CN104332545A - 低电阻率p型铝镓氮材料及其制备方法 - Google Patents

低电阻率p型铝镓氮材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种低电阻率P型铝镓氮材料及其制备方法，该制备方法包括：对衬底升温，在氢气环境下热处理，去除衬底表面的杂质；在衬底上生长低温成核层，为后续生长材料提供成核中心；在低温成核层上生长一层非故意掺杂模板层；在非故意掺杂模板层上低温外延生长一层低碳杂质浓度的P型铝镓氮层；在氮气环境下，高温退火使P型铝镓氮层中受主激活，得到低电阻率P型铝镓氮材料。利用本发明，通过更改生长条件，降低低温生长的P型铝镓氮材料中非故意掺杂的碳杂质的浓度，从而减轻了受主补偿作用，达到降低P型铝镓氮材料电阻率的目的。

Description

低电阻率P型铝镓氮材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及半导体材料制备技术领域，特别是涉及一种低电阻率P型铝镓氮材料及其制备方法。
背景技术
蓝绿色发光二极管(LED)在显示、控制和通讯领域有着极其重要的应用，已成为当前全彩色显示以及交通信号标志中不可缺少的元件。蓝光激光二极管(LD)用于高密度存储光盘比用红光激光二极管存储密度提高近四倍，能更好的满足信息时代的需求。此外，蓝光激光二极管在医疗诊断、海底探潜等方面也有很大的应用价值。
但是，为了得到较长的发光波长，蓝绿光LED和LD的有源区必须采用高铟组分的多量子阱结构(一般铟组分大于20％)。高铟组分铟镓氮材料在高温下是不稳定的，后续高温生长P型层会造成铟镓氮量子阱的分解，衰减LED及LD的光学和电学性质。所以，为了保护高铟组分量子阱，实现高性能蓝绿光LED和LD器件，必须采用较低的生长温度生长P型层。然而低温生长的P型层一般电阻率较高，空穴浓度偏低，不能满足高性能蓝绿光器件的要求。
一般来说，造成P型氮化镓电阻率高的原因有两个，一个是受主难电离，镁杂质的电离能高达200meV，室温下电离率只有1％左右。另外一个是P型氮化镓材料中受主补偿作用严重。由于镁在铝镓氮材料中的电离能更高，所以低温生长的铝镓氮材料比低温生长的氮化镓材料更难获得低的电阻率，然而铝镓氮材料作为限制层及电子阻挡层在氮化物蓝绿光激光器中是不可缺少的，所以获得低电阻率低温铝镓氮材料对器件的发展是至关重要的。
发明内容
(一)要解决的技术问题
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种低电阻率P型铝镓氮材料及其制备方法，通过更改生长条件，降低低温生长的P型铝镓氮材料中非故意掺杂的碳杂质浓度，以减轻受主补偿作用，达到降低P型铝镓氮材料电阻率的目的。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明提供了一种低电阻率P型铝镓氮材料，该低电阻率P型铝镓氮材料包括：衬底；形成于该衬底之上的低温成核层；形成于该低温成核层之上的非故意掺杂模板层；以及形成于该非故意掺杂模板层之上的低温生长低碳杂质浓度的P型铝镓氮层。
上述方案中，所述衬底为蓝宝石衬底、碳化硅衬底或氮化镓衬底。
上述方案中，所述低温成核层采用的材料为氮化镓或者氮化铝，其生长温度为500～600℃，厚度为20～30nm，该低温成核层为后续生长材料提供成核中心。
上述方案中，所述非故意掺杂模板层采用的材料为氮化镓或者铝镓氮，其生长温度为1040℃，厚度为2μm，该非故意掺杂缓冲层用于减少外延层位错密度。
上述方案中，所述低温生长低碳杂质浓度的P型铝镓氮层，其是以镁作为受主掺杂剂，空穴浓度在1×1017cm-3～1×1018cm-3，生长温度为900～1000℃，所含碳浓度低于3×1017cm-3。
