专利名称：使用雷射光降低p型薄膜阻值的活化方法
技术领域：
本发明是有关于一种使用雷射光降低P型薄膜阻值的活化方法，特别是有关于利用雷射光将高阻值P型掺杂的薄膜活化成P型掺杂的低阻值薄膜的活化方法。
由于宽能隙的III族金属氮化物(III-Nitride)，如氮化镓(GaN)、氮化铟镓(InGaN)、氮化铝镓(AlGaN)、氮化铝镓铟(AlGaInN)…等；以及，宽能隙的II-VI族化合物，如P-ZnSe、ZnMgSe…等，具有优越的光电特性，所以上述材料近几年来也被广泛地制作成薄膜型态，应用在光电组件上，例如发光二极管(LEDs)和雷射二极管(LDs)。然而，将上述材料制作成薄膜状态时，其应用上仍有若干的困难及限制，阻碍了光电产业的进展。
以氮化镓为例，由于缺乏适当的基板，所以到目前为止，在氮化镓薄膜的制作上，仍然使用晶格不匹配的氧化铝(sapphire)；主要通过氧化铝基板上成长缓冲层(buffer layer)的技术，配合有机金属气相沉积法(Metal-OrganicChemicalVaporDeposition；以下简称为MOCVD法)形成氮化镓薄膜。氮化镓薄膜在掺入P型杂质时，如铍Be、镁Mg、钙Ca、锌Zn、镉Cd等元素时，上述P型杂质非常容易与反应气体中的氢结合，导致所形成的P型氮化镓薄膜会呈现高阻值状态。依传统方式形成的P型氮化镓薄膜，其薄膜阻值常高于105Ωcm，且其电洞浓度常低于1012Ωcm-3，也因此在应用上受到相当大的限制。
日本名古屋大学的I·Akasaki和H·Amano使用低能量电子束(LEEBI)照射处理掺杂有Mg的氮化镓薄膜，将其活化而获得P型氮化镓薄膜。然而，名古屋大学所提出的方法，由于活化速率太慢，而且只有活化表面附近的薄膜，所以并不实用。
日亚化学公司S·Nakamura则使用双气流有机金属化气相沉积法以及低温氮化镓缓冲层来成长氮化镓薄膜。再利用退火的方式，将高阻值的P型(掺杂Mg)氮化镓薄膜活化成低阻值的P型氮化镓薄膜。其退火的工艺条件是在氮气的环境下，温度400-1200℃之间，持温1分钟以上。日亚化学公司的活化方法必须在充满氮气或是其它惰气的环境下进行，无法直接在大气环境下进行，故而会增加制作的成本及困难度。
本发明的目的在于提供一种利用雷射光将高阻值P型薄膜活化成低阻值P型薄膜的方法，其中，上述P型高阻值薄膜的材质是III族金属氮化物(III-Nitride)，如氮化镓(GaN)、氮化铟镓(InGaN)、氮化铝镓(AlGaN)、氮化铝镓铟(AlGaInN)…等；以及，II-VI族化合物，如P-ZnSe、ZnMgSe…等。
本发明的方法是直接在大气环境下进行，不需特别在惰气环境下进行，且可以通过变化雷射光的功率及焦点距离，以调整功率密度来缩短活化时间。
本发明的目的是这样实现的将高阻值P型薄膜活化成低阻值P型薄膜的活化方法，包括如下步骤提供第一P型薄膜，例如由MOCVD法制作而得；使用雷射光照射(例如红外线雷射)在上述第一P型薄膜上，提供能量将上述第一P型薄膜中P型掺杂和氢的键结打断，以释放出P型掺杂的载子，将上述第一P型薄膜活化成为第二P型薄膜，使得上述第二P型薄膜的阻值低于上述第一P型氮化镓薄膜。
本发明的主要优点是本发明的方法可直接在大气环境下进行，不需特别在惰气环境下进行，且可以通过变化雷射光的功率及焦点距离，以调整功率来缩短活化时间。具有制程容易及节省制作成本的实用功效。
下面结合较佳实施例和附图进一步说明。
图1是本发明的雷射光功率与氮化镓薄膜阻值的关系图；图2是本发明的雷射光照射时间与氮化镓薄膜阻值的关系图；图3是本发明的雷射光功率与氮化镓薄膜载子浓度的关系图；图4是本发明的雷射光照射时间与氮化镓薄膜载子浓度的关系图；图5是本发明的雷射光功率与氮化镓薄膜的光激光频谱图的关系图；图6是本发明的雷射光照射时间与氮化镓薄膜载子浓度的关系图。
参阅图1-图6，为简明起见，以下仅以P型氮化镓薄膜为例，以说明本发明使用雷射光将P型高阻值薄膜活化成P型低阻值薄膜的方法。然而，本发明并不限定于活化P型氮化镓薄膜，凡是III族金属氮化物(III-Nitride)，如氮化铟镓(InGaN)、氮化铝镓(AlGaN)、氮化铝镓铟(AlGaInN)…等；以及，II-VI族化合物，如P-ZnSe、ZnMgSe…等，所形成的P型薄膜，均可以应用本发明的方法降低其阻值。
