CN1279585C - 一种p型ⅲ族氮化物材料的制作方法 - Google Patents
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Abstract
一种P型III族氮化物材料的制作方法，用于制作光电器件的P型导电层，通过改变组分使四元氮化物的禁带宽度低于氮化镓的宽度，从而提高P型杂质的电离率，使得P型III族氮化物材料在同样的掺杂水平下获得高的空穴浓度，并且降低电阻率，这样就可以通过提高载流子浓度，从而提高注入效率(比)，使得器件内量子效率提高、发光强度提高。
Description
技术领域
本发明涉及一种半导体材料的制作方法，特别涉及一种P型III族氮化物材料的制作方法。
背景技术
蓝绿色发光二极管在显示、控制和通讯领域应用量极大，超高亮度蓝色和绿色发光二极管满足了满足当前对全彩色显示以及交通信号标志的需要，成为不可缺少的元件。蓝光激光二极管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，更好地满足了信息时代的需求。此外，蓝光激光二极管在高性能激光印刷、医疗诊断、海底探潜和通讯等方面也有很大的应用价值。
氮化镓(GaN)、氮化铟(InN)和氮化铝(AlN)及其组成的合金都是直接带隙材料，是制作可见光至近紫外光波段的发光器件——发光二极管(LED)和激光器(LD)的优良材料，尤其适合用于制作蓝、绿色发光器件。
目前，氮化镓(GaN)发光二极管已有部分产业化，但仍存在以下问题：P型氮化镓基化合物空穴浓度较低，P型电阻率较高。这种现象是由氮化物本身的性质决定的：氮化物属于宽禁带半导体材料，由于禁带宽度大，造成受主杂质的位置比较深，难于电离，P型材料难于获得。此外，III族氮化物只能采用II族元素作为P型掺杂的掺杂剂；II族元素中，铍(Be)由于剧毒而被弃之不用，镁(Mg)是被经常采用的P型掺杂剂。但镁杂质的离化能高达150meV，激活率仅为1％左右。
图1是六方和立方氮化镓(GaN)、InN、AlN以及它们的合金的晶格常数和禁带宽度的关系。从图1中可以看出：InxGa1-x-yAlyN都是直接带隙材料，室温下禁带宽度在1.9～6.28eV范围内连续可调，InxGaxByN1-y禁带宽度在1.9～4.1eV范围内连续可调，AlxGa1-xAsyN1-y的禁带宽度在1.9～4.1eV范围内连续可调。
目前在氮化镓(GaN)器件中都是采用P-GaN作P型层，由于氮化镓(GaN)的禁带宽度为3.4eV，较高的禁带宽度导致其中的Mg杂质难以电离。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的上述不足而提出一种可以用于制备电阻率低、空穴浓度高的P型层的P型III族氮化物材料的制作方法。
本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：通过改变组分使四元氮化物的禁带宽度低于氮化镓的宽度，从而提高P型杂质的电离率，使得P型III族氮化物材料在同样的掺杂水平下获得高的空穴浓度，并且降低电阻率。
本发明的P型III族氮化物材料的制作方法通过如下步骤完成：
(1)选择异质或同质或复合衬底材料；
(2)在衬底材料上外延一层III族氮化物材料作为下一步外延生长模板；
(3)在模板上外延生长P型四元氮化物；
(4)在隔绝氧气环境，对P型四元氮化物进行热处理，使其转型生成薄膜，该层薄膜即为发光器件或电子器件的P型层。
步骤(1)所述衬底材料优先采用同质衬底氮化镓(GaN)单晶，或者异质的蓝宝石、硅单晶(Si)、尖晶石(MgAl2O4)、碳化硅(SiC)、氮化铝(AlN)、氧化锌(ZnO)，或硅上生长氧化铝复合衬底(Al2O3/Si)、硅上生长氮化铝复合衬底(AlN/Si)等。
步骤(2)所述III族氮化物优先采用氮化镓、氮化铟、氮化铝、氮化铟镓或氮化铝镓等。
步骤(3)所述四元氮化物优先采用III-N-V化合物，包括AlInGaN、GaInBN、AlInAsN等四元化合物和氮原子在内的III族、V族化合物。
步骤(4)所述热处理的方式优先采用电阻丝加热、微波加热或高频加热等；环境温度600℃-1200℃；热处理时隔绝氧气的气氛优先采用氮气、惰性气体或真空条件；所述发光器件包括发光二极管、激光二极管；所述电子器件包括各种大功率、高温器件。
与以往的技术相比，本发明具有如下有益效果：采用该方法可以制作出载流子浓度高和电阻率低的P型层，便于制作P型的欧姆接触。采用该P型材料制作的接触层在半导体光电器件中可以形成良好的欧姆接触，进而降低串联电阻，并降低开启电压低(对发光二极管而言)或阈值电压低(对激光二极管而言)；并且通过提高载流子浓度，从而提高PN结注入效率(比)，使得器件内量子效率提高、发光强度提高。
采用本发明的制作方法制备的P型III族氮化物材料在器件设计中主要用于P型导电层，可用于发光器件和电子器件，为制作高亮度、电流-电压特性好、低阈值的发光器件服务。
