CN108987256A - p型AlGaN半导体材料生长方法 - Google Patents

p型AlGaN半导体材料生长方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种p型AlGaN半导体材料的生长方法，所述半导体材料采用在表面活性剂辅助镁delta掺杂中加入“镓源通入”步骤的技术方法进行生长，在p型AlGaN半导体材料生长过程中使用氨气或二甲肼氮作为五族氮源,使用三甲基镓或三乙基镓作为三族镓源，使用三甲基铝或三乙基铝作为三族铝源,三甲基铟或三乙基铟作为三族铟源,统称为三族金属源,三甲基铟或三乙基铟也作为表面活性剂，在受主掺杂层中使用。采用本发明方法可改善结晶质量，提高受主掺杂镁原子的掺杂浓度，通过增强价带调制降低受主离化能，并进一步抑制自补偿效应，从而获得高晶体质量以及高空穴浓度的p型AlGaN半导体材料。

Description

p型AlGaN半导体材料生长方法
技术领域
本发明涉及p型AlGaN半导体材料的外延生长技术领域，尤其涉及一种采用表面活性剂辅助delta掺杂制备p型AlGaN半导体材料的方法。
背景技术
本发明是申请人在先申请并授权的名称为“一种p型GaN与AlGaN半导体材料的制备方法”、专利号为101210396995.9的发明专利基础上的改进发明。
三族氮化物(也称作GaN基材料)作为第三代半导体材料，具有禁带宽度大、直接带隙(光电转化效率高)、化学性能稳定、热导能力强以及击穿电压高等特点。基于该类半导体材料可以制作出高光电转换效率、高响应速度的光电子器件(如蓝绿光发光二极管、半导体激光器和紫外光电探测器)以及耐高温、耐高压、适用于大功率的电子器件(如高电子迁移率晶体管和大功率开关场效应晶体管等)。
随着最近三十年人们对三族氮化物材料和器件的不断研究，目前基于三族氮化物的发光器件已经实现了商用化并得到了广泛的应用。但是针对三族氮化物半导体仍有许多基础的材料问题没有很好地解决，而p型掺杂GaN基材料的电导控制就是其中之一。目前，p型宽禁带GaN和AlGaN半导体材料的低掺杂效率依然制约着器件应用的发展。镁作为当前普遍使用且掺杂效率较高的GaN基材料的受主掺杂元素，在材料中有较高的离化能(约为120至180meV)，因此p型GaN基材料的空穴浓度仍处于较低水平，一般在5×1017cm-3左右。若要获得更高的空穴浓度，则需要掺入更高浓度的镁原子；但是，随着镁原子掺入量的增大，外延层晶体质量大幅下降，补偿性缺陷和位错增多，从而导致镁原子掺杂的自补偿效应增强，阻碍空穴浓度的提高。另一方面，掺杂的镁原子受固溶度的限制，当镁的掺杂浓度达到高1019cm-3时，通常伴随着Mg-N络合物的产生，限制了替位镁原子的数量。
为了提高p型GaN和AlGaN的掺杂效率，研究者提出了许多方法，其中主要包括delta掺杂、超晶格结构掺杂以及受主-施主共掺杂等。所谓delta掺杂的生长方法(GaN:δ-Mg grown by MOVPE:Structural properties and t heir effect on the electronicand optical behavior，Journal of Cr ystal Growth，310，13–21，2008)是在断开三族源(如镓源、铝源)的同时通入受主掺杂镁源，使得受主掺杂镁原子在材料内部呈现类似delta函数的分布。这种通过在外延层限定区域内的掺杂方法可提高镁原子的掺杂量，同时也能对能带进行一定程度的调制，降低受主离化能。但是，该方法本身并没有针对外延层中的补偿性缺陷进行抑制，能带调制(受主离化能降低)效果也有限；超晶格结构掺杂的生长方法(Polarization-enhanced Mg doping of AlGaN/Ga N superlattices，APPLIED PHYSICSLETTERS，VOLUME 75，NUMBER 16，1999)，也即通过短周期交替生长不同禁带宽度的半导体材料，并对禁带较宽的材料外延层或两种材料的外延层进行掺杂。由于在两种材料的界面处将产生能带的断续，其导带和价带将产生同超晶格周期相同的周期性振荡。通过控制、调节价带界面带阶振荡的周期和振幅，可有效降低受主离化能、提高空穴浓度。