为达到上述目的，本发明还提供了一种低电阻率P型铝镓氮材料的制备方法，该方法包括：
步骤1：对衬底升温，在氢气环境下热处理，去除衬底表面的杂质；
步骤2：在衬底上生长低温成核层，为后续生长材料提供成核中心；
步骤3：在低温成核层上生长一层非故意掺杂模板层；
步骤4：在非故意掺杂模板层上低温外延生长一层低碳杂质浓度的P型铝镓氮层，形成外延片；
步骤5：在氮气环境下，将外延片高温退火使P型铝镓氮层中受主激活，得到低电阻率P型铝镓氮材料。
上述方案中，步骤1中所述对衬底升温，是将衬底升温至1080℃；所述衬底10采用的材料为蓝宝石、碳化硅或氮化镓。
上述方案中，步骤2中所述在衬底上生长低温成核层，生长温度为500～600℃，低温成核层的厚度为20～30nm，低温成核层采用的材料为氮化镓或氮化铝。
上述方案中，步骤3中所述在低温成核层上生长一层非故意掺杂模板层，该非故意掺杂模板层作为下一步外延生长的模版，采用的材料为氮化镓或者铝镓氮，其生长温度为1040℃，厚度为2μm，该非故意掺杂模板层用于减少外延层位错密度。
上述方案中，步骤4中所述在非故意掺杂模板层上低温外延生长一层低碳杂质浓度的P型铝镓氮层，该低碳杂质浓度的P型铝镓氮层是以镁作为受主掺杂剂，其空穴浓度在1×1017cm-3～1×1018cm-3，其生长温度为900～1000℃。
上述方案中，所述低电阻率P型铝镓氮材料是通过降低P型铝镓氮材料中的非故意掺杂碳杂质浓度，降低受主补偿作用来实现低电阻率的，所含碳浓度低于3×1017cm-3。
上述方案中，所述降低P型铝镓氮材料中非故意掺杂碳杂质浓度是通过提高生长过程中氨气流量或者提高反应室压力或者降低三甲基镓流量来实现的，低的碳杂质浓度降低P型铝镓氮材料的受主补偿作用，从而降低P型铝镓氮材料的电阻率。
上述方案中，步骤5中所述高温退火，温度为500℃～850℃，退火时间在1min～30min。
上述方案中，该低电阻率P型铝镓氮材料是利用MOCVD设备，并用三甲基镓和氨气作为镓源和氮源，以氢气、氮气或氢气与氮气的混合气为载气生长的。
(三)有益效果
与以往的技术相比，本发明具有如下有益效果：
1、本发明提供的低电阻率P型铝镓氮材料的制备方法，通过更改生长条件，降低低温生长的P型铝镓氮材料中非故意掺杂的碳杂质的浓度，从而减轻了受主补偿作用，达到降低P型铝镓氮材料电阻率的目的。
2、利用本发明提供的低电阻率P型铝镓氮材料的制备方法制备的低温生长的P型铝镓氮材料，具有较低的电阻率。应用于蓝绿光发光二极管和激光器结构中，可以降低器件的串联电阻和开启电压，并可以有效的保护高铟组分铟镓氮量子阱结构，提高蓝绿光器件的发光强度。
附图说明
为了进一步说明本发明的内容，下面结合具体实例和附图，详细说明如后，其中：
图1是本发明提供的低电阻率P型铝镓氮材料的结构示意图。
图2是本发明提供的低电阻率P型铝镓氮材料的制备方法流程图；
图3是样品中非故意掺杂碳浓度与其电阻率的关系图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
图1示出了本发明提出的一种低电阻率P型铝镓氮材料的结构示意图。如图1所示，该低电阻率P型铝镓氮材料由下到上依次包括衬底10、低温成核层11、非故意掺杂模板层12和低温生长低碳杂质浓度的P型铝镓氮层13。其中：该衬底10为蓝宝石衬底或碳化硅衬底或氮化镓衬底。低温成核层11制作在衬底10上，其材料为氮化镓或氮化铝，生长温度为500～600℃，厚度为20～30nm，该低温成核层11为后续生长材料提供成核中心。非故意掺杂模板层12制作在低温成核层11上，其生长温度为1040℃，厚度为2μm，该非故意掺杂模板层12用于减少外延层位错密度。低温生长低碳杂质浓度的P型铝镓氮层13制作在非故意掺杂模板层12上，其是以镁作为受主掺杂剂，空穴浓度在1×1017cm-3～1×1018cm-3，生长温度为900～1000℃，所含碳浓度低于3×1017cm-3。
