[发明专利]一种提高P型氮化镓掺杂浓度的外延生长方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种提高P型氮化镓掺杂浓度的外延方法。

背景技术

被称为第三代半导体的GaN及其系列材料在光电子器件和微电子器件领域都有重要的应用价值。GaN材料和器件的研究都取得了重大进展，特别是GaN高亮度蓝、绿光发光二极管的商品化和长寿命蓝光激光器的研制成功，是GaN器件取得突破的重要标志。经过近十几年的发展，GaN基蓝光LED已成功实现商业化，在景观灯、背光源、照明灯领域都得到广泛应用。

由于H原子的钝化作用，P型GaN曾经是制约GaN器件发展的一个关键因素，后来由于激活工艺尤其是快速热退火激活技术的发明，极大地推动了GaN材料和器件的发展。不过，虽然经过适当退火处理后的样品转化成了P型样品，但得到的空穴浓度仍然较低，典型值为2×10¹⁷cm^-3，比掺杂浓度低2-3个数量级，这样会限制载流子浓度，从而降低LED的光电效率。

杨志坚等人1.利用红外退火法制备P型GaN。通过实验条件的优化获得的Mg掺杂样品空穴浓度达到6.9×10¹⁸cm^-3，二次离子质谱分析结果表明Mg掺杂水平为10²⁰cm^-3量级。激活率约7％。Hall测试及光荧光测试结果表面700℃至850℃是最佳的退火温度。2.利用快速退火法制备P型GaN。也可获得较好结果。该方法突出优点在于对Mg掺杂GaN的晶体质量影响较小，这可从X射线双晶衍射摇摆曲线的半高宽结果得知。3.采用自由电子激光辐照法制备P型GaN，使所用样品的空穴载流子浓度提高了一个量级。4.采用离子注入法制备P型GaN，该方法得到的P型GaN样品表面的空穴载流子浓度达8.28×10¹⁷cm^-3。

冉军学等在N2气氛下，950℃退火处理P型GaN后，空穴浓度达到5×10¹⁷cm^-3以上，电阻率降到2.5Ω.cm。

李彤等利用Delta掺杂技术制备p型GaN，生长过程复杂：采用delta掺杂生长500nm左右的p-GaN，p-GaN共包含340个周期，每个周期厚度1-2nm，单周期过程如下：1-2nm的非故意掺杂GaN，保持氨流量不变，同时关闭Ga源，如此保持一段时间(预通氨，pre-purge)再开通Mg源10s。电阻率、载流子浓度与迂移率分别为1.7Ω.cm、3.5×10¹⁷cm^-3与10cm²/Vs。

陈军峰等利用AlGaN/GaN超晶格结构提高GaN材料p型掺杂效果的方案，获得了电阻率为0.31Ω.cm、空穴浓度为4.36×10¹⁸cm^-3的P型材料。

刑艳辉等人利用生长停顿掺杂P型GaN，生长过程：100个周期的每生长0.5nm掺杂GaN停顿0.12min。生长之后热退火是在N₂气氛下，750℃、30min进行。电阻率、载流子浓度与迂移率分别为3.0Ω.cm、3.29×10¹⁷cm^-3与6cm²/Vs。

发明内容

为了提升载流子的浓度，本发明提供了一种新的P层的外延生长方法，该方法可以改善LED外延生长的P层掺杂效率，提高Mg的掺杂浓度，提升载流子的浓度，增大复合发光效率，提升LED器件的光电转换效率。

本发明的技术原理是：生长掺镁的GaN层时，明显增大载气(H₂)与氨气的流量比(现有技术通常为3-4，本发明为设定为9.5-10.5)，其他环节可与现有技术相同。

参考现有技术的其他环节，本发明的这种提高P型氮化镓掺杂浓度的外延生长方法，可包括(但不绝对限于)以下步骤：

(1)在蓝宝石衬底上生长低温GaN层；

(2)生长高温GaN层；

(3)生长高温GaN掺杂硅烷n型层；

(4)生长掺硅烷的n型AlGaN层；

(5)生长若干周期的GaN/InGaN量子阱层；

(6)生长掺杂镁的P型AlGaN层；

(7)生长一层掺镁的GaN层，该步骤中载气H₂与氨气的流量比为9.5-10.5；

(8)在氮气氛围下，700-800℃退火20分钟。

以上所称的“高温”、“低温”在本领域是具有明确意义的技术术语。