该方法虽然可以很好地利用异质界面的能带弯曲形成的二维空穴气来获得更高的空穴浓度，但是超晶格掺杂并不能提高镁的掺杂浓度，也无法改善施主性补偿效应。此外，由于超晶格结构是由两种不同禁带宽度的半导体材料交替堆叠生长构成的，对光电子器件中载流子的输运、光发射或入射吸收都会有负面影响；采用受主-施主共掺杂的方法(High Doped p-Type GaNGrown by Alter native Co-Doping Technique，Mat.Res.Soc.Symp.Proc.Vol.719，2002)，虽然可以通过利用受主-施主之间的库伦作用来有效地降低受主掺杂镁原子的离化能，但该方法的生长窗口非常窄，实现难度大，也不利于大规模的生产和商业化应用。
综上所述，p型AlGaN/GaN基材料掺杂效率的改善和电导性的提高面临着降低离化能、提高镁掺杂浓度、抑制补偿性缺陷并兼顾外延生长的可行性等方面的问题。
发明内容
针对现有技术的缺点，本发明目的是提供一种基于表面活性剂辅助镁delta掺杂p型AlGaN方法的改进性掺杂技术，即通过对镁delta掺杂的界面的改善，进一步显著提高受主镁原子在delta掺杂界面前、后AlGaN层中的掺杂浓度，增大delta掺杂界面处的Al组分振荡(降低离化能并提高二维空穴气的浓度)，减少层中位错、提高结晶质量，从而提高镁掺杂效率、获得高空穴浓度与高电导性p型AlGaN半导体材料的生长方法。
为实现上述发明目的，本发明提供的技术方案为：一种p型AlGaN半导体材料生长方法，所述半导体材料在基体材料层上采用外延生长方法生长，由不少于一个相同的镁delta掺杂周期结构组成，在生长过程中，使用氨气或二甲肼氮作为五族氮源；使用三甲基镓或三乙基镓作为三族镓源，使用三甲基铝或三乙基铝作为三族铝源，使用三甲基铟或三乙基铟作为三族铟源,统称为三族金属源；三甲基铟或三乙基铟也作为表面活性剂，具体包括以下步骤：
(1)沉积非故意掺杂层：使用氢气、氮气或氢氮混合气体作为载流气体，保持五族氮源持续通入，通入三族镓源、三族铝源以及表面活性剂，沉积非故意掺杂层；在沉积该层时，通入三甲基铟或三乙基铟表面活性剂辅助沉积；
(2)吹扫：使用氢气、氮气或氢氮混合气体作为载流气体，保持五族氮源持续通入，断开三族镓源、三族铝源以及表面活性剂，吹扫已经生长的非故意掺杂层表面，使得表面已沉积的部分三族金属原子发生解吸附，为后续镁掺杂提供更多三族空位；
(3)掺杂：使用氢气、氮气或氢氮混合气体作为载流气体，保持五族氮源持续通入，保持三族镓源、三族铝源以及表面活性剂断开，通入二茂镁受主掺杂剂，使受主掺杂镁原子进入AlGaN半导体材料的晶格中；
(4)镓源通入：使用氢气、氮气或氢氮混合气体作为载流气体，保持二茂镁受主掺杂剂的持续通入，保持五族氮源、三族铝源以及表面活性剂断开，通入三族镓源，增强受主掺杂镁原子在AlGaN半导体材料的晶格中扩散，提高受主并入效率；同时，改善界面两侧AlGaN在界面处的组分变化，增强界面处的能带调制，降低受主激活能；
(5)循环以上四步骤，直至达到所要求生长厚度；
(6)将步骤(5)中达到所要求生长厚度的半导体材料在氮气环境下进行热退火，打断Mg-H键，激活受主掺杂镁原子，得到p型AlGaN半导体材料。
本发明的p型AlGaN半导体材料生长方法不限于某一类基体材料上生长，其适用范围广泛，其基体材料可以是异质衬底(如：蓝宝石，硅，砷化镓，铝酸锂，镓酸锂，碳化硅或氧化镁等)或同质衬底(三族氮化物，氮化镓，氮化铝等)，或者直接在AlGaN上面、n-AlGaN上面或者其他的半导体领域材料层都可以生长。
优选地，所述外延生长方法采用金属有机物化学气相沉积(MOCVD)方法。
优选地，采用表面活性剂辅助delta掺杂方法生长的P型AlGaN半导体材料，其厚度介于100nm到1000nm之间，其生长温度为800℃～1280℃。
优选地，所述步骤(2)中断开三族镓源、三族铝源以及表面活性剂的时间为15s-45s,所述步骤(3)中通入二茂镁受主掺杂剂的时间为12s-84s，所述步骤(4)中通入三族镓源的时间为3-20s。
优选地，所述步骤(5)中循环以上四步骤10-100周期。
优选地，所述步骤(6)中，退火温度为500℃～980℃，退火时间为30s～3000s。
与现有技术相比，本发明采用表面活性剂辅助delta掺杂生长p型AlGaN半导体材料的方法，具有以下有益效果：
