CN109166910B - 一种p型AlGaN半导体材料及其外延制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种p型AlGaN半导体材料及其外延制备方法，通过周期性地分别通断III族金属Al源和Ga源，形成由数个AlN单原子层和数个GaN单原子层周期性交替叠层构成的结构，形成AlGaN数字合金；在通Ga源的同时通入受主掺杂源，提高掺杂原子的并入效率；通过周期性地改变AlN和GaN周期叠层中AlN、GaN的厚度比例，调控AlGaN数字合金中的等效Al组分，形成能带调制、降低受主离化能。其有益效果该在于：所述p型AlGaN半导体材料采用AlGaN数字合金、受主原子调制掺杂、AlGaN等效Al组分周期性调制技术制备而成，该方法可有效提高Mg的掺杂效率并增大纵向电导，从而获得高质量的p型AlGaN半导体材料。

Description

一种p型AlGaN半导体材料及其外延制备方法

技术领域

本发明涉及化合物半导体材料AlGaN领域，具体涉及一种p型AlGaN半导体材料及其外延制备方法。

背景技术

AlGaN半导体材料具有直接带隙且带隙可调范围广（208 nm – 365 nm），物理和化学性质稳定，抗辐射、导热能力强等特点，在发光器件（如发光二极管LED和激光二极管LD等），光探测器件（如雪崩光电二极管APD，异质结光电晶体管HPT，雪崩光电晶体管APT等）和功率电子器件（如金属-氧化物半导体场效应晶体管MOSFET、高电子迁移率晶体管HEMT等）领域具有重要应用。

然而，受限于AlGaN的外延结晶质量和p型掺杂效率，目前AlGaN基器件特别是AlGaN基光电子器件的性能都远没有达到应有的水平。一方面，由于异质外延中晶格和热失配的影响，AlGaN外延层中存在高位错密度，而位错不仅作为漏电通道会导致高的暗电流，而且作为非辐射复合中心会降低发光效率或者捕获光生载流子、降低量子效率；另一方面，低的p型掺杂效率直接导致无法获得高的空穴浓度，劣化p型层的电导特性，从而增加能量损耗，同时也会影响PN势垒、耗尽区电场分布等，对光电二极管的结构设计和改善带来不利。

对于AlGaN这种宽禁带半导体材料，影响其p型掺杂效率的因素主要有三点，即受主杂质的固溶度低、受主杂质离化能高、存在较强的施主自补偿效应。这三个因素也使得的目前p型AlGaN材料的电学性质不够理想。为了提高p型AlGaN材料的掺杂效率，研究者们提出了多种方法，主要包括超晶格掺杂，受主-施主杂质共掺杂，delta掺杂，In表面活性剂辅助Mg杂质delta掺杂等。这些方法虽然能够通过改善三个主要影响因素中的一个到三个来提高p型AlGaN材料的掺杂效率，但同时却又会引入其它衍生问题，比如超晶格掺杂或超晶格结合delta掺杂会比较显著地改善p型AlGaN的掺杂效率、提高水平方向的导电性，但却会影响纵向导电性，即阻碍载流子的纵向输运；受主-施主杂质共掺杂方法，其不仅生长窗口狭窄不易实现，而且对受主激活能的调控不显著，因而对电导特性的改善有限。

发明内容

为克服现有的技术缺陷，本发明提供了一种p型AlGaN半导体材料，能保证高的受主杂质并入效率的同时，降低受主激活能，改善p型AlGaN外延层的纵向电导。

本发明的另一目的在于提供所述一种p型AlGaN半导体材料的外延制备方法，利用所述外延制备方法，能保证高的受主杂质并入效率，降低受主激活能，改善p型AlGaN外延层的纵向电导。

为达到本发明的目的，采用以下技术方案予以实现：

一种p型AlGaN半导体材料，包括p型AlGaN外延层，所述p型AlGaN外延层由若干个AlN和GaN周期性交替叠层组成，AlN和GaN周期性交替叠层形成具有等效Al组分的AlGaN层，并且AlGaN层的等效Al组分呈周期性变化，每个周期内可不分先后的包含以下两个部分：

（1）由AlN和GaN周期性交替叠层构成的结构，其等效Al组分较低；

（2）由AlN和GaN周期性交替叠层构成的结构，其等效Al组分较高；

其中，GaN层为p型掺杂层。

具体的，本发明中，每个周期包含等效Al组分较低的部分和等效Al组分较高的部分，其中，等效Al组分的高低是同一周期内两个等效Al组分相对而言，若两个等效Al组分相同，就没有等效Al组分较高部分。

