[发明专利]一种P型GaN低流量掺杂剂控制生长方法

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：