本发明提供一种将高阻值P型氮化镓薄膜活化成低阻值P型氮化镓薄膜的制造方法，包含单层、Bulk P型氮化镓以及同质或异质接面结构皆可适用。
依据本发明将高阻值P型氮化镓薄膜活化成低阻值P型氮化镓薄膜的制造方法，包括如下的步骤首先，提供第一P型氮化镓薄膜，其是使用MOCVD法制作而得；由于所掺入氮化镓薄膜的P型杂质，如铍Be、镁Mg、钙Ca、锌Zn、镉Cd等元素，非常容易与反应气体中的氢结合，所以无可避免地导致上述第一P型氮化镓薄膜会呈现高阻值状态。其中，上述第一P型氮化镓薄膜，亦可使用分子束磊晶法(MBE)或是卤化物化学气相磊晶法(HVPE)制造而得。
接着，使用雷射光均匀照射在上述第一P型氮化镓薄膜上，由于瞬间提供高能量，可将上述第一P型氮化镓薄膜中P型掺杂和氢的键结打断，以释放出P型掺杂的载子；将上述第一P型氮化镓薄膜活化成为第二P型氮化镓薄膜。
由于第二P型氮化镓薄膜中具有的P型载子浓度高于第一P型氮化镓薄膜，所以第二P型氮化镓薄膜的阻值低于上述第一P型氮化镓薄膜。另外，上述雷射光可选自气体雷射、固体雷射或液体雷射…等；在此较佳实施例中，上述雷射光是使用红外线雷射光，例如二氧化碳雷射光。
本发明的实施例，主要是使用红外线雷射光照射在由MOCVD法形成的第一P型氮化镓薄膜上，以活化上述第一P型氮化镓薄膜。红外线雷射光的功率一般不大于50W，但是亦可以依需要使用功率高于50W的红外线雷射光。
本发明的方法可以通过调整红外线雷射的功率以及红外线雷射与第一P型氮化镓薄膜两者之间的距离，来调整红外线雷射光照射在上述第一P型氮化镓薄膜上的功率密度(power density，W/cm2)，而使活化时间小于1分钟。但是随着红外线雷射能量不同及焦距不同，活化时间亦可在1分钟或1分钟以上，亦可得到所需要的活化结果。
图1显示雷射光功率与氮化镓薄膜阻值的关系。由图1可知，当第一P型氮化镓薄膜在未接受红外线雷射照射前，其薄膜阻值相当高，已达到侦测仪器的极限；但随着红外线雷射功率增大，其薄膜阻值亦逐渐下降，当功率增加至10W时，阻值已下降至1、2Ωcm。
图2显示雷射光照射时间与氮化镓薄膜阻值的关系。由图2可知，若将红外线雷射功率固定在10W，随着照射时间增加，其薄膜阻值将逐渐下降。当照射时间为9分钟时，其阻值下降至1、48Ωcm；若时间增加至12分钟时，其阻值下降至1、2Ωcm。
图3显示雷射光功率与氮化镓薄膜载子浓度的关系。一般而言，当第一P型氮化镓薄膜在未接受红外线雷射照射前，其P型掺杂载子的浓度偏低，约为1012cm-3，主要是因为部分P型掺杂载子会和氮化镓薄膜中原有的N型载子结合之故，以及部分P型杂质已和氢形成键结之故。但是随着雷射功率增大(如图3所示)，第一P型氮化镓薄膜中P型杂质和氢之间的键结被雷射光的高功率所打断，因此有更多的P型载子释出，而使第一P型氮化镓薄膜活化成为第二P型氮化镓薄膜。第二P型氮化镓薄膜中的P型载子浓度亦随雷射光功率的增加而增加，当雷射光功率增加至10W时，其载子浓度可达7×1017cm-3以上。
图4显示雷射光照射时间与氮化镓薄膜载子浓度的关系。由图4可知，随着雷射光照射时间的增加，雷射光有更充分的时间将第一P型氮化镓薄膜中P型杂质和氢之间的键结予以打断，因此有更多的P型载子释放出，而使第一P型氮化镓薄膜活化成为第二P型氮化镓薄膜。将雷射光功率固定于10W的情形下，把照射时间增加至9分钟，其载子浓度可达4×1017cm-3，若把照射时间增加至12分钟，其载子浓度可达7×1017cm-3。
图5显示雷射光功率与氮化镓薄膜的光激光频谱图的关系。由图5可知，当第一P型氮化镓薄膜在未接受红外线雷射照射前(曲线I)，在其光激光频谱中，约450nm附近的蓝光频带强度相当地小，但是随着雷射功率增大，其蓝光频带的强度亦相对增强(曲线II、III)，此结果表示P型掺杂的活化程度随着雷射功率增大而提高。
图6显示雷射光照射时间与氮化镓薄膜的光激光频谱图的关系。由图6可知，在固定雷射光功率为10W的情形下，随着雷射照射时间增长，其蓝光频带的强度亦相对增强，此结果表示P型掺杂的活化程度随着雷射功率增大而提高。