其中该低电阻率P型铝镓氮材料是利用MOCVD设备，并用三甲基镓和氨气作为镓源和氮源，以氢气、氮气或氮气与氢气的混合气为载气生长的；
基于图1所示的低电阻率P型铝镓氮材料，图2还示出了一种低电阻率P型铝镓氮材料的制备方法，该方法包括以下步骤：
步骤1：将一衬底10升温，在氢气环境下热处理，去除衬底表面的杂质。所述衬底的材料为蓝宝石、碳化硅或氮化镓，所述衬底升温的温度为1080℃；
步骤2：在衬底10上生长一层低温成核层11，该低温成核层生长温度为500～600℃，厚度为20～30nm，所述低温成核层11的材料为氮化镓或氮化铝，该低温成核层11为后续生长材料提供成核中心；
步骤3：在低温成核层11上生长一层非故意掺杂模板层12，所述非故意掺杂模板层12的材料为氮化镓或铝镓氮，该非故意掺杂模板层12的生长温度为1040℃，厚度为2μm，该非故意掺杂模板层12可以用于减少外延层位错密度，并作为下一步外延生长的模板；
步骤4：在非故意掺杂模板层12上低温外延生长一层低碳杂质浓度的P型铝镓氮层13，形成外延片。该低碳杂质浓度的P型铝镓氮层13中含碳浓度低于2×1017cm-3。所述低温生长P型铝镓氮层13是以镁作为受主掺杂剂，生长温度为900～1000℃，空穴浓度在1×1017～1×1018cm-3。所述低电阻率低温生长P型铝镓氮层13是通过降低非故意掺杂碳杂质浓度，降低受主补偿作用来实现低电阻率的。碳在P型材料中显施主特性，是有效的受主补偿中心。而用MOCVD方法生长氮化物，采用含碳的有机源作为前驱体，所以在生长过程中碳杂质并入氮化物材料是不可避免的，而且碳杂质的并入量随生长温度的降低明显增加，这样就会对受主产生严重补偿，造成低温生长的P型材料电阻率升高。本发明所述的降低低温P型铝镓氮材料中的非故意掺杂碳杂质浓度的是通过控制生长条件来实现的，主要的方法有提高氨气流量或提高反应室压力或降低三甲基镓流量。
本发明提供的制备方法，可以应用于氮化物发光二极管的铝镓氮电子阻挡层和氮化物激光器的的铝镓氮电子阻挡层及P型铝镓氮限制层的生长，蓝绿光发光二极管和激光器中的P型铝镓氮层采用本发明的制备方法，可以降低P型材料的电阻率，从而降低器件的串联电阻及开启电压，并可以有效的保护高铟组分铟镓氮量子阱结构，提高器件的发光强度。
步骤5：在氮气环境下，将外延片高温退火，使其P型铝镓氮层13中受主激活，所述高温退火的温度为500～850℃，退火时间为1～30min。该步骤目的在于使镁氢络合物分解，使外延生长过程中并入的氢杂质脱离铝镓氮层，实现受主激活；
其中该方法是利用MOCVD设备，并用三甲基镓和氨气作为镓源和氮源，以氢气、氮气或氢气和氮气的混合气为载气进行低电阻率低温P型铝镓氮材料的生长。
参阅图3，样品中的非故意掺杂的碳杂质浓度与电阻率的关系图。当非故意掺杂的碳浓度低于1×1017cm-3时，其电阻率低于3Ω·cm。说明运用本发明的方法，通过控制生长条件(提高氨气流量或提高反应室压力或降低三甲基镓流量)降低P型铝镓氮材料中非故意掺杂碳杂质的浓度，可以有效的降低受主补偿作用，从而降低低温生长的P型铝镓氮材料的电阻率。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (14)

1.一种低电阻率P型铝镓氮材料，其特征在于，该低电阻率P型铝镓氮材料包括： 
衬底； 
形成于该衬底之上的低温成核层； 
