CN101289173A - 选择超晶格位置掺杂的p型III族氮化物材料的制备方法 - Google Patents

选择超晶格位置掺杂的p型III族氮化物材料的制备方法 Download PDF

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Abstract

选择超晶格位置掺杂的p型III族氮化物材料的制备方法，涉及一种III族氮化物半导体材料。提供一种用于制备电阻率小、空穴浓度高的选择超晶格位置掺杂的p型III族氮化物材料的制备方法。选择同质或者异质的基质材料；在基质材料上外延生长形成变换叠加的垒层和阱层，在垒层与阱层的界面和阱层与垒层的界面掺入施主杂质和受主杂质，得选择超晶格位置掺杂的p型III族氮化物材料，其中，每个生长周期的步骤为：生长带隙较宽的垒层，同时掺入受主杂质；生长施主杂质或受主杂质δ掺杂层；生长非掺的带隙较窄的阱层；生长受主杂质或施主杂质δ掺杂层；在N2气氛下对所得的选择超晶格位置掺杂的p型III族氮化物材料退火，即得目标产物。

Description

选择超晶格位置掺杂的p型III族氮化物材料的制备方法
技术领域
本发明涉及一种III族氮化物半导体材料，尤其是涉及一种选择超晶格位置掺杂的p型III族氮化物材料(高组分AlGaN半导体)的制备方法。
背景技术
随着宽禁带III族氮化物半导体(包括GaN、AlGaN、InGaN)研发的进展，特别是高Al组分AlGaN半导体生长技术的突破，推动了紫外乃至深紫外发光二极管(LED)、激光器(LD)、探测器等各种光电子器件的发展和应用。然而，长期以来，III族氮化物器件的发展一直受到低p型掺杂效率的制约。作为目前应用最为广泛的III族氮化物的p型掺杂剂，Mg受主具有较高的离化能(在GaN材料中Mg受主的离化能约为150meV)以及自补偿效应，其激活率仅约为1％。在高组分AlGaN半导体中Mg受主离化能更高，并随着组分增高线性增大，致使Mg受主的激活率在高组分AlGaN半导体中特别低。当组分达到100％时，也就是在AlN半导体中，Mg受主离化能高至465～758meV，导致室温下空穴浓度仅有1010/cm3数量级(1、K.B.Nman et.al.，“Mg acceptor level in AlN probed by deep ultravioletphotoluminescence”，Appl.Phys.Lett.，83(2003)878；2、F.Mireles and S.E.ulloa，“Acceptorbinding energies in GaN and AlN”，Phys.Rev.B，58(1998)3879；3、Y.Taniyasu et.al.，“Analuminium nitride light-emitting diode with a wavelength of 210 nanometres”，Nature，441(2006)325)。此量级的空穴浓度远不能用于制备紫外、深紫外光电子器件。近年来，调制掺杂的p型AlGaN/GaN(AlGaN/AlN)多层超晶格结构被引入用于提高Mg的激活效率，并且应用于紫外、深紫外光电子器件中(4、Y.Taniyasu et.al.，“An aluminium nitride light-emitting diode witha wavelength of 210 nanometres”，Nature，441(2006)325；5、G.Kipshidze et.al.，“AlN/AlGaInNsuperlattice light-emitting diodes at 280 nm”，J.Appl.Phys.，93(2002)1363；6、S.Jeon et.al.，“High performance AlGaInN ultraviolet light-emitting diode at the 340 nm wavelength”，Jap.J.Appl.Phys.，43(2004)L1409)。尽管如此，当超晶格中的Al组分增加时，其电阻率依然较大，从而阻碍了GaN基光电子器件往短波长方向发展。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于制备电阻率小、空穴浓度高的选择超晶格位置掺杂的p型III族氮化物材料的制备方法。
本发明包括以下步骤：
1)选择同质或者异质的基质材料；
2)在基质材料上进行外延生长，生长10～100个周期，形成变换叠加的垒层和阱层，在垒层与阱层的界面和阱层与垒层的界面分别掺入施主杂质和受主杂质，得到选择超晶格位置掺杂的p型III族氮化物材料；其中，每个生长周期的步骤依次为：
a.生长带隙较宽的垒层，并同时掺入受主杂质；
b.生长施主杂质或受主杂质δ掺杂层；
c.生长非掺的带隙较窄的阱层；
d.生长受主杂质或施主杂质δ掺杂层；
