专利名称：激光诱导下的氮化镓p型欧姆接触制备方法
技术领域：
本发明涉及一种GaN P型欧姆接触制备方法，尤其是激光诱导下氮化镓(GaN)P型欧姆接触制备方法。
背景技术：
GaN基材料是第三代寛禁带半导体材料的代表，具有许多优异的性能，在篮紫光发射、高温、超高频、大功率等许多光电和微波器件领域有着广阔的应用前景。随着GaN基高亮度篮、紫色发光二极管的商品化和实用化，高亮度的白色发光二极管将有可能取代目前的各种照明灯，人类的照明技术将面临一场新的革命(梁春广，半导体照明灯，半导体情报，2000，37(1))。然而，目前GaN材料还有一些技术难题没有完全解决。其中最主要的难题之一是制备良好的P-型欧姆接触非常困难。其原因有二(1)缺乏功函数大于P-GaN功函数的金属。根据欧姆接触的势垒模型，欧姆接触时金属的功函数Φm必须大于P-型半导体的功函数Φs。室温下纤锌型结构GaN的禁带宽度为3.4ev，电子亲和势为4.1ev，P-GaN的功函数约为7ev(Bougrov V.，Levinshtein M.E.，Rumyantesev S.L.，Zubrilov A.，InProperties of Advanced Semiconductor Materials GaN，AlN，InN，BN，SiC，SiGe，Eds.Levinshtein M.E.，Rumyantesev S.L.，Shur M.S.，John Wiley & Sons，Inc.，New York，2001，1-30)，所有的金属功函数都小于此值，不能满足Φm＞Φs的条件。(2)目前P-型GaN材料的有效空穴浓度很低，一般仅达1017cm-3左右(李秀清译自，Proceedings of theIEEE，1997；85(11)1740和III-V Review 1998；11(1)38，半导体情报，2000，37(2)58-64)。根据欧姆接触的隧穿模型，要实现P-型半导体的空穴隧穿势垒到达金属，P-型半导体就必须是重掺杂，让金属-P型半导体的接触势垒变薄。P-型半导体的有效掺杂浓度越高越好，一般要求半导体达到简并。目前1017cm-3左右的掺杂浓度是远远不够，不足以实现空穴隧穿势垒(Nakamura S，Senoh M，Japanese Journal of Applied Physics，199837，L627)。在P-型掺杂浓度为1017cm-3左右的弱P型GaN晶片上用Cr/Au双层金属接触，900℃下退火15s，比接触电阻为4.1×10-1Ωcm2(J.T.Trexler，S.J.Pearton et al.，Mater.Res.Soc.Symp.Proc.1997，449，1091)；对于P-型掺杂浓度为3×1017cm-3的GaN，用Pt/Nit/Au三层金属接触，在氮气流动气氛下350℃退火1min，得比接触电阻5.1×10-4Ωcm2(Jang JS，Chang I S，Kim H，“Low resistance Pt/Nit/Au ohmic contact to p-type GaN”，Applied PhysicsLetters，1999；74(1)70)，这是1999-2000年所报道的最好值。国内2003年北京大学在空穴浓度为4.68×1017cm-3的p-GaN上，用Nit/Au双层金属接触，在氮气流动气氛下600℃退火10min，得比接触电阻2.76×10-2Ωcm2；台湾清华大学Nit/Cu双层金属接触，在氮气流动气氛下600℃退火30s，得比接触电阻1.31×10-4Ωcm2(S.H.Liu et al.，Applied SurfaceScience，2003，907212-213)。1999-2000年后国际上又有较大的进展，对空穴浓度为2.7×1017cm-3的p-GaN采用Ni/Au为接触金属，在氧气氛下500℃退火得比接触电阻4×10-6Ωcm2(Jin-Kuo Ho，Charng Jong，et al.，J.Appl.Phys.，1999，86(8)4491)，对空穴浓度为2～3×1017cm-3的p-GaN采用Pt/Ru为接触金属，在氮气气氛下600℃退火2min得比接触电阻2.2×10-6Ωcm2(Ja-Soon Jang，et al.，Appl.Phys.Lett.，2000，762898)，对空穴浓度为6×1017cm-3的p-GaN采用Pd/Ag/Au/Ti/Au为接触金属，在氮气气氛下800℃退火1min得比接触电阻1.1×10-6Ωcm2(V.Adivarahan，A.Lunev，et al.，Appl.Phys.Lett.，2001，782781)。