本发明采用AlN和GaN周期性交替叠层、GaN层受主掺杂和等效Al组分周期调制技术外延生长p型AlGaN半导体材料，可保证高的受主杂质并入效率，降低受主激活能，改善纵向电导，原因在于：（1）相对于AlN，受主杂质原子更容易替代GaN层中的Ga，从而提高受主原子替位晶格原子的效率，保证高的受主杂质原子并入效率；（2）采用等效Al组分周期调制结构使得价带周期性振荡，结合AlGaN材料中的极化效应，可使能带弯曲，降低受主杂质的离化能，提高激活效率，降低受主激活能；（3）采用AlN/GaN周期叠层，数字合金形成AlGaN，可以减少合金无序散射、偶极子散射，提高空穴迁移率，增强p型AlGaN半导体材料的电导；（4）采用周期能带振荡调控，空穴隧穿几率高，可改善p型AlGaN外延层的纵向电导。

进一步的，p型掺杂杂质为Mg、Zn、Be、C中的一种元素原子。

进一步的，AlGaN层的等效Al组分可调节。具体的，AlGaN层的等效Al组分呈周期性变化，包括等效Al组分较高部分和等效Al组分较低的部分，无论是等效Al组分较高部分还是等效Al组分较低部分，其等效Al组分都是由其对应的周期性叠层中GaN和AlN的厚度比例决定，通过调节其厚度比例可使得等效Al组分覆盖整个Al_xGa_1-xN范围，其中x的范围为: 0~100%。

进一步的， AlN和GaN周期性交替叠层的单个周期内AlN和GaN的厚度为0.5 nm ~5 nm。具体的，也就是AlN和/或GaN的最小交替单元均为为2 ~ 20个原子层。

进一步的，AlGaN层中等效 Al组分较低部分的总厚度大于等效Al组分较高部分的总厚度。具体的，单个周期内的AlGaN层，等效Al组分较低部分的总厚度为1 nm ~ 30 nm，等效Al组分较高部分的总厚度为0 nm ~ 10 nm，且等效 Al组分较低部分的总厚度大于等效Al组分较高的部分的总厚度。

进一步的，AlGaN层中等效Al组分较低部分与等效Al组分较高部分之间，可以是等效Al组分突变的结构，也可以是等效Al组分渐变的结构。具体的，突变包括一步突变和多步台阶式突变，而渐变包括线性渐变和非线性渐变。

一种p型AlGaN半导体材料的制备方法，AlN和GaN周期性交替叠层由分别关闭Ga源和关闭Al源而实现。

进一步的，GaN的p型掺杂可以通过同时开启Ga源、N源和受主掺杂源来实现，也可通过先开启Ga源和N源生长GaN层，再关闭Ga源、通受主掺杂源，然后再关闭受主掺杂源开启Al源生长AlN层来实现。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明提供的一种p型AlGaN半导体材料的外延制备方法，通过周期性地分别通断III族金属Al源和Ga源，形成由数个AlN单原子层和数个GaN单原子层周期性交替叠层构成的结构，形成AlGaN数字合金；在通Ga源的同时通入受主掺杂源，提高掺杂原子的并入效率；通过周期性地改变AlN和GaN周期叠层中AlN、GaN的厚度比例，调控AlGaN数字合金中的等效Al组分，形成能带调制、降低受主离化能。所述p型AlGaN半导体材料采用AlGaN数字合金、受主原子调制掺杂、AlGaN等效Al组分周期性调制技术制备而成，该方法可有效提高Mg的掺杂效率并增大纵向电导，此外，这种外延制备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制备方法生长的p型AlGaN半导体材料，具有较高的p型掺杂效率和优良的电导。

附图说明

图1为本发明实施例1中制备p型AlGaN半导体材料的外延结构示意图。

图2为本发明实施例1中制备p型AlGaN半导体材料的单个等效Al组分调制周期的生长时序示意图。

图3为本发明实施例1中制备的p型AlGaN半导体材料的具体结构示意图。

图4为本发明实施例2中制备的p型AlGaN半导体材料的具体结构示意图。

图5为本发明实施例3中制备的p型AlGaN半导体材料的外延结构示意图。

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，下面结合附图对本发明实施方式作进一步详细地说明。

实施例1

如图1所示，本实施例提供了一种p型AlGaN半导体材料，包括衬底101和由下往上生长在衬底101上的成核层102、缓冲层103以及p型AlGaN外延层104，所述p型AlGaN外延层104由AlN和GaN周期性交替叠层组成，AlN和GaN周期性交替叠层形成具有等效Al组分的AlGaN层，并且AlGaN层的等效Al组分呈周期性变化，每个周期内可不分先后的包含以下两个部分：

