低電阻率p型鋁鎵氮材料及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種低電阻率P型鋁鎵氮材料及其制備方法，該制備方法包括：對襯底升溫，在氫氣環(huán)境下熱處理，去除襯底表面的雜質(zhì)；在襯底上生長低溫成核層，為后續(xù)生長材料提供成核中心；在低溫成核層上生長一層非故意摻雜模板層；在非故意摻雜模板層上低溫外延生長一層低碳雜質(zhì)濃度的P型鋁鎵氮層；在氮氣環(huán)境下，高溫退火使P型鋁鎵氮層中受主激活，得到低電阻率P型鋁鎵氮材料。利用本發(fā)明，通過更改生長條件，降低低溫生長的P型鋁鎵氮材料中非故意摻雜的碳雜質(zhì)的濃度，從而減輕了受主補償作用，達到降低P型鋁鎵氮材料電阻率的目的。
【專利說明】低電阻率P型鋁鎵氮材料及其制備方法

【技術(shù)領域】
[0001]本發(fā)明涉及半導體材料制備【技術(shù)領域】，特別是涉及一種低電阻率P型鋁鎵氮材料及其制備方法。

【背景技術(shù)】
[0002]藍綠色發(fā)光二極管(LED)在顯示、控制和通訊領域有著極其重要的應用，已成為當前全彩色顯示以及交通信號標志中不可缺少的元件。藍光激光二極管(LD)用于高密度存儲光盤比用紅光激光二極管存儲密度提高近四倍，能更好的滿足信息時代的需求。此外，藍光激光二極管在醫(yī)療診斷、海底探潛等方面也有很大的應用價值。
[0003]但是，為了得到較長的發(fā)光波長，藍綠光LED和LD的有源區(qū)必須采用高銦組分的多量子阱結(jié)構(gòu)(一般銦組分大于20%)。高銦組分銦鎵氮材料在高溫下是不穩(wěn)定的，后續(xù)高溫生長P型層會造成銦鎵氮量子阱的分解，衰減LED及LD的光學和電學性質(zhì)。所以，為了保護高銦組分量子阱，實現(xiàn)高性能藍綠光LED和LD器件，必須采用較低的生長溫度生長P型層。然而低溫生長的P型層一般電阻率較高，空穴濃度偏低，不能滿足高性能藍綠光器件的要求。
[0004]一般來說，造成P型氮化鎵電阻率高的原因有兩個，一個是受主難電離，鎂雜質(zhì)的電離能高達200meV，室溫下電離率只有1%左右。另外一個是P型氮化鎵材料中受主補償作用嚴重。由于鎂在鋁鎵氮材料中的電離能更高，所以低溫生長的鋁鎵氮材料比低溫生長的氮化鎵材料更難獲得低的電阻率，然而鋁鎵氮材料作為限制層及電子阻擋層在氮化物藍綠光激光器中是不可缺少的，所以獲得低電阻率低溫鋁鎵氮材料對器件的發(fā)展是至關(guān)重要的。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005](一 )要解決的技術(shù)問題
[0006]有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于提供一種低電阻率P型鋁鎵氮材料及其制備方法，通過更改生長條件，降低低溫生長的P型鋁鎵氮材料中非故意摻雜的碳雜質(zhì)濃度，以減輕受主補償作用，達到降低P型鋁鎵氮材料電阻率的目的。
[0007]( 二 )技術(shù)方案
[0008]為達到上述目的，本發(fā)明提供了一種低電阻率P型鋁鎵氮材料，該低電阻率P型鋁鎵氮材料包括:襯底；形成于該襯底之上的低溫成核層；形成于該低溫成核層之上的非故意摻雜模板層；以及形成于該非故意摻雜模板層之上的低溫生長低碳雜質(zhì)濃度的P型鋁鎵氮層。
[0009]上述方案中，所述襯底為藍寶石襯底、碳化硅襯底或氮化鎵襯底。
[0010]上述方案中，所述低溫成核層采用的材料為氮化鎵或者氮化鋁，其生長溫度為500?600°C，厚度為20?30nm，該低溫成核層為后續(xù)生長材料提供成核中心。
