专利名称：一种P型GaN低流量掺杂剂控制生长方法
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(Mgi),而不是替位Ga原子形成受主Mgea，Mgi会和GaN材料中大量的N空位(Vn)组成络合物(Mgi_VN)，同时Mgea与Vn也会形成络合物(Mgea-VN)。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°C 1150°〇，并保持31^11 lOmin，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°C，生长厚度为20-30nm。高温缓冲层外延条件为:生长温度为1050-1150°C，生长厚度为:1.5-2μπι。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°C -980°C, 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°C，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(Mgea)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(Mgi),而不是替位Ga原子形成受主Mgea,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，Mgi和Mgea会与GaN材料中大量的N空位(Vn)组成(Mg1-VN)、(MgGa-VN)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
Mo
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。
具体实施例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:(I)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°C并保持三分钟，以清洁衬底。(3)将反应室温度下降到500°C，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°C，生长厚度为2μπι。(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°C，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°C，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5.0 x 1017cm3。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。
权利要求
1.一种P型GaN低流量掺杂剂控制生长方法，其特征在于包括如下步骤: 步骤一、将衬底放入反应室中，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；低温成核层的外延条件为:生长温度为500-550°C，生长厚度为20-30nm ;高温缓冲层外延条件为:生长温度为1050-1150°C，生长厚度为:1.5-2μπι; 步骤三、在所述高温缓冲层上生长P型GaN层；其中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9200C -980°C, CP2Mg 流量控制在 35sccm 50sccm 之间； 步骤四、采用热退火方法对Mg杂质进行活化；其中Mg杂质活化在氮气氛围下进行的，温度为 730-750°C，时间 为 30-50min，N2 流量为 2_4L/min。
全文摘要
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。Cp2Mg作为p型掺杂剂，在衬底上依次往上生长低温成核层，非故意掺杂GaN层，然后是p型GaN层，生长p型GaN是先生长非掺杂GaN，生长时间为10s，然后通入CP2Mg源，生长时间为8s，并以这样18s为一个单周期重复生长，共生长320～350个周期。CP2Mg流量控制在35sccm～50sccm之间，生长温度为920℃‐980℃。本案方法能够增加Mg原子掺入效率，抑制其自补偿效应，提高空穴浓度，改善晶体质量，从而获得高性能的p型GaN材料，为降低GaN基LED器件的正向压降和提高使用寿命提供有益的帮助。
文档编号C30B25/02GK103215642SQ20131010684
公开日2013年7月24日 申请日期2013年3月23日 优先权日2013年3月23日
发明者韩军, 邢艳辉, 李影智 申请人:北京工业大学