（1）由AlN和GaN周期性交替叠层构成的结构，具体的，等效Al组分的值为50%；

（2）由AlN和GaN周期性交替叠层构成的结构，具体的，等效Al组分的值为75%。

其中，GaN为p型掺杂层。

具体的，所述AlGaN层中等效Al组分较低部分与等效Al组分较高部分之间，为等效Al组分突变的结构，等效Al组分较低部分与等效Al组分较高部分直接相邻，较低部分的等效Al组分值为50%；较高部分的等效Al组分值为75%。

进一步的，GaN的p型掺杂杂质为Mg杂质。其p型掺杂通过同时开启Ga源、N源和受主掺杂源来实现。

进一步的，等效Al组分较低的AlGaN层包含8个交替叠层周期，每个周期内，AlN和GaN的厚度均为1 nm，即，4个原子层；等效Al组分较高部分包含2个交替叠层周期，每个周期内，AlN的厚度为1.5 nm，即，6个原子层，GaN的厚度为0.5 nm，即，2个原子层。

进一步的，所述p型AlGaN外延层104的总厚度为400 nm。具体的，单个等效Al组分较低部分的厚度为16 nm，单个等效Al组分较高部分的厚度为4 nm，所述p型AlGaN外延层采用等效Al组分周期调制技术生长，每个调制周期包含一个等效Al组分较高部分和一个等效Al组分较低部分，总厚度为20 nm，一共有20个调制周期，那么，p型AlGaN外延层104的总厚度为400 nm。

进一步的，所述衬底101的材料为c面蓝宝石衬底；

进一步的，所述成核层102的材料为AlN材料；

进一步的，所述缓冲层103的材料为AlN材料；

所述p型AlGaN半导体材料的外延制备方法，具体包括以下步骤：

步骤1：选用c面蓝宝石作为衬底，并将衬底置于1090℃ 的H₂环境中刻蚀表面氧化物或污渍10分钟，然后在NH₃环境氮化；

步骤2：外延生长AlN成核层102，生长前先将生长温度降低到780℃，然后在高V/III条件下外延生长30 nm的低温AlN成核层；

步骤3：外延生长AlN缓冲层103，生长前先将生长温度升高至1090℃，然后在低V/III条件下生长400 nm非故意掺杂的AlN材料，其中，AlN材料采用周期脉冲NH₃生长，这样以便促进Al原子迁移，提高其结晶质量；

步骤4：生长p型AlGaN外延层104，在生长过程中，只改变III族源和杂质Mg源的通断以及通入时间，不改变载气、生长温度、压强、流量等参数，V族N源在生长过程中持续通入腔体，生长由AlN和GaN周期性交替叠层组成的具有等效Al组分的AlGaN层，其中，等效Al组分调制周期内的生长时序图如图2所示，每个调制周期内可不分先后的包含以下两个部分：

（1）由AlN和GaN周期性交替叠层构成的结构，其等效Al组分为50%，叠层结构中单个周期内AlN的厚度为1 nm，GaN的厚度为1 nm，共有8个叠层周期；

（2）由AlN和GaN周期性交替叠层构成的结构，其等效Al组为75%，叠层结构中单个周期内AlN的厚度为1.5 nm，GaN的厚度为0.5 nm，共有2个叠层周期；

其中，GaN为p型掺杂层，单个调制周期内AlGaN层的厚度为20 nm。

步骤5：重复步骤4，次数为20次，外延获得总厚度为400 nm的p型AlGaN层，生长的p型AlGaN外延层具体结构如图3所示。

实施例2

本实施例和实施例1的区别在于，步骤4中，等效Al组分呈周期性变化的AlGaN层，每个调制周期内包含的等效Al组分较低的部分和等效Al组分较高的部分的等效Al组分相同，生长的p型AlGaN外延层具体结构如图4所示。