[0011]上述方案中，所述非故意摻雜模板層采用的材料為氮化鎵或者鋁鎵氮，其生長溫度為1040°C，厚度為2 μ m，該非故意摻雜緩沖層用于減少外延層位錯密度。
[0012]上述方案中，所述低溫生長低碳雜質(zhì)濃度的P型鋁鎵氮層，其是以鎂作為受主摻雜劑，空穴濃度在I X 117CnT3?lXlOicnT3，生長溫度為900?1000°C，所含碳濃度低于3 X 117Cm 3O
[0013]為達到上述目的，本發(fā)明還提供了一種低電阻率P型鋁鎵氮材料的制備方法，該方法包括:
[0014]步驟1:對襯底升溫，在氫氣環(huán)境下熱處理，去除襯底表面的雜質(zhì)；
[0015]步驟2:在襯底上生長低溫成核層，為后續(xù)生長材料提供成核中心；
[0016]步驟3:在低溫成核層上生長一層非故意摻雜模板層；
[0017]步驟4:在非故意摻雜模板層上低溫外延生長一層低碳雜質(zhì)濃度的P型鋁鎵氮層，形成外延片；
[0018]步驟5:在氮氣環(huán)境下，將外延片高溫退火使P型鋁鎵氮層中受主激活，得到低電阻率P型鋁鎵氮材料。
[0019]上述方案中，步驟I中所述對襯底升溫，是將襯底升溫至1080°C ;所述襯底10采用的材料為藍寶石、碳化硅或氮化鎵。
[0020]上述方案中，步驟2中所述在襯底上生長低溫成核層，生長溫度為500?600°C，低溫成核層的厚度為20?30nm，低溫成核層采用的材料為氮化鎵或氮化鋁。
[0021]上述方案中，步驟3中所述在低溫成核層上生長一層非故意摻雜模板層，該非故意摻雜模板層作為下一步外延生長的模版，采用的材料為氮化鎵或者鋁鎵氮，其生長溫度為1040°C，厚度為2 μ m，該非故意摻雜模板層用于減少外延層位錯密度。
[0022]上述方案中，步驟4中所述在非故意摻雜模板層上低溫外延生長一層低碳雜質(zhì)濃度的P型鋁鎵氮層，該低碳雜質(zhì)濃度的P型鋁鎵氮層是以鎂作為受主摻雜劑，其空穴濃度在
IX 117CnT3 ?I X 11W3,其生長溫度為 900 ?1000°C。
[0023]上述方案中，所述低電阻率P型鋁鎵氮材料是通過降低P型鋁鎵氮材料中的非故意摻雜碳雜質(zhì)濃度，降低受主補償作用來實現(xiàn)低電阻率的，所含碳濃度低于3X 1017cm_3。
[0024]上述方案中，所述降低P型鋁鎵氮材料中非故意摻雜碳雜質(zhì)濃度是通過提高生長過程中氨氣流量或者提高反應室壓力或者降低三甲基鎵流量來實現(xiàn)的，低的碳雜質(zhì)濃度降低P型鋁鎵氮材料的受主補償作用，從而降低P型鋁鎵氮材料的電阻率。
[0025]上述方案中，步驟5中所述高溫退火，溫度為500°C?850°C，退火時間在Imin?30mino
[0026]上述方案中，該低電阻率P型鋁鎵氮材料是利用MOCVD設備，并用三甲基鎵和氨氣作為鎵源和氮源，以氫氣、氮氣或氫氣與氮氣的混合氣為載氣生長的。
[0027](三)有益效果
[0028]與以往的技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果:
[0029]1、本發(fā)明提供的低電阻率P型鋁鎵氮材料的制備方法，通過更改生長條件，降低低溫生長的P型鋁鎵氮材料中非故意摻雜的碳雜質(zhì)的濃度，從而減輕了受主補償作用，達到降低P型鋁鎵氮材料電阻率的目的。