因为目前p-GaN得比接触电阻太大，影响了GaN基器件的性能，如正向工作电压太大，器件发热，PN结的注入比降低，器件的电功率和发光功率下降，激光器和发光二极管发光效率降低等。
发明内容
本发明旨在提供一种改进的激光诱导下GaN P-型欧姆接触制备方法。
本发明的技术方案是先在P-GaN样品表面淀积金属锌(Zn)薄层，用连续或脉冲的Nd:YAG(掺钕的钇铝石榴石)固体激光器在大气的环境下辐照Zn/p-GaN样品的表面，进行激光诱导下的高浓度的有效Zn掺杂。具体工艺步骤为1、在GaN样品表面淀积一层200～300nm厚的金属锌薄层；2、将Zn/GaN样品预加热到200～300℃；3、用固体激光器辐照Zn/GaN样品的表面1～3min，脉冲宽度1～5ms，激光功率密度130～150W/cm2；4、将样品表面剩余的锌腐蚀掉，经去离子水清洗烘干；5、用激光诱导方法掺Zn的样品表面上，用磁控溅射方法淀积Ni(70nm)/Au(200nm)或Zn(70nm)/Au(200nm)双层金属，对金属进行光刻形成电极；6、在氮气气氛下，在400～700℃范围内退火。
结果可以用图示仪和圆形传输线模型(CTLM)方法进行比接触电阻的测量。
所说的GaN样品为n-GaN或弱P--型GaN。可用溅射或者蒸发的方法在GaN样品表面淀积一层金属锌薄层。
所说的固定激光器可采用连续或者脉冲的Nd:YAG(掺钕的钇铝石榴石)固体激光器。所说的辐照可在大气的环境下进行。
可采用稀盐酸将样品表面剩余的锌腐蚀掉。在氮气气氛下，在400～700℃范围内退火1～10min。
用热探针测量表明，对于电子浓度n≈1017cm-3的样品，将其转变为P-型的最小激光功率为130W/cm2。
图1为激光诱导掺杂的实验装置示意图。
具体实施例方式
实施例1用溅射方法在常规清洗干净的n-GaN样品表面淀积一层250nm厚的金属锌薄层，将Zn/GaN样品预加热到250℃，用连续的Nd:YAG固体激光器在大气的环境下辐照Zn/GaN样品的表面2min，脉冲宽度3ms，激光功率密度140W/cm2。用稀盐酸将样品表面剩余的锌腐蚀掉，经去离子水清洗烘干。用激光诱导方法掺Zn的样品表面上，用磁控溅射方法淀积Ni(70nm)/Au(200nm)双层金属，用常规工艺对金属进行光刻形成电极。在氮气气氛下用快速退火炉，在550℃范围内进行退火5min。
实施例2用溅射的方法在常规清洗干净的弱P--型GaN样品表面淀积一层300nm厚的金属锌薄层；将Zn/GaN样品预加热到300℃，用连续Nd:YAG固体激光器在大气的环境下辐照Zn/GaN样品的表面2.5min，脉冲宽度2ms，激光功率密度130W/cm2。用稀盐酸将样品表面剩余的锌腐蚀掉，经去离子水清洗烘干，用激光诱导方法掺Zn的样品表面上，用磁控溅射方法淀积Zn(70nm)/Au(200nm)双层金属，用常规工艺对金属进行光刻形成电极。在氮气气氛下用快速退火炉，在700℃范围内进行退火7min。
实施例3用蒸发的方法在常规清洗干净的GaN样品表面淀积一层200nm厚的金属锌薄层，将Zn/GaN样品预加热到200℃。用连续的Nd:YAG固体激光器在大气的环境下辐照Zn/GaN样品的表面3min，脉冲宽度5ms，激光功率密度150W/cm2。用稀盐酸将样品表面剩余的锌腐蚀掉，经去离子水清洗烘干。用激光诱导方法掺Zn的样品表面上，用磁控溅射方法淀积Zn(70nm)/Au(200nm)双层金属，用常规工艺对金属进行光刻形成电极。在氮气气氛下用快速退火炉，在600℃范围内进行退火10min。
实施例4用蒸发的方法在常规清洗干净的GaN样品表面淀积一层260nm厚的金属锌薄层，将Zn/GaN样品预加热到240℃。用脉冲的Nd:YAG固体激光器在大气的环境下辐照Zn/GaN样品的表面1min，脉冲宽度1ms，激光功率密度135W/cm2。用稀盐酸将样品表面剩余的锌腐蚀掉，经去离子水清洗烘干。用激光诱导方法掺Zn的样品表面上，用磁控溅射方法淀积Ni(70nm)/Au(200nm)双层金属，用常规工艺对金属进行光刻形成电极。在氮气气氛下用快速退火炉，在400℃范围内进行退火1min。