实施例3

本实施例和实施例1的区别在于，本实施例中的衬底选择了AlN模板501，且由下往上生长在AlN模板501上的为AlN缓冲层502和p型AlGaN半导体外延层503，且，GaN的p型掺杂杂质为Zn。所述p型AlGaN半导体材料的外延制备方法，具体包括以下步骤：

步骤1：选用AlN模板501并将其置于反应腔体；

步骤2：外延生长AlN缓冲层502，在低V/III条件下生长200 nm非故意掺杂的AlN材料，AlN材料采用周期脉冲NH₃生长以促进Al原子迁移提高结晶质量；

步骤3：生长p型AlGaN外延层503，在生长过程中，只改变III族源和受主杂质Zn源的通断以及通入时间，不改变载气、生长温度、压强、流量等参数，V族源在生长过程中持续通入腔体。生长等效Al组分呈周期性变化的AlGaN层，其中，等效Al组分调制周期内的生长时序图如图2所示，每个调制周期内可不分先后的包含以下两个部分：

（1）由AlN和GaN周期性交替叠层构成的等效Al组分较低部分，其等效Al组分为50%，叠层结构中单个周期内AlN的厚度为1 nm，GaN的厚度为1 nm，共有8个叠层周期；

（2）由AlN和GaN周期性交替叠层构成的等效Al组分较高部分，其等效Al组为75%，叠层结构中单个周期内AlN的厚度为1.5 nm，GaN的厚度为0.5 nm，共有2个叠层周期；

其中，所述AlGaN层中等效Al组分较低部分与等效Al组分较高部分之间，为等效Al组分多步台阶式的结构，较低部分的等效Al组分值为50%，较高部分的等效Al组分值为75%，等效Al组分较低部分与等效Al组分较高部分之间还包括等效Al组分值为65%的过渡部分。

GaN为p型掺杂层，单个调制周期内AlGaN层的厚度为20 nm。

步骤4：重复步骤3，次数为20次，外延获得总厚度为400 nm的p型AlGaN层，生长的p型AlGaN外延层具体结构如图5所示。

实施例4

本实施例和实施例1的区别在于，本实施例提供的一种p型AlGaN半导体材料，其GaN的p型掺杂杂质为Be。

实施例5

本实施例和实施例1的区别在于，本实施例提供的一种p型AlGaN半导体材料，其GaN的p型掺杂杂质为C。

以上所述实施例的各种技术特征可以进行随意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是说明书记载的范围。

Claims (7)

1.一种p型AlGaN半导体材料，包括p型AlGaN外延层，其特征在于，所述p型AlGaN外延层由若干个AlN和GaN周期性交替叠层组成，AlN和GaN周期性交替叠层形成具有等效Al组分的AlGaN层，并且AlGaN层的等效Al组分呈周期性变化，每个周期内可不分先后的包含以下两个部分：

(1)由AlN和GaN周期性交替叠层构成的结构，其等效Al组分较低；

(2)由AlN和GaN周期性交替叠层构成的结构，其等效Al组分较高；

其中，GaN层为p型掺杂层；AlGaN层中等效Al组分较低部分的总厚度大于等效Al组分较高部分的总厚度。

2.根据权利要求1所述的一种p型AlGaN半导体材料，其特征在于，p型掺杂杂质为Mg、Zn、Be、C中的一种元素原子。

3.根据权利要求1或2所述的一种p型AlGaN半导体材料，其特征在于，AlGaN层的等效Al组分可调节。

4.根据权利要求3所述的一种p型AlGaN半导体材料，其特征在于，AlN和GaN周期性交替叠层的单个周期内AlN和GaN的厚度为0.5nm～5nm。

5.根据权利要求1所述的一种p型AlGaN半导体材料，其特征在于，AlGaN层中等效Al组分较低部分与等效Al组分较高部分之间，可以是等效Al组分突变的结构，也可以是等效Al组分渐变的结构。

6.根据权利要求1所述的一种p型AlGaN半导体材料的外延制备方法，其特征在于，AlN和GaN周期性交替叠层由分别关闭Ga源和关闭Al源而实现。

7.根据权利要求1所述的一种p型AlGaN半导体材料的外延制备方法，其特征在于，GaN的p型掺杂可以通过同时开启Ga源、N源和受主掺杂源来实现，也可通过先开启Ga源和N源生长GaN层，再关闭Ga源、通受主掺杂源，然后再关闭受主掺杂源开启Al源生长AlN层来实现。

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