[0030]2、利用本發(fā)明提供的低電阻率P型鋁鎵氮材料的制備方法制備的低溫生長的P型鋁鎵氮材料，具有較低的電阻率。應用于藍綠光發(fā)光二極管和激光器結(jié)構(gòu)中，可以降低器件的串聯(lián)電阻和開啟電壓，并可以有效的保護高銦組分銦鎵氮量子阱結(jié)構(gòu)，提高藍綠光器件的發(fā)光強度。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0031]為了進一步說明本發(fā)明的內(nèi)容，下面結(jié)合具體實例和附圖，詳細說明如后，其中:
[0032]圖1是本發(fā)明提供的低電阻率P型鋁鎵氮材料的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0033]圖2是本發(fā)明提供的低電阻率P型鋁鎵氮材料的制備方法流程圖；
[0034]圖3是樣品中非故意摻雜碳濃度與其電阻率的關(guān)系圖。

【具體實施方式】
[0035]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明。
[0036]圖1示出了本發(fā)明提出的一種低電阻率P型鋁鎵氮材料的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1所示，該低電阻率P型鋁鎵氮材料由下到上依次包括襯底10、低溫成核層11、非故意摻雜模板層12和低溫生長低碳雜質(zhì)濃度的P型鋁鎵氮層13。其中:該襯底10為藍寶石襯底或碳化硅襯底或氮化鎵襯底。低溫成核層11制作在襯底10上，其材料為氮化鎵或氮化鋁，生長溫度為500?600°C，厚度為20?30nm，該低溫成核層11為后續(xù)生長材料提供成核中心。非故意摻雜模板層12制作在低溫成核層11上，其生長溫度為1040°C，厚度為2μπι，該非故意摻雜模板層12用于減少外延層位錯密度。低溫生長低碳雜質(zhì)濃度的P型鋁鎵氮層13制作在非故意摻雜模板層12上，其是以鎂作為受主摻雜劑，空穴濃度在I X 117Cm-3?I X 1018cm_3，生長溫度為900?1000°C，所含碳濃度低于3X 1017cm_3。
[0037]其中該低電阻率P型鋁鎵氮材料是利用MOCVD設備，并用三甲基鎵和氨氣作為鎵源和氮源，以氫氣、氮氣或氮氣與氫氣的混合氣為載氣生長的；
[0038]基于圖1所示的低電阻率P型鋁鎵氮材料，圖2還示出了一種低電阻率P型鋁鎵氮材料的制備方法，該方法包括以下步驟:
[0039]步驟1:將一襯底10升溫，在氫氣環(huán)境下熱處理，去除襯底表面的雜質(zhì)。所述襯底的材料為藍寶石、碳化硅或氮化鎵，所述襯底升溫的溫度為1080°C ；
[0040]步驟2:在襯底10上生長一層低溫成核層11，該低溫成核層生長溫度為500?600°C，厚度為20?30nm，所述低溫成核層11的材料為氮化鎵或氮化鋁，該低溫成核層11為后續(xù)生長材料提供成核中心；
[0041]步驟3:在低溫成核層11上生長一層非故意摻雜模板層12，所述非故意摻雜模板層12的材料為氮化鎵或鋁鎵氮，該非故意摻雜模板層12的生長溫度為1040°C，厚度為
2μ m，該非故意摻雜模板層12可以用于減少外延層位錯密度，并作為下一步外延生長的模板；
[0042]步驟4:在非故意摻雜模板層12上低溫外延生長一層低碳雜質(zhì)濃度的P型鋁鎵氮層13，形成外延片。該低碳雜質(zhì)濃度的P型鋁鎵氮層13中含碳濃度低于2X1017cnT3。所述低溫生長P型鋁鎵氮層13是以鎂作為受主摻雜劑，生長溫度為900?1000°C，空穴濃度在1\1017?1父1018(^_3。所述低電阻率低溫生長P型鋁鎵氮層13是通過降低非故意摻雜碳雜質(zhì)濃度，降低受主補償作用來實現(xiàn)低電阻率的。碳在P型材料中顯施主特性，是有效的受主補償中心。而用MOCVD方法生長氮化物，采用含碳的有機源作為前驅(qū)體，所以在生長過程中碳雜質(zhì)并入氮化物材料是不可避免的，而且碳雜質(zhì)的并入量隨生長溫度的降低明顯增力口，這樣就會對受主產(chǎn)生嚴重補償，造成低溫生長的P型材料電阻率升高。本發(fā)明所述的降低低溫P型鋁鎵氮材料中的非故意摻雜碳雜質(zhì)濃度的是通過控制生長條件來實現(xiàn)的，主要的方法有提高氨氣流量或提高反應室壓力或降低三甲基鎵流量。