由上述图1-图6所示的实验数据可知，将以MOCVD法制得具有高阻值的第一P型氮化镓薄膜，使用本发明活化方法处理后，确实使得活化后的第二P型氮化镓薄膜的阻值降低，其中的P型载子增加，更具有较强的蓝光频带响应。
目前最常用来将高阻值P型氮化镓薄膜活化成低阻值P型氮化镓薄膜的方法，是采用日亚化学公司所提出的方法(如上述)。但是日亚化学公司进行热退火的条件，必须在充满氮气或是其它惰气的环境下，且设定温度400-1200℃之间，并且持温1分钟以上。然而，本发明的特点在于，可直接在大气环境下使用雷射光进行活化，不须在特殊气体的环境下进行；而且可以通过调整雷射光的功率和焦点距离、及功率密度来缩短活化时间。因此，本发明的活化方法，比传统方式，不仅制程容易，可以节省制作成本，对于光电产业而言具有相当的实用性。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，但并非用以限定本发明，任何熟悉本项技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，所做的更动和润饰，都属于本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种使用雷射光降低P型薄膜阻值的活化方法，其特征在于它包括如下步骤提供第一P型掺杂的III族金属氮化物薄膜；使用雷射光照射在上述第一P型掺杂的III族金属氮化物薄膜上，将上述第一P型掺杂的III族金属氮化物薄膜活化成为第二P型掺杂的III族金属氮化物薄膜；其中，上述第二P型掺杂的III族金属氮化物薄膜的阻值低于上述第一P型掺杂的III族金属氮化物薄膜。
2.如权利要求1所述的活化方法，其特征在于该雷射光为气体雷射、固体雷射或液体雷射光。
3.如权利要求1所述的活化方法，其特征在于该雷射光为红外线雷射光。
4.如权利要求1所述的活化方法，其特征在于该雷射光为红外线二氧化碳雷射光。
5.如权利要求1所述的活化方法，其特征在于该第一P型掺杂的III族金属氮化物薄膜是使用有机金属化学气相沉积法、分子束磊晶法或是卤化物化学气相磊晶法制造而得。
6.如权利要求1所述的活化方法，其特征在于该第一P型掺杂的III族金属氮化物薄膜的材质选自氮化镓、氮化铟镓、氮化铝镓或氮化铝镓铟。
7.如权利要求1所述的活化方法，其特征在于该第一P型掺杂的III族金属氮化物薄膜的P型杂质选自铍、镁、钙、钡、镉或锌元素中的至少一种。
8.一种使用雷射光降低P型薄膜阻值的活化方法，其特征在于它包括如下步骤提供第一P型掺杂的II-VI族化合物半导体薄膜；使用雷射光照射在上述第一P型掺杂的II-VI族化合物半导体薄膜上，将上述第一P型掺杂的II-VI族化合物半导体薄膜活化成为第二P型掺杂的II-VI族化合物半导体薄膜；其中，上述第二P型掺杂的II-VI族化合物半导体薄膜的阻值低于上述第一P型掺杂的II-VI族化合物半导体薄膜。
9.如权利要求8所述的活化方法，其特征在于该雷射光为气体雷射、固体雷射或液体雷射光。
10.如权利要求8所述的活化方法，其特征在于该雷射光为红外线雷射光。
11.如权利要求8所述的活化方法，其特征在于该雷射光为红外线二氧化碳雷射光。
12.如权利要求8所述的活化方法，其特征在于该第一P型掺杂的II-VI族化合物半导体薄膜是使用有机金属化学气相沉积法、分子束磊晶法或是卤化物化学气相磊晶法制造而得。
全文摘要
一种使用雷射光降低P型薄膜阻值的活化方法,利用雷射光使具有高阻值的P型薄膜活化成低阻值P型薄膜;高阻值P型薄膜为P型掺杂的III族金属氮化物薄膜或P型掺杂的II－VI族化合物薄膜。本发明的方法可直接在大气环境下进行,不需特别在惰气环境下进行,且可以通过变化雷射光的功率和焦点距离,及调整功率来缩短活化时间。具有制程容易及节省制作成本的实用功效。
文档编号H01L21/268GK1372307SQ0110903
公开日2002年10月2日 申请日期2001年2月27日 优先权日2001年2月27日
发明者曾坚信, 蔡文忠, 陈聪育, 许家弘, 赖韦志 申请人:连威磊晶科技股份有限公司