CN105513951B - 低电阻率p型氮化镓材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低电阻率P型氮化镓材料的制备方法，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具有一定氢杂质浓度的P型氮化镓层；在氮气环境下，高温退火使P型氮化镓层中受主激活，得到低电阻率P型氮化镓材料。本发明，通过用氢杂质与施主缺陷(如氮空位)形成络合物，钝化施主缺陷的方法减轻p型氮化镓材料中的受主补偿作用，达到降低P型氮化镓材料电阻率的目的。
Description
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型氮化镓材料及其制备方法。
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的有源区都采用比较高铟组分的多量子阱结构(一般铟组分要大于20％)。高铟组分铟镓氮在高温下不稳定，后续高温生长P型氮化镓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，必须采用较低的生长温度生长P型氮化镓层。然而低温生长的P型氮化镓层一般电阻率较高，空穴浓度偏低。到目前为止，这仍然是限制蓝绿光LED和LD发展的障碍。
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，Mg杂质的电离能高达150meV，室温下电离率只有1％左右，造成空穴浓度较低。并且Mg受主经常被氢原子钝化，形成中性的Mg-H络合物。另外一个是P型氮化镓材料中受主补偿作用严重，研究发现除高掺镁导致的自补偿外，缺陷导致的受主补偿也是非常重要的。
通常情况下，为了减低p型氮化镓材料的电阻率，会对外延片进行高温退火，目的是使Mg-H络合物分解，使Mg受主激活。然而我们最近研究发现，氢除了可以和Mg形成络合物外，还可能与常见的缺陷，例如氮空位结合。由于在GaN材料中缺陷密度非常高，而且氮空位在P型氮化镓中显施主特性，是有效的受主补偿中心，所以氮空位等缺陷的存在会造成P型氮化镓材料电阻率升高。
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型氮化镓材料的制备方法，通过用氢杂质钝化施主缺陷的方法以减轻p型氮化镓中受主补偿作用，达到降低P型氮化镓材料电阻率的目的。
(二)技术方案
根据本发明的一个方面，提出一种低电阻率P型氮化镓材料的制备方法，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具有氢杂质浓度的P型氮化镓层，形成外延片；步骤5：在氮气环境下，将外延片高温退火使P型氮化镓层中受主激活，同时防止氢与缺陷形成的络合物分解，得到低电阻率P型氮化镓材料。
根据本发明的另一方面，提出一种低电阻率P型氮化镓材料，该材料由下到上依次包括衬底、低温成核层、非故意掺杂模板层和低温生长具有氢杂质浓度的P型氮化镓层，其中，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具有氢杂质的P型氮化镓层，使氢杂质可以与施主缺陷形成络合物，钝化施主，在氮气环境下，将生长得到的外延片高温退火使P型氮化镓层中受主激活，同时防止氢与缺陷形成的络合物分解，得到低电阻率P型氮化镓材料。
(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型氮化镓材料的制备方法，通过用氢杂质钝化施主缺陷的方法减轻受主补偿作用，达到降低P型氮化镓材料电阻率的目的。2、利用本发明提供的P型氮化镓材料的制备方法制备的低温生长的P型氮化镓材料，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
图1是本发明提供的低电阻率P型氮化镓材料的结构示意图；
图2是本发明提供的低电阻率P型氮化镓材料的制备方法流程图。
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型氮化镓材料的结构示意图。如图1所示，该低电阻率P型氮化镓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和低温生长具有一定氢杂质浓度的P型氮化镓层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。低温生长的具有一定氢杂质浓度的P型氮化镓层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℃。
其中该低电阻率P型氮化镓材料是利用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型氮化镓材料，图2示出了一种低电阻率P型氮化镓材料的制备方法，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，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具有一定氢杂质浓度的P型氮化镓层13，形成外延片。所述低温生长P型氮化镓层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型氮化镓层13是通过用氢杂质钝化施主缺陷或施主杂质的方法来减轻受主补偿作用，达到降低P型氮化镓材料电阻率的目的。由于MOCVD生长是在含氢的环境下进行的，所以氢不可避免的会并入氮化镓外延片中。根据之前的报道，氢一般与MgGa受主结合，形成络合物，钝化Mg受主，使P型氮化镓的电阻率升高。而我们的研究发现，在P型氮化镓中并不是氢杂质的浓度越低电阻率越低，因为氢除了可以钝化Mg受主，也可以钝化施主缺陷。所以适当的调节氢的并入条件及后期退火时氢的脱附过程，使样品中的氢杂质尽可能多的与施主缺陷而不是Mg受主结合，可以起到降低P型氮化镓的电阻率的目的。
本发明提供的制备方法，可以应用于氮化物发光二极管和激光器的P型氮化镓层的生长。蓝绿光发光二极管和激光器中的P型氮化镓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型氮化镓层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与Mg受主结合的氢杂质脱离氮化镓层，实现受主激活。但尽量保证与缺陷结合形成的络合物不分解。这可以通过适当调节退火温度实现，因为Mg受主与氢形成的络合物和施主缺陷与氢形成的络合物的结合能不同；
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型氮化镓材料的生长。
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 (7)
1.一种低电阻率P型氮化镓材料的制备方法，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具有氢杂质浓度的P型氮化镓层，使氢杂质可以与施主缺陷形成络合物，钝化施主；
步骤5：在氮气环境下，将生长得到的外延片高温退火使P型氮化镓层中受主激活，而不能使氢与缺陷形成的络合物分解，从而得到低电阻率P型氮化镓材料；
其中，所述低电阻率P型氮化镓材料是通过用氢杂质与施主缺陷形成络合物，钝化施主缺陷的方法来减轻p型材料中的受主补偿作用来实现的；所述的用氢杂质与施主缺陷形成络合物，钝化施主缺陷是通过改变p-GaN生长过程中NH3及H2的流量或者外延片生长完降温过程中的NH3及H2的流量，或者改变退火条件来实现的。
2.根据权利要求1所述的低电阻率P型氮化镓材料的制备方法，其特征在于，步骤1中所述对衬底升温，是将衬底升温至1080℃；所述衬底采用的材料为蓝宝石、碳化硅或氮化镓。
3.根据权利要求1所述的低电阻率P型氮化镓材料的制备方法，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。
4.根据权利要求1所述的低电阻率P型氮化镓材料的制备方法，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，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型氮化镓材料的制备方法，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具有一定氢杂质浓度的P型氮化镓层，该具有一定氢杂质浓度的P型氮化镓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℃。
6.根据权利要求1所述的低电阻率P型氮化镓材料的制备方法，其特征在于，该低电阻率P型氮化镓材料是利用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。
7.一种低电阻率P型氮化镓材料，该材料由下到上依次包括衬底、低温成核层、非故意掺杂模板层和低温生长具有氢杂质浓度的P型氮化镓层，其中，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具有氢杂质浓度的P型氮化镓层，使氢杂质可以与施主缺陷形成络合物，钝化施主，在氮气环境下，将生长得到的外延片高温退火使P型氮化镓层中受主激活，同时防止氢与缺陷形成的络合物分解，得到低电阻率P型氮化镓材料。
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2015
- 2015-12-25 CN CN201510996216.2A patent/CN105513951B/zh active Active
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