[0043]本發(fā)明提供的制備方法，可以應用于氮化物發(fā)光二極管的鋁鎵氮電子阻擋層和氮化物激光器的的鋁鎵氮電子阻擋層及P型鋁鎵氮限制層的生長，藍綠光發(fā)光二極管和激光器中的P型鋁鎵氮層采用本發(fā)明的制備方法，可以降低P型材料的電阻率，從而降低器件的串聯(lián)電阻及開啟電壓，并可以有效的保護高銦組分銦鎵氮量子阱結(jié)構(gòu)，提高器件的發(fā)光強度。
[0044]步驟5:在氮氣環(huán)境下，將外延片高溫退火，使其P型鋁鎵氮層13中受主激活，所述高溫退火的溫度為500?850°C，退火時間為I?30min。該步驟目的在于使鎂氫絡合物分解，使外延生長過程中并入的氫雜質(zhì)脫離鋁鎵氮層，實現(xiàn)受主激活；
[0045]其中該方法是利用MOCVD設備，并用三甲基鎵和氨氣作為鎵源和氮源，以氫氣、氮氣或氫氣和氮氣的混合氣為載氣進行低電阻率低溫P型鋁鎵氮材料的生長。
[0046]參閱圖3，樣品中的非故意摻雜的碳雜質(zhì)濃度與電阻率的關(guān)系圖。當非故意摻雜的碳濃度低于lX1017cm_3時，其電阻率低于3Ω -Cm0說明運用本發(fā)明的方法，通過控制生長條件(提高氨氣流量或提高反應室壓力或降低三甲基鎵流量)降低P型鋁鎵氮材料中非故意摻雜碳雜質(zhì)的濃度，可以有效的降低受主補償作用，從而降低低溫生長的P型鋁鎵氮材料的電阻率。
[0047]以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種低電阻率P型鋁鎵氮材料，其特征在于，該低電阻率P型鋁鎵氮材料包括: 襯底； 形成于該襯底之上的低溫成核層； 形成于該低溫成核層之上的非故意摻雜模板層；以及 形成于該非故意摻雜模板層之上的低溫生長低碳雜質(zhì)濃度的P型鋁鎵氮層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低電阻率P型鋁鎵氮材料，其特征在于，所述襯底為藍寶石襯底、碳化硅襯底或氮化鎵襯底。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低電阻率P型鋁鎵氮材料，其特征在于，所述低溫成核層采用的材料為氮化鎵或者氮化鋁，其生長溫度為500-600°C，厚度為20?30nm，該低溫成核層為后續(xù)生長材料提供成核中心。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低電阻率P型鋁鎵氮材料，其特征在于，所述非故意摻雜模板層采用的材料為氮化鎵或者鋁鎵氮，其生長溫度為1040°C，厚度為2 μ m,該非故意摻雜模板層用于減少外延層位錯密度。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低電阻率P型鋁鎵氮材料，其特征在于，所述低溫生長低碳雜質(zhì)濃度的P型鋁鎵氮層，其是以鎂作為受主摻雜劑，空穴濃度在I X 117CnT3?lX1018cm_3，生長溫度為900-1000°C，所含碳濃度低于3X 1017cnT3。
