[发明专利]一种低扩散高空穴浓度的P型GaN基材料生长方法

说明书

技术领域

本发明属于光电领域，涉及一种提高P型材料空穴浓度的方法。

背景技术

在GaN基系列光电材料的制备过程中，P型材料的制备一直是最难突破的障碍。由于在材料生长过程中需要使用NH₃和H₂等气体，在制备的过程中H原子与Mg原子很容易形成Mg-H键而导致Mg原子失去活性，P型材料没有足够的空穴浓度来满足于光电器件的制备，进而限制了光电材料性能的提升。为此很多研究人员做了系列的研究，譬如1988年Akasaki使用低能电子束辐射得到了P型的GaN材料，之后1991年日本的中村修二使用高温热退火技术实现了工业化的P型GaN材料使得LED可以工业化的生产；但是即使如此，此后限制光电性能的主要还是P型材料的制备上。

为了得到更高效率的光电器件，本领域技术人员对于P型材料的制备仍在不断探索新的方法，如：中国专利103178166A提出一种应用于LED中的P型GaN初始层的制备方法，先向反应室通入Mg源，使所述Mg源与所述反应室中的NH₃在第一温度下反应以减弱所述Mg源在所述反应室中的记忆效应；之后再在第二温度下生长P型GaN层的步骤；以及在第三温度下生长P型GaN层的步骤，一定程度上起到了提高空穴浓度的效果。中国专利103215642A提出了生长p型GaN是先生长非掺杂GaN，生长时间为10s，然后通入CP₂Mg源，生长时间为8s，并以这样18s为一个单周期重复生长，共生长320～350个周期来提高空穴的浓度。以上方法均取得了一定的进步，但是仍然存在明显的不足之处。例如，专利103178166A只能解决Mg的记忆效应问题；专利103215642A可以控制Mg向量子阱的扩散并提高了空穴浓度，但是会增加材料阻值而导致实际的能量损失而不能真正达到提高器件效率的目的。

在P型材料的制备过程中，Mg如果扩散到量子阱就会破坏量子阱的晶体质量，而且导致漏电。如果Mg的掺杂浓度过高，Mg析出会影响晶体质量并也会使电阻提高降低了器件的效率；如果Mg的掺杂浓度过低则又会导致阻值升高进而电压较高，降低了器件的效率。

发明内容

为了进一步提高P型材料的掺杂效率和空穴浓度，提高发光器件的效率，并同时尽可能减少Mg向量子阱的扩散而影响量子阱的质量，本发明提出了一种低扩散高空穴浓度的P型GaN基材料生长方法。

本发明的基本方案如下：

该低扩散高空穴浓度的P型GaN基材料生长方法，是（沿用传统工艺）在依次生长完基础材料GaN，NGaN和MQW之后，通入Mg和Ga，其特殊之处在于：通入Mg和Ga的过程，存在Mg与Ga的流量比例变化的阶段。

以上基本方案是本发明经过大量实验和分析得出的结论性方案，申请人总结本发明的原理如下：在P型GaN材料生长的不同阶段，根据功能的需求Mg/Ga的比例是需要进行调节的，并且Mg/Ga比例的不同生成物也会发生变化进而影响了器件的性能变化。此前本领域技术人员一直遵循反应物单一配比的供给方式，而本发明首次提出以变化的配比通入Mg/Ga，特别是Mg/Ga比例的线性和阶梯性流量变化（另外还进一步配合加入Al和In），调整匹配P型GaN结构，既能保证材料的高空穴浓度又不至于对原有结构破坏，从而整体上提升材料质量和器件性能。

基于上述方案，本发明进一步给出以下几种优化方案。

使通入Mg/Ga的流量比例以100%到0%之间任意段的线性变化进行生长(如图1a)，或者以100%到0%之间任意几级阶梯型变化(如图2a)，例如100%，75%，50%，25%，0%或者100%，10%，2.5%，0%；或者也可以为线性变化和阶梯型变化的结合(如图3a，4a，4b)。需要说明的是，可以存在100%和0%的情况，即某段时间停止通入Mg或Ga。

Mg/Ga的流量比例变化可以通过多种方法实现，如可以固定Mg的流量不变而线性或者阶梯型渐变Ga的流量来实现(如图1a，2a)，也可以为固定Ga的流量然后渐变Mg的流量来实现或者为两者结合来实现Mg/Ga比例的变化(如图3a)。

以上通入Mg和Ga的流量比例变化模式均进行多次重复(如图1b，2b，3b，4b)。

在通入Ga的同时也可通入In和/或Al以配合改变能带结构和提高材料的晶体质量。

材料的生长温度为630-1050度之间。通入Mg和Ga的过程中可以在生长不同阶段使用不同的温度。

本发明具有以下优点：