3)在N2气氛下对所得的选择超晶格位置掺杂的p型III族氮化物材料退火，即得目标产物。
在步骤1)中，同质的基质材料优选氮化镓、氮化铟或氮化铝等单晶；异质的基质材料优选蓝宝石、硅单晶或碳化硅等。
在步骤2)中，在基质材料上进行外延生长的方法最好采用金属有机化学气相沉积法。垒层和阱层的材料为GaN、AlN、InN或者其混晶，若生长垒层和阱层材料为GaN、InN或者其混晶，其生长温度为600～850℃；若生长垒层和阱层材料为GaN、AlN或者其混晶，其生长温度为900～1200℃；垒层的厚度最好为1～100nm，阱层的厚度最好为1～100nm；施主杂质为Si、Sn或Se等，受主杂质为Mg、Be或Zn等。在步骤2)的b步骤中，所述的生长施主杂质或受主杂质δ掺杂层的过程中最好通入杂质源和载气，杂质源优选二茂镁和高纯硅烷；载气优选氢气或氮气。在步骤2)的d步骤中，所述的生长受主杂质或施主杂质δ掺杂层的过程中最好通入杂质源和载气，杂质源优选二茂镁和高纯硅烷；载气优选氢气或氮气。
在步骤3)中，所述退火的温度最好为500～1200℃。
与现有的技术相比，采用本发明制备的选择超晶格位置掺杂的p型III族氮化物材料具有更高的空穴浓度和更低的电阻率，在带隙较宽的材料中能获得较好的p型导电。例如，将该p型材料用于GaN基光电器件，特别是紫外光电器件中的p型导电层，可形成良好的欧姆接触，降低串联电阻，进而降低开启电压(对发光二极管而言)或者阈值电压(对激光二极管而言)。本发明设计III族氮化物超晶格，在超晶格势垒区掺入受主杂质，进一步在超晶格两种不同界面处分别掺入施主杂质和受主杂质，以改变超晶格的能带弯曲状况，提高受主的激活效率，降低材料的电阻率。
附图说明
图1为本发明实施例采用Mg和Si杂质选择超晶格位置掺杂超晶格结构B和传统调制掺杂超晶格结构A的示意图。在图1中，各代号为掺Mg氮化物垒层A1，非掺杂氮化物阱层A2，掺Mg氮化物垒层A3；掺Mg氮化物垒层B1，非掺杂氮化物阱层B2，掺Mg氮化物垒层B3；基质层C。掺Mg氮化物垒层B1与非掺杂氮化物阱层B2之间为Mg(Si).-δ掺杂层，非掺杂氮化物阱层B2与掺Mg氮化物垒层B3之间为Si(Mg).-δ掺杂层。
图2为本发明实施例应用于深紫外发光二极管的电压-电流特性曲线图。在图2中，横坐标为电压Voltage(V)，纵坐标为电流Current(mA)；-○-表示深紫外发光二极管的p型导电层分别采用本发明实施例的Mg和Si杂质选择超晶格位置掺杂的Al0.87Ga0.13N/Al0.4Ga0.6N超晶格(UV-LED1)，-●-表示传统的调制掺杂Al0.87Ga0.13N/Al0.4Ga0.6N超晶格(UV-LED2)。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
实施例1：参见图1，采用金属有机化学气相沉积法进行外延生长。采用两步生长法在蓝宝石衬底上外延生长(900～1100℃)GaN基化合物基质层；按上述步骤2)生长20个周期的Mg和Si杂质选择超晶格位置掺杂的AlxGa1-xN/GaN超晶格层，其中x＝0.15、0.25、0.35，阱层和垒层的周期厚度均为10nm；生长结束后将外延片在N2气氛中炉外退火，退火温度为700～950℃，进一步激活材料中的Mg受主，提高空穴浓度。在生长过程中采用三甲基镓、三甲基铝作为III族源，高纯氨作为V族源，高纯氢气作为载气，二茂镁、高纯硅烷作为掺杂源。
对生长的样品进行霍尔(Hall)效应的测试，结果表明所有空穴浓度均高于1018cm-3，部分样品中的空穴浓度高达1019cm-3。
实施例2：参见图2，采用金属有机化学气相沉积法在蓝宝石(0001)衬底上外延生长一组全结构的深紫外LED外延片。其中外延片的基质层、n型导电层、有源区等生长工艺及参数均相同，p型导电层分别采用上述Mg和Si杂质选择超晶格位置掺杂的AlGaInN/AlGaInN(AlGaInN/AlN)超晶格与传统的调制掺杂AlGaInN/AlGaInN超晶格。Mg和Si杂质选择超晶格位置掺杂超晶格按上述步骤2)生长。其中垒层的Al组分为0.5～1，In组分为0～0.5，阱层中的Al组分低于垒层。最后通过电极制备，对其进行Hall效应测试、电流-电压特性测试的结果表明，所制备的外延片均可测得较高的空穴浓度。现以采用选择超晶格位置掺杂的和传统调制掺杂的Al0.87Ga0.13N/Al0.4Ga0.6N超晶格作为p型导电层制备的LED为例进一步说明。图2为其电压-电流(I-V)特性曲线。由图2可见，采用Mg和Si杂质选择超晶格位置掺杂的Al0.87Ga0.13N/Al0.4Ga0.6N超晶格作为p型导电层的LED1开启电压(～4eV)明显低于采用传统调制掺杂超晶格作为p型导电层的LED2开启电压(～5eV)。
由此表明通过采用Mg和Si杂质选择超晶格位置掺杂的方法可制备电阻率较小的高组分AlGaNp型材料。当以这种材料作为p型层时，所制作的器件串联电阻小，具有优良的I-V特性。