⑴当三甲基铟或三乙基铟作为一种表面活性剂时，会有部分铟原子并入晶格。由于铟-氮键相比于镓-氮键、铝-氮键的键能要小很多，更易从表面解吸附，这种并入-解吸附的动态过程，相当于提高了动态V/III比，起到减少氮空位形成的作用，从而抑制受主掺杂镁原子自补偿效应，增大空穴浓度。
(2)使用三甲基铟或三乙基铟作为表面活性剂后，在delta掺杂工艺中的吹扫阶段，利用铟原子较易解吸附的特点，能够提供更多的晶格空位给受主掺杂镁原子填充，从而增大受主掺杂镁原子的掺入数量，增大受主掺杂镁原子的掺入效率。
(3)采用delta掺杂的工艺方法，降低了受主掺杂镁原子的离化能，使空穴浓度增大。同时，由于三族金属源和二茂镁受主掺杂剂是分开通入反应腔，这种分离的状态可使受主掺杂镁原子正确进入AlGaN半导体材料的晶格，也能起到减少氮空位等缺陷产生的作用，从而抑制受主掺杂镁原子自补偿效应，提高材料的晶体质量，增大空穴浓度；
(4)由于在delta掺杂工艺中的吹扫阶段断开了三族金属源，这一生长中断过程抑制了外延层位错的向上攀升，从而减少了外延层的位错密度，提高材料的晶体质量，减少补偿性缺陷，增大空穴浓度。
特别地，本发明的生长方法加入镓源通入的步骤，具有如下有益效果：
(1)采用在三甲基铟或三乙基铟表面活性剂辅助镁delta掺杂这一方法中，加入“镓源通入”的步骤，在delta掺杂面所进行的镓源补充，使得更多的镓原子并入到前一层，和后一层AlGaN层中，提高掺杂界面两侧AlGaN中的Ga组分，起到降低镁原子的替位形成能的作用，从而提高受主镁原子在上、下AlGaN层中的并入效率；此外，在通入镁源后通入镓源，可以增强镁原子在前一层AlGaN表面的滞留，提高其并入几率。使用该步骤方法后其受主掺杂镁原子的平均浓度从普通传统掺杂的1.1×1019cm-3提升到了1.6×1019cm-3以上，涨幅为40％以上，从三甲基铟或三乙基铟表面活性剂辅助镁delta掺杂的1.3×1019cm-3提升到了1.6×1019cm-3以上，涨幅为23％以上。
(2)采用在三甲基铟或三乙基铟表面活性剂辅助镁delta掺杂这一方法中，加入“镓源通入”的步骤，镓源的补充，使得Ga原子可以填补因吹扫、delta掺杂步骤所带来的前一层AlGaN表面的三族空位减少缺陷形成，改善了界面粗糙度，减少了其他施主性杂质的并入，同时也可使的Ga更多地并入到后一层生长的AlGaN层中，对delta掺杂界面前、后AlGaN层中的Al组分起到有效的调制作用，增大了Al组分的振荡范围，降低了受主掺杂镁热激活能，提高了受主离化效率，增大空穴浓度；同时，因delta掺杂界面处Al组分变化加剧，使得能带弯曲加大、二维空穴气的浓度提高,空穴浓度从普通传统掺杂的1.59×1018cm-3提升到了8.2×1018cm-3以上，提升了4倍以上，从铟表面活性剂辅助镁delta掺杂的4.75×1018cm-3提升到了8.2×1018cm-3以上，提升了1.7倍以上。
(3)采用在三甲基铟或三乙基铟表面活性剂辅助镁delta掺杂这一方法中，加入“镓源通入”的步骤，因Ga原子的表面迁移优于Al原子，而使AlGaN在沉积过程中的侧向生长得到增强，外延层受到更大的压应力，外延层向上延伸位错更易产生闭合，从而减少位错密度，提高材料的晶体质量。
(4)本发明的p型AlGaN半导体材料在基体材料上的外延生长方法不限于某一类基体材料，其适用范围广泛，其基体材料可以是异质衬底(如：蓝宝石，硅，砷化镓，铝酸锂，镓酸锂，碳化硅或氧化镁等)或同质衬底(三族氮化物，氮化镓，氮化铝等)，或者直接在AlGaN上面、n-AlGaN上面或者其他的半导体材料层上都可以生长。
综上所述，本发明可改善结晶质量，提高受主掺杂镁原子的掺杂浓度，降低受主离化能，并抑制其自补偿效应，从而获得良好晶体质量以及高空穴浓度的p型AlGaN半导体材料。而且这种外延生长方法不受限于衬底和模板，适用范围广泛；采用本发明提供的外延生长方法生长的p型AlGaN半导体材料其受主掺杂镁原子的平均浓度从普通传统掺杂的1.1×1019cm-3提升到了1.6×1019cm-3以上，涨幅为40％以上，从三甲基铟或三乙基铟表面活性剂辅助镁delta掺杂的1.3×1019cm-3提升到了1.6×1019cm-3以上，涨幅为23％以上；空穴浓度从普通传统掺杂的1.59×1018cm-3提升到了8.2×1018cm-3以上，提升了4倍以上，从铟表面活性剂辅助镁delta掺杂的4.75×1018cm-3提升到了8.2×1018cm-3以上，提升了1.7倍以上。
