[发明专利]用于制造p型半导体结构的方法

说明书

技术领域

本发明涉及对半导体发光器件的设计。更具体地，本发明涉及一种用于外延生长p型氮化物半导体材料的技术和一种用于使用这种p型氮化物半导体材料来制造半导体发光器件的方法。

背景技术

III-V族氮化物半导体材料，包括化合物(例如GaN、InN和AlN)和合金(例如AlGaN、InGaN和AlGaInN)，被广泛地用于制造诸如发光二极管和激光二极管之类的短波长发光器件，以及制造高频电子元件。多年来，对使用III-V族化合物半导体材料的高亮度发光二极管(HB-LED)的需求已经显著增长。HB-LED在光电行业、固态电子器件、自动照明系统和其它应用中具有广泛的用途。

P-N结是制造发光器件时必须的结构。当向发光器件施加前向偏置时，载流子(即来自p型层的空穴和来自n型层的电子)在P-N结区域中进行重新组合并且因此能量以光子的形式被释放。由p型层与n型层之间的多量子阱(MQW)结构形成的有源区域有助于形成较高载流子浓度以及由此增加的载流子重新组合速率，这可以提高发光效率。

用于用III-V族氮化物材料来外延生长LED结构的技术包括金属有机化学汽相淀积(MOCVD)、分子束外延(MBE)和氢化物汽相外延(HVPE)。用于外延生长的衬底材料包括蓝宝石(Al2O3)、硅和碳化硅(SiC)。

当分别将Si和镁(Mg)用作用于制造III-V族氮化物材料的施主掺杂剂和受主掺杂剂时，相对容易在n型氮化物材料中获得高载流子浓度。然而，对于p型氮化物材料则不是这种情况。

在制造p型氮化物材料期间，通常将氢气(H2)用作载气来增加受主的浓度，该受主通常是Mg。然而，H2和Mg可以形成电非激活的Mg-H复合物，这会降低掺杂效率。作为结果，掺杂有Mg的p型氮化物层有可能具有比掺杂有其他材料的层更少的激活受主。

为克服上面描述的问题并获得低电阻率的p型氮化物层，可以在生长p型氮化物层之后采用低能电子束照射(LEEBI)和/或无H2环境中的退火处理。这些附加工艺击穿Mg-H复合物并电激活受主。然而，p型氮化物层必须相对较薄以便使得这些附加工艺能够有效。

另一方面，具有相对较厚的一层p型氮化物材料可以提高LED的质量和可靠性。生长高质量的厚p型氮化物层通常需要高温环境并且生长延长的时间段。然而，这种延长的高温生长会损坏相邻量子阱有源区域并从而降低载流子激活工艺的效率。因此，激活受主的数目减小，并且发光器件的效率也会降低。

因此，所需要的是一种用于生长具有高载流子浓度的相对较厚的p型氮化物层而不损及相邻MQW区域的质量的方法。

发明内容

本发明的一个实施例提供了一种用于制造III-V族p型氮化物结构的方法。该方法包括在第一生长环境中生长具有第一受主浓度的第一层p型III-V族材料。该方法还包括在第二生长环境中在第一层的顶部上生长第二层p型III-V族材料，其比第一层厚并且其具有第二受主浓度。另外，该方法包括在第三生长环境中在第二层的顶部上生长第三层p型III-V族材料，其比第二层薄并且其具有第三受主浓度。

在这一实施例的一个变型中，用于第一层p型III-V族材料的第一生长环境包括H2作为载气。

在这一实施例的一个变型中，第一生长环境中的生长温度等于或高于900℃。

在这一实施例的一个变型中，第一层p型III-V族材料具有等于或高于1×1019cm-3的受主浓度。

在这一实施例的一个变型中，用于第一层p型III-V族材料的生长时间小于或等于1000秒。

在这一实施例的一个变型中，用于第二层p型III-V族材料的第二生长环境包括N2作为载气。

在这一实施例的一个变型中，第二生长环境中的生长温度至少比第一生长环境中的生长温度低30℃。

在这一实施例的一个变型中，第二层p型III-V族材料的厚度至少为

在这一实施例的一个变型中，用于第二层p型III-V族材料的生长时间至少是用于第一层p型III-V族材料的生长时间的1.5倍。

在这一实施例的一个变型中，用于第三层p型III-V族材料的第三生长环境包括H2作为载气。

在这一实施例的一个变型中，第三生长环境中的生长温度至少比第二生长环境中的生长温度高30℃。

在这一实施例的一个变型中，第三层p型III-V族材料具有等于或高于1×1019cm-3的受主浓度。

在这一实施例的一个变型中，用于第三层p型III-V族材料的生长时间小于或等于用于第二层p型III-V族材料的生长时间的一半。