形成于该低温成核层之上的非故意掺杂模板层；以及 
形成于该非故意掺杂模板层之上的低温生长低碳杂质浓度的P型铝镓氮层。 
2.根据权利要求1所述的低电阻率P型铝镓氮材料，其特征在于，所述衬底为蓝宝石衬底、碳化硅衬底或氮化镓衬底。 
3.根据权利要求1所述的低电阻率P型铝镓氮材料，其特征在于，所述低温成核层采用的材料为氮化镓或者氮化铝，其生长温度为500-600℃，厚度为20～30nm，该低温成核层为后续生长材料提供成核中心。 
4.根据权利要求1所述的低电阻率P型铝镓氮材料，其特征在于，所述非故意掺杂模板层采用的材料为氮化镓或者铝镓氮，其生长温度为1040℃，厚度为2μm，该非故意掺杂模板层用于减少外延层位错密度。 
5.根据权利要求1所述的低电阻率P型铝镓氮材料，其特征在于，所述低温生长低碳杂质浓度的P型铝镓氮层，其是以镁作为受主掺杂剂，空穴浓度在1×1017cm-3～1×1018cm-3，生长温度为900-1000℃，所含碳浓度低于3×1017cm-3。 
6.一种权利要求1至5中任一项所述的低电阻率P型铝镓氮材料的制备方法，其特征在于，该方法包括： 
步骤1：对衬底升温，在氢气环境下热处理，去除衬底表面的杂质； 
步骤2：在衬底上生长低温成核层，为后续生长材料提供成核中心； 
步骤3：在低温成核层上生长一层非故意掺杂模板层； 
步骤4：在非故意掺杂模板层上低温外延生长一层低碳杂质浓度的P型铝镓氮层，形成外延片； 
步骤5：在氮气环境下，将外延片高温退火使P型铝镓氮层中受主激 活，得到低电阻率P型铝镓氮材料。 
7.根据权利要求6所述的低电阻率P型铝镓氮材料的制备方法，其特征在于，步骤1中所述对衬底升温，是将衬底升温至1080℃；所述衬底10采用的材料为蓝宝石、碳化硅或氮化镓。 
8.根据权利要求6所述的低电阻率P型铝镓氮材料的制备方法，其特征在于，步骤2中所述在衬底上生长低温成核层，生长温度为500-600℃，低温成核层的厚度为20～30nm，低温成核层采用的材料为氮化镓或氮化铝。 
9.根据权利要求6所述的低电阻率P型铝镓氮材料的制备方法，其特征在于，步骤3中所述在低温成核层上生长一层非故意掺杂模板层，该非故意掺杂模板层作为下一步外延生长的模版，采用的材料为氮化镓或铝镓氮，其生长温度为1040℃，厚度为2μm，该非故意掺杂模板层用于减少外延层位错密度。 
10.根据权利要求6所述的低电阻率P型铝镓氮材料的制备方法，其特征在于，步骤4中所述在非故意掺杂模板层上低温外延生长一层低碳杂质浓度的P型铝镓氮层，该低碳杂质浓度的P型铝镓氮层是以镁作为受主掺杂剂，其空穴浓度在1×1017cm-3～1×1018cm-3，其生长温度为900～1000℃。 
11.如权利要求6所述的低电阻率P型铝镓氮材料的制备方法，其特征在于，所述低电阻率P型铝镓氮材料是通过降低P型铝镓氮材料中的非故意掺杂碳杂质浓度，降低受主补偿作用来实现低电阻率的，所含碳浓度低于3×1017cm-3。 
12.根据权利要求11所述的低电阻率P型铝镓氮材料的制备方法，其特征在于，所述降低P型铝镓氮材料中非故意掺杂碳杂质浓度是通过提高生长过程中氨气流量或者提高反应室压力或者降低三甲基镓流量来实现的。 
13.根据权利要求6所述的低电阻率P型铝镓氮材料的制备方法，其特征在于，步骤5中所述高温退火，温度为500℃～850℃，退火时间在1min～30min。 
14.根据权利要求6所述的低电阻率P型铝镓氮材料的制备方法，其特征在于，该低电阻率P型铝镓氮材料是利用MOCVD设备，并用三甲基 镓和氨气作为镓源和氮源，以氢气、氮气或氢气与氮气的混合气为载气生长的。 
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