附图说明
图1为本发明的p型AlGaN半导体材料的生长流程示意图；
图2为本发明的p型AlGaN半导体材料的生长时序图；
图3为实施例1-2的p型AlGaN半导体材料的外延生长结构示意图。
具体实施方式
本发明公开的一种p型AlGaN半导体材料生长方法如图1和图2所示，所述半导体材料在基体材料层上采用外延生长方法生长，由不少于一个相同的镁delta掺杂周期结构组成，在生长过程中，使用氨气或二甲肼氮作为五族氮源；使用三甲基镓或三乙基镓作为三族镓源，使用三甲基铝或三乙基铝作为三族铝源,三甲基铟或三乙基铟作为三族铟源,统称为三族金属源；三甲基铟或三乙基铟也作为表面活性剂，具体包括以下步骤：
(1)沉积非故意掺杂层：使用氢气、氮气或氢氮混合气体作为载流气体，保持五族氮源持续通入，通入三族镓源、三族铝源以及表面活性剂，生长非故意掺杂层；在沉积该层时，通入三甲基铟或三乙基铟表面活性剂辅助沉积；
(2)吹扫：使用氢气、氮气或氢氮混合气体作为载流气体，保持五族氮源持续通入，断开三族镓源、三族铝源以及表面活性剂，吹扫已经生长的非故意掺杂层表面，使得表面已沉积的部分三族金属原子发生解吸附，为后续镁掺杂提供更多三族空位；
(3)掺杂：使用氢气、氮气或氢氮混合气体作为载流气体，保持五族氮源持续通入，保持三族镓源、三族铝源以及表面活性剂断开，通入二茂镁受主掺杂剂，使受主掺杂镁原子进入AlGaN半导体材料的晶格中；
(4)镓源通入：使用氢气、氮气或氢氮混合气体作为载流气体，保持二茂镁受主掺杂剂的持续通入，保持五族氮源、三族铝源以及表面活性剂断开，通入三族镓源，增强受主掺杂镁原子在AlGaN半导体材料的晶格中扩散，提高受主并入效率；同时，改善界面两侧AlGaN在界面处的组分变化，增强界面处的能带调制，降低受主激活能；
(5)循环以上四步骤，直至达到所要求生长厚度；
(6)将步骤(5)中达到所要求生长厚度的半导体材料在氮气环境下进行热退火，打断Mg-H键，激活受主掺杂镁原子，得到本发明的p型AlGaN半导体材料。
下面将通过具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1：
如图3所示，本发明的p型AlGaN半导体材料的外延生长结构包括衬底101、缓冲层或过渡层102、非故意掺杂层103以及受主掺杂层(p型AlGaN半导体材料层)104。所述衬底101是采用蓝宝石衬底，在衬底101上采用金属有机物化学气相沉积(MOCVD)外延生长方法生长出缓冲层102、在缓冲层上采用采用金属有机物化学气相沉积(MOCVD)外延生长方法生长出非故意掺杂AlGaN层103以及在非故意掺杂AlGaN层103上采用金属有机物化学气相沉积(MOCVD)外延生长方法生长出p型AlGaN半导体材料层104。
在本实施案例的生长过程中，使用氨气作为五族氮源；使用三甲基镓作为三族镓源，使用三甲基铝作为三族铝源；三甲基铟作为表面活性剂，在生长p型AlGaN半导体材料层104中使用。实现上述结构具体包含以下四个步骤：
(1)将衬底101置于反应腔内，在衬底101上采用金属有机物化学气相沉积(MOCVD)外延生长方法生长图3所示的外延结构。
(2)缓冲层102为高温生长的非故意掺杂AlN材料，其厚度为300nm。使用氢气作为载流气体，向反应腔内同时通入三族铝源以及五族氮源生长缓冲层102，其生长温度为1160℃。
(3)非故意掺杂AlGaN层103为高温生长的非故意掺杂AlGaN材料，其厚度为500nm。使用氢气作为载流气体，向反应腔内同时通入三族镓源、三族铝源以及五族氮源生长非故意掺杂AlGaN层103，其生长温度为1160℃。
(4)p型AlGaN半导体材料层104为采用表面活性剂辅助delta掺杂方法生长的p型AlGaN半导体材料，其厚度为500nm，其生长温度为1080℃。所述p型AlGaN半导体材料材料由不少于一个相同的镁delta掺杂周期结构组成，其生长方法具体包含以下六个步骤：