6.一種權(quán)利要求1至5中任一項所述的低電阻率P型鋁鎵氮材料的制備方法，其特征在于，該方法包括: 步驟1:對襯底升溫，在氫氣環(huán)境下熱處理，去除襯底表面的雜質(zhì)； 步驟2:在襯底上生長低溫成核層，為后續(xù)生長材料提供成核中心； 步驟3:在低溫成核層上生長一層非故意摻雜模板層； 步驟4:在非故意摻雜模板層上低溫外延生長一層低碳雜質(zhì)濃度的P型鋁鎵氮層，形成外延片； 步驟5:在氮氣環(huán)境下，將外延片高溫退火使P型鋁鎵氮層中受主激活，得到低電阻率P型鋁鎵氮材料。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的低電阻率P型鋁鎵氮材料的制備方法，其特征在于，步驟I中所述對襯底升溫，是將襯底升溫至1080°C ;所述襯底10采用的材料為藍寶石、碳化硅或氮化鎵。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的低電阻率P型鋁鎵氮材料的制備方法，其特征在于，步驟2中所述在襯底上生長低溫成核層，生長溫度為500-600°C，低溫成核層的厚度為20?30nm，低溫成核層采用的材料為氮化鎵或氮化鋁。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的低電阻率P型鋁鎵氮材料的制備方法，其特征在于，步驟3中所述在低溫成核層上生長一層非故意摻雜模板層，該非故意摻雜模板層作為下一步外延生長的模版，采用的材料為氮化鎵或鋁鎵氮，其生長溫度為1040°C，厚度為2μπι，該非故意摻雜模板層用于減少外延層位錯密度。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的低電阻率P型鋁鎵氮材料的制備方法，其特征在于，步驟4中所述在非故意摻雜模板層上低溫外延生長一層低碳雜質(zhì)濃度的P型鋁鎵氮層，該低碳雜質(zhì)濃度的P型鋁鎵氮層是以鎂作為受主摻雜劑，其空穴濃度在I X 117CnT3?I X 1018cm_3，其生長溫度為900?1000°C。
11.如權(quán)利要求6所述的低電阻率P型鋁鎵氮材料的制備方法，其特征在于，所述低電阻率P型鋁鎵氮材料是通過降低P型鋁鎵氮材料中的非故意摻雜碳雜質(zhì)濃度，降低受主補償作用來實現(xiàn)低電阻率的，所含碳濃度低于3X 1017cnT3。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的低電阻率P型鋁鎵氮材料的制備方法，其特征在于，所述降低P型鋁鎵氮材料中非故意摻雜碳雜質(zhì)濃度是通過提高生長過程中氨氣流量或者提高反應室壓力或者降低三甲基鎵流量來實現(xiàn)的。
13.根據(jù)權(quán)利要求6所述的低電阻率P型鋁鎵氮材料的制備方法，其特征在于，步驟5中所述高溫退火，溫度為500°C?850°C，退火時間在Imin?30min。
14.根據(jù)權(quán)利要求6所述的低電阻率P型鋁鎵氮材料的制備方法，其特征在于，該低電阻率P型鋁鎵氮材料是利用MOCVD設備，并用三甲基鎵和氨氣作為鎵源和氮源，以氫氣、氮氣或氫氣與氮氣的混合氣為載氣生長的。
【文檔編號】H01L33/32GK104332545SQ201410443191
【公開日】2015年2月4日 申請日期:2014年9月2日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月2日
【發(fā)明者】楊靜, 趙德剛, 樂伶聰, 李曉靜, 何曉光 申請人:中國科學院半導體研究所