[发明专利]利用F+离子注入实现氮化镓基发光二极管P型掺杂的方法

说明书

本发明属于半导体技术领域，尤其涉及利用F⁺离子注入实现氮化镓基发光二极管P型掺杂的方法。P型掺杂的GaN基LED外延片包括由下至上依次设置的图形化蓝宝石衬底、AlN缓冲层、GaN成核层、u型GaN层、N型GaN层、InGaN/GaN多量子阱MQW有源层、低温P型GaN层、高温P型GaN层。其中低温P型GaN层和高温P型GaN层的掺杂均采用F⁺离子注入方法实现，采用的受主掺杂剂为F⁺离子，F⁺离子的入射能量为10keV，入射角度为7°，注入剂量为2×10¹³cm^‑2，本发明与现行的Si工艺兼容，注入F⁺离子的浓度和深度分布精确可控，且制备过程简单，成本低廉。

技术领域

本发明属于半导体技术领域，尤其涉及一种基于氮化镓(GalliumNitride，GaN)基材料的发光二极管(LEDs)P型掺杂的实现方法。

背景技术

实现GaN基半导体材料的有效P型掺杂是制造高性能光电器件和电子器件的关键工艺技术。目前，氮化物材料的掺杂通常采用外延原位掺杂的方法。非故意掺杂的GaN导电类型通常为N型，具有很高的背景电子浓度，对P型会产生强烈的补偿作用，因此GaN的P型掺杂具有更高的技术难度。1992年Nakamura研究小组利用快速热退火(RTA)技术处理Mg掺杂，成功制备出了低阻的P型GaN材料，并因此获得2014年的诺贝尔物理学奖。然而，由于Mg受主较大的激活能(～200meV)，在室温下电离效率很低。

目前，制备大规模GaN基LED外延片的主流方法是金属有机物化学气相淀积(MOCVD：metal organic chemical vapor deposition)技术，生长P型GaN材料时需要在外延片上通入三甲基镓(TMGa)、二茂基镁(Cp₂Mg)、氨气(NH₃)分别作为Ga源、Mg源和N源，并使用氢气(H₂)和氮气(N₂)作为载气。但是，此种方法与现行主流的Si集成电路的离子注入工艺并不兼容。

外延原位生长掺杂方法虽然有效，但掺杂浓度不易控制、灵活性较差。而离子注入技术已被广泛应用于Si、GaAs和InP等半导体材料的制备中，它是将所注元素的气体或蒸气通入电离室电离后形成正离子，将正离子从电离室引出进入高压电场中加速，使其得到很高速度而打入半导体中的物理过程。离子注入具有以下优点：①在真空系统中进行的，同时使用高分辨率的质量分析器，保证掺杂离子具有极高的纯度；②注入离子的浓度和深度分布精确可控；③可实现大面积均匀注入；④注入离子时衬底温度可自由选择；⑤离子注入掺杂深度小等。早在上世纪70年代，J.I.Pankove等人就系统研究了35种元素的离子注入对GaN材料光致发光的影响，主要涉及Mg、Zn、Cd、Ca、As、Hg、Ag、C，Li，Be，Al和Si等元素。目前研究热点在于采用Mg作为GaN掺杂的受主、Si作为GaN掺杂的施主掺杂剂。

Mg离子注入不仅会引起非辐射复合中心，而且会引入缺陷。当Mg离子注入GaN时，Mg会取代Ga原子形成浅受主，受主型掺杂剂的加入会影响GaN的Fermi能级，使得原本偏于导带的Fermi能级向价带倾斜，从而形成深受主，影响发光性质。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种利用F⁺离子注入实现氮化镓基发光二极管P型掺杂的方法。与传统的P型掺杂的原理不同，该方法主要利用F⁺离子的强负电性调节价带和费米能级之间的相对位置来实现的。该技术的另外一个显著优势为，GaN表面存在明显的费米能级退钉扎效应，能够形成高质量的p型欧姆接触。