沉积非故意掺杂AlGaN层：使用氢气作为载流气体，保持五族氮源持续通入，通入三族镓源、三族铝源以及三甲基铟表面活性剂，沉积非故意掺杂AlGaN层；
吹扫：使用氢气作为载流气体，保持五族氮源持续通入，断开三族镓源、三族铝源以及表面活性剂30s，吹扫已经生长的非故意掺杂AlGaN层表面，使得表面已沉积的部分三族金属Al、Ga和In原子发生解吸附；
掺杂：使用氢气作为载流气体，保持五族氮源持续通入，保持三族镓源、三族铝源以及表面活性剂断开，通入二茂镁受主掺杂剂48s，使得受主镁原子进入AlGaN的晶格中；
镓源通入：使用氢气作为载流气体，保持二茂镁受主掺杂剂的持续通入，保持五族氮源、三族铝源以及表面活性剂断开，通入三族镓源8s，增强受主掺杂镁原子在AlGaN半导体材料的晶格中扩散，提高受主并入效率；同时，改善界面两侧AlGaN在界面处的组分变化，增强界面处的能带调制，降低受主激活能；
循环以上四步骤，直至达到所要求的生长厚度；
将达到所要求生长厚度的半导体材料在氮气环境下进行热退火，打断Mg-H键，激活受主掺杂镁原子，退火温度为650℃，退火时间为1500s，得到p型AlGaN半导体材料。
实施例2：
如图3所示，本发明的p型AlGaN半导体材料的外延生长结构包括衬底101、缓冲层或过渡层102、非故意掺杂层103以及受主掺杂层(p型AlGaN半导体材料层)104。所述衬底101采用碳化硅衬底，在衬底101上采用金属有机物化学气相沉积(MOCVD)外延生长方法依次生长出缓冲层102、在缓冲层上采用采用金属有机物化学气相沉积(MOCVD)外延生长方法生长出非故意掺杂AlGaN层103以及在非故意掺杂AlGaN层103上采用金属有机物化学气相沉积(MOCVD)外延生长方法生长出p型AlGaN半导体材料层104。
在本实施案例的生长过程中，使用二甲肼氮作为五族氮源；使用三乙基镓作为三族镓源，使用三乙基铝作为三族铝源；三乙基铟作为表面活性剂，在p型AlGaN半导体材料层中使用。实现该结构具体包含以下六个步骤：
(1)将衬底101置于反应腔内，在衬底101上采用金属有机物化学气相沉积(MOCVD)外延生长方法生长图3所示的外延结构。
(2)缓冲层102为高温生长的非故意掺杂AlN材料，其厚度为500nm。使用氢气作为载流气体，向反应腔内同时通入三族铝源以及五族氮源生长缓冲层102，其生长温度为1180℃。
(3)非故意掺杂AlGaN层103为高温生长的非故意掺杂AlGaN材料，其厚度为500nm。使用氢气作为载流气体，向反应腔内同时通入三族镓源、三族铝源以及五族氮源生长非故意掺杂AlGaN层103，其生长温度为1180℃。
(4)p型AlGaN半导体材料层为采用表面活性剂辅助delta掺杂方法生长的p型AlGaN半导体材料，其厚度为800nm，其生长温度为1000℃。该生长方法具体包含以下六个步骤：
沉积非故意掺杂AlGaN层：使用氮气作为载流气体，保持五族氮源持续通入，通入三族镓源、三族铝源以及三乙基铟表面活性剂，沉积非故意掺杂AlGaN层；
吹扫：使用氮气作为载流气体，保持五族氮源持续通入，断开三族镓源、三族铝源以及表面活性剂35s，吹扫已经生长的非故意掺杂AlGaN层表面，使得表面已沉积的部分三族金属Al、Ga和In原子发生解吸附；
掺杂：使用氮气作为载流气体，保持五族氮源持续通入，保持三族镓源、三族铝源以及表面活性剂断开，通入二茂镁受主掺杂剂48s，使得受主镁原子进入AlGaN的晶格中；
镓源通入：使用氮气作为载流气体，保持二茂镁受主掺杂剂的持续通入，保持五族氮源、三族铝源以及表面活性剂断开，通入三族镓源10s，增强受主掺杂镁原子在AlGaN半导体材料的晶格中扩散，提高受主并入效率；同时，改善界面两侧AlGaN在界面处的组分变化，增强界面处的能带调制，降低受主激活能；
循环以上四步骤，直至达到所要求的生长厚度；
将达到所要求厚度的半导体材料在氮气环境下进行热退火，打断Mg-H键，激活受主掺杂镁原子，退火温度为550℃，退火时间为1500s，得到p型AlGaN半导体材料。
实施例3：
本实施例的p型AlGaN半导体材料在AlN材料衬底层上生长，其厚度为500nm，其生长温度为900℃，在本实施案例的生长过程中，使用氨气作为五族氮源；使用三甲基镓作为三族镓源，使用三甲基铝作为三族铝源；三甲基铟作为表面活性剂，具体包括如下步骤：
