一种P型GaN低流量掺杂剂控制生长方法

摘要

一种P型GaN低流量掺杂剂控制生长方法属于半导体材料制备领域。Cp

说明书

技术领域

本发明涉及利用金属有机物化学气相沉积（MOCVD）技术在蓝宝石衬 底上制备单一掺杂源CP₂Mg的p型GaN材料，属于半导体材料制备领域。

背景技术

GaN被誉为第三代半导体材料，具有宽禁带，高击穿电场，电子饱和 漂移速度高等特点，特别适合制备高温、高频、大功率和抗辐射的新一代 电子器件。因此GaN材料的应用被各界寄予厚望。

GaN基产品（如LED）已经商业化，但是材料中存在的问题限制着器 件性能的提高，因此针对关于GaN材料的研究依然没有间断，如Mg掺杂 的p型GaN材料的研究。为了获得高空穴浓度的p型GaN材料，研究者 对外延生长的工艺条件进行优化，如生长温度，源流量（如Mg/Ga比）。 也有对掺杂方法的优化，在外延生长过程中掺Mg同时，通In以获得高空 穴浓度，也有采用受主-施主共掺的方法，还有人利用AlGaN/GaN或 InGaN/GaN合金具有不同价带边位置的特点，采用AlGaN/GaN或 InGaN/GaN超晶格结构提高空穴浓度。在外延生长过程中由于Mg—H络合 物形成,还存在Mg的GaN活化率低的问题，为了实现高空穴浓度的p型 材料，需要高浓度的Mg掺杂，而Mg在GaN中的溶解度却存在着限制。 当掺杂浓度达到一定程度后，再增加Mg杂质浓度，Mg会形成Mg₃N₂而 不会进入GaN晶格，影响p型GaN材料的晶体质量。并且当Mg掺杂浓 度很大时，Mg原子会处于晶格的间隙位置（Mg_i），而不是替位Ga原子形 成受主Mg_Ga，Mg_i会和GaN材料中大量的N空位（V_N）组成络合物（Mg_i- V_N），同时Mg_Ga与V_N也会形成络合物（Mg_Ga-V_N）。这些络合物均表现出 施主的特性，这样就会产生严重的自补偿效应。通常LEDs或激光器(LDs) 均采用InGaN/GaN多量子阱作为有源区，采用掺Mg:GaN(p-GaN)材料作 为p型材料，而具有高电导率的p-GaN需要很高的生长温度才能获得，这 对后续生长p-GaN的高温环境对有源层InGaN的破坏极大，致使InGaN 相分凝过度，富铟和贫铟区体积增大，辐射复合对数量和量子限制效应都 减小，导致发光强度大幅下降，降低生长温度必然引起p-GaN晶体质量下 降，补偿效应加重，电导性能变差，器件电压上升，那么如何能在低温下 获得高晶体质量、高空穴浓度的p-GaN材料呢？

发明内容

针对上述技术的特点，本发明之目的是提供一种以低Mg掺杂剂流量 控制外延生长，获得高质量、高空穴浓度的GaN基p型材料的方法。包括 如下步骤：

步骤一、将选择好的衬底放入反应室中，高温去除衬底的杂质。

步骤二、在衬底上外延低温成核层和高温缓冲层。

步骤三、在所述高温缓冲层上生长p型GaN层。

步骤四、采用热退火方法对Mg杂质进行活化。

上述生长过程中源材料是分别以TMGa，NH₃，CP₂Mg作为Ga源、N源、 Mg掺杂源，载气为H₂。

上述步骤一中反应室温度为1050℃～1150℃，并保持3min～10min，在氢 气（H₂）气氛下。

上述步骤二中低温成核层的外延条件为：生长温度为500-550℃，生长厚 度为20-30nm。高温缓冲层外延条件为：生长温度为1050-1150℃，生长厚度 为：1.5-2μm。

上述步骤三中p型GaN的生长是采用间断控制掺杂p型层生长方法，具 体为：先生长非掺杂GaN，生长时间为10s，然后通入CP₂Mg源，生长时间 为8s，并以这样一个18s为一个单周期重复生长，共生长320～350个周期。 生长温度为920℃-980℃，CP₂Mg流量控制在35sccm～50sccm之间。