Claims (10)

1.选择超晶格位置掺杂的p型III族氮化物材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
1)选择同质或者异质的基质材料；
2)在基质材料上进行外延生长，生长10～100个周期，形成变换叠加的垒层和阱层，在垒层与阱层的界面和阱层与垒层的界面分别掺入施主杂质和受主杂质，得到选择超晶格位置掺杂的p型III族氮化物材料；其中，每个生长周期的步骤依次为：
a.生长带隙较宽的垒层，并同时掺入受主杂质；
b.生长施主杂质或受主杂质δ掺杂层；
c.生长非掺的带隙较窄的阱层；
d.生长受主杂质或施主杂质δ掺杂层；
3)在N2气氛下对所得的选择超晶格位置掺杂的p型III族氮化物材料退火，即得目标产物。
2.如权利要求1所述的选择超晶格位置掺杂的p型III族氮化物材料的制备方法，其特征在于在步骤1)中，同质的基质材料为氮化镓、氮化铟或氮化铝单晶。
3.如权利要求1所述的选择超晶格位置掺杂的p型III族氮化物材料的制备方法，其特征在于在步骤1)中，异质的基质材料为蓝宝石、硅单晶或碳化硅。
4.如权利要求1所述的选择超晶格位置掺杂的p型III族氮化物材料的制备方法，其特征在于在步骤2)中，在基质材料上进行外延生长的方法采用金属有机化学气相沉积法。
5.如权利要求1所述的选择超晶格位置掺杂的p型III族氮化物材料的制备方法，其特征在于在步骤2)中，垒层和阱层的材料为GaN、AlN、InN或者其混晶。
6.如权利要求5所述的选择超晶格位置掺杂的p型III族氮化物材料的制备方法，其特征在于在步骤2)中，若生长垒层和阱层材料为GaN、InN或者其混晶，其生长温度为600～850℃；若生长垒层和阱层材料为GaN、AlN或者其混晶，其生长温度为900～1200℃。
7.如权利要求1所述的选择超晶格位置掺杂的p型III族氮化物材料的制备方法，其特征在于在步骤2)中，垒层的厚度为1～100nm，阱层的厚度为1～100nm；施主杂质为Si、Sn或Se，受主杂质为Mg、Be或Zn。
8.如权利要求1所述的选择超晶格位置掺杂的p型III族氮化物材料的制备方法，其特征在于在步骤2)的b步骤中，所述的生长施主杂质或受主杂质δ掺杂层的过程中通入杂质源和载气，杂质源为二茂镁和高纯硅烷；载气为氢气或氮气。
9.如权利要求1所述的选择超晶格位置掺杂的p型III族氮化物材料的制备方法，其特征在于在步骤2)的d步骤中，所述的生长受主杂质或施主杂质δ掺杂层的过程中通入杂质源和载气，杂质源为二茂镁和高纯硅烷；载气为氢气或氮气。
10.如权利要求1所述的选择超晶格位置掺杂的p型III族氮化物材料的制备方法，其特征在于在步骤3)中，所述退火的温度为500～1200℃。
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