沉积非故意掺杂AlGaN层：使用氢气作为载流气体，保持五族氮源持续通入，通入三族镓源、三族铝源以及三乙基铟表面活性剂，沉积非故意掺杂AlGaN层；
吹扫：使用氢气作为载流气体，保持五族氮源持续通入，断开三族镓源、三族铝源以及表面活性剂40s，吹扫已经生长的非故意掺杂AlGaN层表面，使得表面已沉积的部分三族金属Al、Ga和In原子发生解吸附；
掺杂：使用氢气作为载流气体，保持五族氮源持续通入，保持三族镓源、三族铝源以及表面活性剂断开，通入二茂镁受主掺杂剂60s，使得受主镁原子进入AlGaN的晶格中；
镓源通入：使用氢气作为载流气体，保持二茂镁受主掺杂剂的持续通入，保持五族氮源、三族铝源以及表面活性剂断开，通入三族镓源8s，增强受主掺杂镁原子在AlGaN半导体材料的晶格中扩散，提高受主并入效率；同时，改善界面两侧AlGaN在界面处的组分变化，增强界面处的能带调制，降低受主激活能；
循环以上四步骤，直至达到所要求的生长厚度；
将达到所要求生长厚度的半导体材料在氮气环境下进行热退火，打断Mg-H键，激活受主掺杂镁原子，退火温度为550℃，退火时间为1500s，得到本实施例的p型AlGaN半导体材料。
对实施例1-3得到的p型AlGaN半导体材料进行测试，其中实施例1中p型AlGaN半导体材料铝组分含量为42％，受主掺杂镁原子的平均浓度为1.6×1019cm-3，空穴浓度为8.2×1018cm-3，实施例2中p型AlGaN半导体材料铝组分含量为46％,受主掺杂镁原子的平均浓度为1.8×1019cm-3，空穴浓度为8.6×1018cm-3,实施例3中p型AlGaN半导体材料铝组分含量为49％，受主掺杂镁原子的平均浓度为2.0×1019cm-3，空穴浓度为8.9×1018cm-3。
由上可见，本发明的生长方法可改善p型AlGaN半导体材料结晶质量，提高受主掺杂镁原子的掺杂浓度，降低受主离化能，并抑制其自补偿效应，从而获得良好晶体质量以及高空穴浓度的p型AlGaN半导体材料。而且这种外延生长方法不受限于衬底和模板，适用范围广泛；采用本发明提供的外延生长方法生长的p型AlGaN半导体材料，其受主掺杂镁原子的平均浓度从普通传统掺杂的1.1×1019cm-3提升到了1.6×1019cm-3以上，涨幅为40％以上，从三甲基铟或三乙基铟表面活性剂辅助镁delta掺杂的1.3×1019cm-3提升到了1.6×1019cm-3以上，涨幅为23％以上；空穴浓度从普通传统掺杂的1.59×1018cm-3提升到了8.2×1018cm-3以上，提升了4倍以上，从铟表面活性剂辅助镁delta掺杂的4.75×1018cm-3提升到了8.2×1018cm-3以上，提升了1.7倍以上，特别是对铝组分含量大于40％的p型AlGaN半导体材料，同样具备以上的技术效果，得到性能优异的半导体材料。
综上所述，以上仅是本发明较佳实施例而已，并非对本发明的技术范围作任何限制，故凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (6)

1.一种p型AlGaN半导体材料生长方法，其特征在于，所述半导体材料在基体材料层上采用外延生长方法生长，由不少于一个相同的镁delta掺杂周期结构组成，在生长过程中，使用氨气或二甲肼氮作为五族氮源,使用三甲基镓或三乙基镓作为三族镓源，使用三甲基铝或三乙基铝作为三族铝源,使用三甲基铟或三乙基铟作为三族铟源,统称为三族金属源；三甲基铟或三乙基铟也作为表面活性剂，具体包括以下步骤：
(1)沉积非故意掺杂层：使用氢气、氮气或氢氮混合气体作为载流气体，保持五族氮源持续通入，通入三族镓源、三族铝源以及表面活性剂，沉积非故意掺杂AlGaN层；在沉积该层时，通入三甲基铟或三乙基铟表面活性剂辅助沉积；
(2)吹扫：使用氢气、氮气或氢氮混合气体作为载流气体，保持五族氮源持续通入，断开三族镓源、三族铝源以及表面活性剂，吹扫已经生长的非故意掺杂AlGaN层表面，使得表面已沉积的部分三族金属原子发生解吸附；
(3)掺杂：使用氢气、氮气或氢氮混合气体作为载流气体，保持五族氮源持续通入，保持三族镓源、三族铝源以及表面活性剂断开，通入二茂镁受主掺杂剂，使受主掺杂镁原子进入AlGaN半导体材料的晶格中；
