘振荡的周期和振幅来提高空穴浓度。该方法虽然可以很好地利用异质界面的能带震荡形成的空穴气来获得更高的空穴浓度，但是由于超晶格结构是由两种不同禁带宽度的半导体材料交替堆叠生长构成的，这两种不同的材料在光吸收强度以及截止波长上会有所不同，会影响使用其制作出的光电子器件的工作性能；采用受主-施主共掺杂的方法（High Doped p-Type GaN Grown by Alternative Co-Doping Technique，Mat. Res. Soc. Symp. Proc. Vol. 719，2002），虽然可以通过利用受主-施主之间的库伦作用来有效地降低受主掺杂镁原子的离化能，但该方法的生长窗口非常窄，实现难度大，也不利于大规模的生产和商业化应用。

综上所述，p型GaN基材料掺杂效率的改善和电导性的提高面临着降低离化能、抑制补偿性缺陷并兼顾外延生长的可行性等方面的问题。

发明内容

针对现有技术的缺点，本发明的发明目的为提供一种既能增大受主掺杂镁原子掺入效率、同时又能抑制其自补偿效应、并且获得良好晶体质量以及高空穴浓度的p型GaN与AlGaN半导体材料的制备方法。