附图说明
图1是六方和立方氮化镓(GaN)、InN、AlN以及它们的合金的晶格常数和禁带宽度的关系图；
图2是本发明实施例1的III族氮化物激光器的截面示意图。
图3是本发明实施例2的异质结双极晶体管的截面示意图。
图2中：1-(0001)面蓝宝石(C-Al2O3)，2-N型氮化镓，3-N型铝镓氮，4-活性层，5-P型铝镓氮层，6-P型四元氮化物层，7-金属电极；图3中：1-(0001)面蓝宝石(C-Al2O3)，2-高浓度N+型氮化镓，3-N型氮化镓，4-N型的铝镓氮，5-P型氮化镓层，6-P型四元氮化物层，7-金属电极。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步描述。
实施例1
如图2所示，一种III族氮化物激光器的制作方法包括以下过程：
1.参阅图1，采用(0001)面蓝宝石(C-Al2O3)1作衬底。
2.在(0001)面蓝宝石衬底上外延生长一层N型氮化镓2，生长温度1000-1100℃，厚度为0.5-4微米。
3.生长一层N型铝镓氮3，作为载流子的限制层。生长温度1050-1100℃，厚度为0.5-1微米。
4.生长发光器件的活性层4。活性层可以采用量子点，量子阱等不同结构。
5.然后再生长一层P型铝镓氮层5。生长温度1000-1100℃，厚度为0.1-1微米。
6.在上面再盖一层P型四元氮化物层6。生长温度1000-1100℃，厚度为0.1-2微米。该层结构的生长采用到本发明。生长P型四元氮化物关键在于：生长适当组分的四元化合物，通过组分的不同来调节禁带宽度。对于发光器件而言，要使得禁带宽度大于发光器件所设计的中心发光波长，以活形层的发光峰为基准大于中心发光波长两个半高宽。对于电子器件而言，采用氮化镓(GaN)基材料主要就是利用它宽禁带的特点，制作大功率，高温器件，设计禁带宽度时需要兼顾制作高温器件所需的禁带宽度和良好P型导电层间的矛盾。
7.在P型层上镀一层金属电极7作为欧姆接触。
步骤1中的衬底除蓝宝石(Al2O3)外，也可以采用氮化镓(GaN)单晶，硅单晶(Si)，尖晶石(MgAl2O4)，碳化硅(SiC)，氮化铝(AlN)，氧化锌(ZnO)，硅上生长氧化铝复合衬底(Al2O3/Si)、硅上生长氮化铝复合衬底(AlN/Si)等等各种复合衬底。总之，只要能够使在该衬底上外延的III族氮化物有较好的质量可以作为下一步生长的模板即可。虽然在多种衬底上外延都可以得到同样的效果，目前以蓝宝石做衬底较好，该衬底和其他衬底相比具有廉价，易于获得的优点。
步骤2-6中各材料的外延生长方法采用金属有机化学气相沉积法(MOCVD)方法是目前最好的方式。
步骤6中生长P型四元氮化物，该层结构中采用了本发明。当以这样的材料作为器件的P型层时，制作的激光器将会具有高的发光效率，低的阈值电压，以及优良的I-V特性。
实施例2
如图3所示，一种异质结双极晶体管的制作方法包括以下过程：
1、采用(0001)面蓝宝石(C-Al2O3)1作衬底。
2、外延生长一层高浓度N+型氮化镓2，生长温度1000-1100℃，厚度为0.5-4微米，采用硅作N型杂质。该层作为欧姆接触层。
3、其上生长一层N型氮化镓3，生长温度1050-1100℃，厚度为0.5-1微米。
4、生长一层N型的铝镓氮(AlGaN)层4。生长温度1050-1100℃，厚度为0.5-1微米。
5、然后再生长一层P型氮化镓层5。生长温度1000-1100℃，厚度为0.1-1微米。Mg作掺杂剂。
6、在上面再盖一层P型四元氮化物层6。生长温度1000-1100℃，厚度为0.1-2微米。该层结构的生长采用到本发明。该层作为欧姆接触层。
7、在P型四元氮化物层上镀一层金属电极7作为欧姆接触。
步骤1中的衬底除蓝宝石(Al2O3)外，也可以采用氮化镓(GaN)单晶，硅单晶(Si)，尖晶石(MgAl2O4)，碳化硅(SiC)，氮化铝(AlN)，氧化锌(ZnO)，硅上生长氧化铝复合衬底(Al2O3/Si)、硅上生长氮化铝复合衬底(AlN/Si)等等各种复合衬底。总之，只要能够使在该衬底上外延的III族氮化物有较好的质量可以作为下一步生长的模板即可。虽然在多种衬底上外延都可以得到同样的效果，我们认为目前以蓝宝石做衬底较好，该衬底和其他衬底相比具有廉价，易于获得的优点。
步骤2-6中各材料的外延生长方法采用金属有机化学气相沉积法(MOCVD)方法是目前最好的方式。
步骤6中生长P型四元氮化物，该层结构中采用了本发明。当以这样的材料作为器件的P型层时，制作的异质结双极晶体管串联电阻小，具有优良的I-V特性。
Claims (5)
1、一种P型III族氮化物材料的制作方法，其特征是制备过程包括如下步骤：
(1)选择异质或同质或复合衬底材料；
(2)在衬底材料上外延一层III族氮化物材料作为下一步外延生长模板；