(4)镓源通入：使用氢气、氮气或氢氮混合气体作为载流气体，保持二茂镁受主掺杂剂的持续通入，保持五族氮源、三族铝源以及表面活性剂断开，通入三族镓源，增强受主掺杂镁原子在AlGaN半导体材料的晶格中扩散；
(5)循环以上四步骤，直至达到所要求生长厚度；
(6)将步骤(5)中达到所要求生长厚度的半导体材料在氮气环境下进行热退火，打断Mg-H键，激活受主掺杂镁原子，得到p型AlGaN半导体材料。
2.根据权利要求1所述的p型AlGaN半导体材料生长方法，其特征在于：所述外延生长方法采用金属有机物化学气相沉积方法。
3.根据权利要求1所述的p型AlGaN半导体材料生长方法，其特征在于：所述P型AlGaN半导体材料厚度介于100nm到1000nm之间，生长温度为800℃～1280℃。
4.根据权利要求1所述的p型AlGaN半导体材料生长方法，其特征在于：所述步骤(2)中断开三族镓源、三族铝源以及表面活性剂的时间为15s-45s,所述步骤(3)中通入二茂镁受主掺杂剂的时间为12s-84s，所述步骤(4)中通入三族镓源的时间为3-20s。
5.根据权利要求1所述的p型AlGaN半导体材料生长方法，其特征在于：所述步骤(5)中循环以上四步骤10-100周期。
6.根据权利要求1所述的p型AlGaN半导体材料生长方法，其特征在于：所述步骤(6)中，退火温度为500℃～980℃，退火时间为30s～3000s。
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Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110611003A (zh) * 2019-08-16 2019-12-24 中山大学 一种n型AlGaN半导体材料及其外延制备方法
CN111293037A (zh) * 2020-02-17 2020-06-16 启迪新材料(芜湖)有限公司 一种P型SiC外延及其生长方法
CN112466999A (zh) * 2020-10-29 2021-03-09 华灿光电（浙江）有限公司 发光二极管的外延片及其制造方法
CN112768570A (zh) * 2020-12-31 2021-05-07 华灿光电（浙江）有限公司 氮化镓基发光二极管外延片的制造方法
CN114203327A (zh) * 2021-12-13 2022-03-18 中国核动力研究设计院 一种p-i-n结及制备方法、二极管和β核电池
CN114724927A (zh) * 2022-06-01 2022-07-08 江苏第三代半导体研究院有限公司 P型iii族氮化物外延结构、制备方法及半导体器件

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101661878A (zh) * 2009-09-08 2010-03-03 中山大学 一种双元素delta掺杂生长P型GaN基材料的方法
CN101728250A (zh) * 2008-10-21 2010-06-09 北京大学 一种生长p型AlGaN的方法
CN101740360A (zh) * 2009-12-02 2010-06-16 中国科学院半导体研究所 一种提高镁在ⅲ-ⅴ族氮化物中掺杂效率的方法
US20110111578A1 (en) * 2008-10-07 2011-05-12 Sumitomo Electric Industries, Ltd. METHOD OF FORMING p-TYPE GALLIUM NITRIDE BASED SEMICONDUCTOR, METHOD OF FORMING NITRIDE SEMICONDUCTOR DEVICE, AND METHOD OF FORMING EPITAXIAL WAFER
CN102903615A (zh) * 2012-10-18 2013-01-30 中山大学 一种p型GaN与AlGaN半导体材料的制备方法
CN103367594A (zh) * 2013-07-26 2013-10-23 东南大学 一种发光二极管及其制备方法
JP2015005534A (ja) * 2013-06-18 2015-01-08 学校法人立命館 縦型発光ダイオードおよび結晶成長方法