上述步骤四中Mg杂质活化在氮气（N₂）氛围下进行的，温度为730-750 ℃，时间为30-50min，N₂流量为2-4L/min。

所述的p型GaN制备方法，其机理和特点在于：

通常GaN是Ga面生长，Ga面具有GaNGaN的原子堆垛层序，Mg原子 掺入后，优先取代Ga原子位置，会形成GaNMgNGa原子堆垛层序，导致边 界出现堆垛位错并使极性从Ga面反转成N面，随着Mg的继续掺入，这种反 转生长模式会沿着三个或多个斜面继续向上蔓延，最后形成头朝衬底面的三 角或梯形金字塔，金字塔的形成和扩大必然导致界面位错增多。而本案中控 制生长p型GaN过程中，Mg的掺入并不是持续的，而是周期性的，能够有 效地减小了GaNMgNGa结构形成的位错的传播。而且Mg离子周期分布，最 终形成GaN：Mg/UGaN超晶格结构，GaN：Mg层和UGaN层之间的应力产 生的极性电场，能够使价带边发生一定程度的弯曲。因此GaN：Mg/UGaN超 晶格结构也将导致价带产生周期锯齿形的变化，有利于提高空穴浓度。

在Cp₂Mg掺杂的p型GaN中，受主（Mg_Ga）是由Mg原子替位Ga原子 形成的。由于Mg的原子半径小于Ga的原子半径，因此Mg掺入GaN时会导 致其发生晶格畸变，产生各种微缺陷。如果在较高的Cp₂Mg流量条件下，替 位Ga原子的Mg原子相应增加，可能会有更多的Mg原子会处于晶格的间隙 位置（Mg_i），而不是替位Ga原子形成受主Mg_Ga，导致p型GaN晶体质量 下降，Mg活化率也降低。而且随着Mg掺入，Mg_i和Mg_Ga会与GaN材料中 大量的N空位（V_N）组成（Mg_i-V_N）、（Mg_Ga-V_N）络合物。这些络合物均 呈现出施主的特性，又会产生严重的自补偿效应。因此本案中采用较低的 Cp₂Mg流量制备P型GaN材料。

本发明提出的制备p型GaN方法，本方法是在掺杂剂Cp₂Mg较低流量的 条件下采用控制生长，获得的P-GaN材料空穴浓度比在通常或较高Cp₂Mg流 量条件下的高些或者相当，提高了Mg的活化率，降低了生产成本。而且通过 控制CP₂Mg的间断达到减小位错密度之目的，提高p型GaN晶体质量。显然 本案提出的制备p型GaN方法能够提高Mg的活化率，改善p型GaN薄膜的 电导性能，对降低GaN基LED器件的正向压降和提高使用寿命都非常有益。

附图说明

图1为本发明生长P型GaN时的样品结构示意图。

图2为本发明制备的p型GaN的（0002）面回摆曲线。

图3为本发明制备的p型GaN的（10‐12）面回摆曲线。

具体实施方式

为使本发明的更加清晰明了，结合图1对本发明进一步详述。

本发明提供的MOCVD设备生长P型GaN材料的方法，其具体生长结 构如图1所示，从下向上的结构为：蓝宝石衬底，非掺杂的GaN缓冲层， P型GaN生长层。外延生长的源材料为：TMGa和NH₃分别作为Ga源和N 源，CP₂Mg作为Mg掺杂剂。H₂为载气。具体如下：

（1）采用Veeco公司D180型MOCVD设备，选用（0001）面蓝宝石 为衬底。

（2）将蓝宝石衬底放入MOCVD反应室内，在H₂氛围下将反应室温 度升高到1100℃并保持三分钟，以清洁衬底。

（3）将反应室温度下降到500℃，外延生长低温GaN成核层，厚度 为30nm。

（4）生长缓冲层，外延条件为：生长温度为1050℃，生长厚度为2 μm。

（5）间断控制掺杂p型层生长，具体地：先生长非掺杂GaN，生长 时间为10s，然后通入CP₂Mg源，生长时间为8s，以这样的18s为单周期重 复生长，共生长322周期，外延温度为950℃，CP₂Mg流量为46sccm。

（6）生长之后的p型GaN在氮气氛围退火，退火温度为750℃，时 间为30min，N₂流量为3L/min。

对用此方法生长的是p型GaN材料进行测试分析。图2和图3分别为本 发明制备的p型GaN的（0002）面和（10‐12）面回摆曲线。（0002）面和（10‐12） 面峰值半高宽分别为244arc sec、318arc sec，（0002）面和（10‐12）面峰值半 高宽分别与螺旋位错和刃型位错密度成正比，因此表明采用本案方法制备的p 型GaN具有较好的结晶质量。通过范德堡法室温Hall测量得到该方案制备的 p型GaN的空穴浓度为5.0х10¹⁷cm³。

以上为采用间断控制g低流量掺杂剂CP₂M生长P‐GaN的方法，为对发明 目的、技术方案的进一步说明，以上所述仅限于具体实施实例，并不用于限 制本发明的范围。