用热探针测量表明，对于电子浓度n≈1017cm-3的样品，将其转变为P型的最小激光功率为130W/cm2。激光诱导掺杂的设备参见图1，由Nd:YAG连续激光器或Nd:YAG脉冲激光器1、反射镜2、聚焦透镜3组成，GaN样品4置于聚焦透镜下方，样品的上方为Zn。
结果可以用图示仪和圆形传输线模型(CTLM)方法进行比接触电阻的测量。
本发明与已有的GaN P型欧姆接触制备方法相比有以下优点(1)采用本发明不仅对中、强型p-型掺杂(空穴浓度1017～1018cm-3、1018cm-3以上)的GaN基材料有效，而且对弱p型掺杂(空穴浓度～1017cm-3)的GaN样品制备欧姆接触也有效。对于弱p-型掺杂(空穴浓度～1017cm-3)的GaN样品当采用Ni/Au双层金属接触时，适当优化退火的条件，比接触电阻可达2.10×10-4Ωcm2；当采用Zn/Au双层金属接触时，适当优化退火的条件，比接触电阻可达4.75×10-4Ωcm2。
(2)采用本发明不仅能制备比接触电阻低p-GaN欧姆接触，而且能够在原有p-GaN的表面形成P+P高低发射结，有助于提高GaN基结型器件的注入效率。目前所报道的其它方法都没有这项作用。
(3)用连续或脉冲的Nd:YAG固体激光器在大气的环境下辐照Zn/p-GaN样品的表面，进行激光诱导下的高浓度的有效Zn掺杂后，再采用Ni/Au或Zn/Au双层金属接触退火制备良好的欧姆接触工艺是本发明首先提出并获得良好结果的。
上述工艺可以用于GaN基材料的各种器件的P-型欧姆接触制备，可以降低结型器件的正向工作电压，提高发光效率。例如可以使CaN基发光二极管的正向工作电压(正向工作电流20mA下)降到3.2V以下。用Ni/Au双层金属接触时电极和GaN基材料接触很牢固，用Zn/Au双层金属接触时电极和GaN基材料接触不够牢固。
权利要求
1.激光诱导下的氮化镓P型欧姆接触制备方法，其特征在于其工艺步骤为1)、用溅射或者蒸发的方法在GaN样品表面淀积一层200～300nm厚的金属锌薄层；2)、将Zn/GaN样品预加热到200～300℃；3)、用固体激光器辐照Zn/GaN样品的表面1～3min，脉冲宽度1～5ms，激光功率密度130～150W/cm24)、将样品表面剩余的锌腐蚀掉，经去离子水清洗烘干；5)、用激光诱导方法掺Zn的样品表面上，用磁控溅射方法淀积Ni(70nm)/Au(200nm)或Zn(70nm)/Au(200nm)双层金属，对金属进行光刻形成电极；6)、在400～700℃范围内退火。
2.如权利要求1所述的激光诱导下的氮化镓P型欧姆接触制备方法，其特征在于所说的GaN样品为n-GaN或弱P--型GaN。
3.如权利要求1所述的激光诱导下的氮化镓P型欧姆接触制备方法，其特征在于用溅射或者蒸发的方法在GaN样品表面淀积一层金属锌薄层。
4.如权利要求1所述的激光诱导下的氮化镓P型欧姆接触制备方法，其特征在于所说的固定激光器采用连续或者脉冲的NdYAG固体激光器。
5.如权利要求1所述的激光诱导下的氮化镓P型欧姆接触制备方法，其特征在于所说的辐照在大气的环境下进行。
6.如权利要求1所述的激光诱导下的氮化镓P型欧姆接触制备方法，其特征在于采用稀盐酸将样品表面剩余的锌腐蚀掉。
7.如权利要求1所述的激光诱导下的氮化镓P型欧姆接触制备方法，其特征在于在氮气气氛下，在400～700℃范围内退火1～10min。
全文摘要
涉及一种激光诱导下GaN P－型欧姆接触制备方法。其步骤为在GaN表面淀积金属锌，将Zn/GaN预热，激光辐照，用激光诱导方法掺Zn的样品表面上，淀积Ni(70nm)/Au(200nm)或Zn(70nm)/Au(200nm)双层金属，光刻形成电极，退火。对中、强型p－型掺杂的GaN基材料和弱p型掺杂的GaN样品制备欧姆接触均有效。对于弱p－型掺杂的GaN样品当采用Ni/Au双层金属接触时，比接触电阻可达2.10×10
文档编号C01B21/00GK1554575SQ20031012109
公开日2004年12月15日 申请日期2003年12月24日 优先权日2003年12月24日
发明者陈朝, 田洪涛, 陈 朝 申请人:厦门大学