US20150024531A1 (en) * 2011-09-29 2015-01-22 Manutius Ip Inc. P-type doping layers for use with light emitting devices
CN105098001A (zh) * 2014-05-20 2015-11-25 首尔伟傲世有限公司 发光设备及其制造方法

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20110111578A1 (en) * 2008-10-07 2011-05-12 Sumitomo Electric Industries, Ltd. METHOD OF FORMING p-TYPE GALLIUM NITRIDE BASED SEMICONDUCTOR, METHOD OF FORMING NITRIDE SEMICONDUCTOR DEVICE, AND METHOD OF FORMING EPITAXIAL WAFER
CN101728250A (zh) * 2008-10-21 2010-06-09 北京大学 一种生长p型AlGaN的方法
CN101661878A (zh) * 2009-09-08 2010-03-03 中山大学 一种双元素delta掺杂生长P型GaN基材料的方法
CN101740360A (zh) * 2009-12-02 2010-06-16 中国科学院半导体研究所 一种提高镁在ⅲ-ⅴ族氮化物中掺杂效率的方法
US20150024531A1 (en) * 2011-09-29 2015-01-22 Manutius Ip Inc. P-type doping layers for use with light emitting devices
CN102903615A (zh) * 2012-10-18 2013-01-30 中山大学 一种p型GaN与AlGaN半导体材料的制备方法
JP2015005534A (ja) * 2013-06-18 2015-01-08 学校法人立命館 縦型発光ダイオードおよび結晶成長方法
CN103367594A (zh) * 2013-07-26 2013-10-23 东南大学 一种发光二极管及其制备方法
CN105098001A (zh) * 2014-05-20 2015-11-25 首尔伟傲世有限公司 发光设备及其制造方法

Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110611003A (zh) * 2019-08-16 2019-12-24 中山大学 一种n型AlGaN半导体材料及其外延制备方法
CN110611003B (zh) * 2019-08-16 2022-04-08 中山大学 一种n型AlGaN半导体材料及其外延制备方法
CN111293037A (zh) * 2020-02-17 2020-06-16 启迪新材料(芜湖)有限公司 一种P型SiC外延及其生长方法
CN111293037B (zh) * 2020-02-17 2023-05-09 启迪微电子(芜湖)有限公司 一种P型SiC外延及其生长方法
CN112466999A (zh) * 2020-10-29 2021-03-09 华灿光电（浙江）有限公司 发光二极管的外延片及其制造方法
CN112768570A (zh) * 2020-12-31 2021-05-07 华灿光电（浙江）有限公司 氮化镓基发光二极管外延片的制造方法
CN114203327A (zh) * 2021-12-13 2022-03-18 中国核动力研究设计院 一种p-i-n结及制备方法、二极管和β核电池
CN114724927A (zh) * 2022-06-01 2022-07-08 江苏第三代半导体研究院有限公司 P型iii族氮化物外延结构、制备方法及半导体器件
CN114724927B (zh) * 2022-06-01 2022-09-23 江苏第三代半导体研究院有限公司 P型iii族氮化物外延结构、制备方法及半导体器件

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