(3)在模板上外延生长为包括AlInGaN、GaInBN、AlInAsN四元化合物和氮原子在内的III族、V族化合物的P型四元氮化物；
(4)在隔绝氧气环境，对P型四元氮化物进行热处理，使其转型生成薄膜，该层薄膜即为发光器件或电子器件的P型层。
2、根据权利要求1所述的一种P型III族氮化物材料的制作方法，其特征是步骤(1)所述衬底材料是同质衬底氮化镓单晶，或者异质的蓝宝石、硅单晶、尖晶石、碳化硅、氮化铝、氧化锌和硅上生长氧化铝复合衬底、硅上生长氮化铝复合衬底等。
3、根据权利要求1所述的一种P型III族氮化物材料的制作方法，其特征是步骤(2)所述III族氮化物是氮化镓、氮化铟、氮化铝、氮化铟镓或氮化铝镓等。
4、根据权利要求1所述的一种P型III族氮化物材料的制作方法，其特征是步骤(4)所述热处理的方式是电阻丝加热、微波加热或高频加热。
5、根据权利要求1所述的一种P型III族氮化物材料的制作方法，其特征是步骤(4)所述热处理时隔绝氧气的气氛是氮气、惰性气体或真空条件，温度600℃-1200℃。
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| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20080307 Address after: Fujian province Xiamen City Luling Road No. 1721 Patentee after: Xiamen San'an Electronics Co., Ltd. Address before: Fujian province Xiamen City Luling Road No. 1721 Patentee before: Xiamen San'an Electronics Co., Ltd. |
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| ASS | Succession or assignment of patent right |
Owner name: SANAN OPTO-EELECTRICAL SCIENCE CO., LTD., XIAMEN Free format text: FORMER OWNER: SAN-AN ELECTRONICS CO., LTD., XIAMEN Effective date: 20080912 |
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| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20080912 Address after: Siming District of Xiamen City, Fujian Province, Lu Ling Road No. 1725 1721 Patentee after: Xiamen San'an Photoelectric Technology Co., Ltd. Address before: Fujian province Xiamen City Luling Road No. 1721 Patentee before: Xiamen San'an Electronics Co., Ltd. |
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| EE01 | Entry into force of recordation of patent licensing contract |
Assignee: Anhui San'an Optoelectronics Co., Ltd. Assignor: Xiamen San'an Photoelectric Technology Co., Ltd. Contract record no.: 2011340000311 Denomination of invention: Method for preparing P type III group nitride material Granted publication date: 20061011 License type: Exclusive License Open date: 20040211 Record date: 20110811 |
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| CX01 | Expiry of patent term |
Granted publication date: 20061011 |
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| CX01 | Expiry of patent term |