专利名称：一种双元素delta掺杂生长P型GaN基材料的方法
技术领域：
本发明涉及GaN材料的制备技术领域，尤其涉及一种双元素delta掺杂生 长P型GaN基材料的方法。
技术背景GaN是继第一代硅、锗和第二代砷化镓、磷化铟等材料以后的第三代新型半 导体材料。GaN基材料具有带隙宽、发光效率高、电子漂移饱和速度高、热导率 高、硬度大、介电常数小，化学性质稳定及抗辐射、抗高温异质结界面二维电 子气浓度高等特性，成为制造高功率、高频电子器件、短波长光电子器件、高 温器件和抗辐照器件最重要的半导体材料，被誉为第三代半导体材料。GaN材料以及基于GaN材料的各种器件虽然在近十年中得到了系统和深入的 研究。但现在仍然面临着许多的问题，GaN基材料的p型摻杂技术始终没有很好 的解决。目前在GaN基材料中普遍使用的P型掺杂杂质是Mg，由于Mg自身具有较 高的电离能，同时Mg杂质的自补偿效应比较明显，因而通常掺Mg-GaN基材料的 空穴浓度只有1017~10 附—3,迁移率尚不到10加VP^，掺杂效率只有O. 1%~ 1% , 不能很好满足器件要求，即Mg被单独作为P型掺杂剂时，难于获得高质量、高空 穴浓度P型GaN基材料。 发明内容针对现有技术的缺点，本发明的目的是提供一种能显著抑制Mg杂质的自补 偿效应的，能够获得高质量的、高空穴浓度的双元素delta掺杂生长P型GaN基材 料的方法。为实现上述目的，本发明的技术方案为 一种双元素delta掺杂生长P型 GaN基材料的方法，包括以下步骤① 在置于反应腔中的衬底上依次生长出低温緩冲层和高温緩冲层；② 采用双元素delta掺杂法在所述高温緩沖层上生长p型GaN基层材料， 掺杂杂质的元素为Mg、 Zn或Mg、 0或Mg、 Si;③ 采用热退火方法对杂质元素进行激活。由于目前GaN基材料和衬底失配较大，所以在协调衬底与GaN晶格失配问 题上需要緩冲层技术来解决。此外，选择Mg、 Zn或Mg、 0或Mg、 Si作为掺杂 杂质，采用Mg、 Zn共掺杂时，Zn原子可以降低H的溶解度来提高Mg受主的激 活率；而采用Mg、 0或者Mg、 Si共掺杂时，可以使受主能级降低施主能级升高 产生更高的空穴浓度。因此，当双元素共掺杂这种方法被用于delta掺杂工艺 时，Mg杂质的自补偿效应可得到有效减少，从而可以大大提高P型掺杂的空穴 浓度。此外受主原子Mg和残留的原子H会形成Mg-H复合体，这种复合体会导致 了Mg的钝化效应，通过高温退火可使Mg-H键断开，激活受到钝化的受主Mg。而步骤②中，所述的掺杂杂质元素Mg、 Zn或Mg、 0或Mg、 Si,其中，Mg 元素为主要掺杂元素，Zn或O或Si元素为辅助掺杂元素，主要掺杂元素与辅助 掺杂元素的比控制在300~1000之间，适量的辅助掺杂元素可以提高P型掺杂的 空穴浓度。分别使用CP2Mg、 DEZn、 02、 Si[i(作为Mg源、Zn源、0源，Si源。 此外，所述双元素delta掺杂是在温度为700。C-120(TC条件下，进行50-300个 周期的生长，每个周期包含以下步骤1) 通入N源，Ga基三族源，生长GaN基非故意掺杂层；2) 切断三族源20-45s，使所述GaN基非故意掺杂层表面跟NH3充分接触；3) 通入主要摻杂元素Mg和辅助掺杂元素Zn或O或Si元素，20-35s。 掺杂时须停止通入三族源，这一过程抑制了GaN基外延层位错的攀沿，可以减小GaN基材料的位错密度。步骤l)中，采用冊3、 TMGa、 TMA1、 TMIn分别作为N源、Ga源、Al源、In源， 采用H2作为载气生长GaN基非故意掺杂层，所述Ga基三族源为Ga源、Al源以及步骤①中，采用MOCVD方法生长所述低温緩冲层、高温緩冲层和p型GaN基材 料，所述反应腔为MOCVD反应腔，所述低温緩冲层和高温緩沖层生长温度范围分 别为500。C-650。C、 1080。C-1200。C。步骤③中，热退火是在Ni环境下进行的，退火温度为50(TC 950。C,退火 时间为30s-600s。与现有技术相比，本发明的双元素delta掺杂生长P型GaN基材料的方法， 在使用delta掺杂法法生长P型GaN基材料时，掺入两种掺杂杂质，Mg元素为 主要掺杂元素，Zn或O或Si元素为辅助掺杂元素，能够显著的抑制Mg杂质的 自补偿效应，解决了 Mg被单独作为P型掺杂剂的难于获得高质量、高空穴浓度 P型GaN基材料的难题。
图1为本发明的双元素delta掺杂生长的P型GaN基材料的结构示意图；图2为实施例中双元素delta掺杂实施方法示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明进行详细的描迷。 实施例1本发明采用金属有机物化学气相沉积(MOCVD )方法，生长所述的衬底、低 温緩冲层、高温緩冲层以及GaN基材料，所用的衬底是洁净包装、无需清洗的 (0001)晶向的C面蓝宝石衬底，表面粗糙度小于O. lnm。如图1及图2所示，采用冊3、 TMGa分别作为N源、Ga源，采用&作为载气，在 MOCVD反应腔首先将蓝宝石衬底温度加热至550°C ，在蓝宝石衬底上长出 一层 0. lum的低温缓冲层，材质为GaN。紧接着加热蓝宝石衬底温度至1050。C,在所 述低温緩冲层上生长一层lum的高温緩冲层，材质为GaN。其次，保持蓝宝石衬底温度在1050。C,在高温緩冲层上表面使用双元素 delta掺杂法生长200个周期的P型GaN材料，即图l所示的delta掺杂部分。每个 周期包含如下三个步骤1)通入N源，Ga基三族源(Ga源、Al源、In源)，生长10nra的GaN非故意掺杂层，其中采用NH3、 TMGa分别作为N源、Ga源，采用比作为载气；2) 切断Ga基三族源35s，使所述GaN非故意掺杂层表面跟NH3充分接触；3) 通入主要掺杂元素Mg源和辅助掺杂元素Zn源或O源或Si源30s。主要掺杂 元素与辅助掺杂元素的比控制在1000左右。分別使用CP2Mg、 DEZn、 02、 SiIM乍 为Mg源、Zn源、0源，Si源。在进行上面三个步骤后，切断掺杂杂质源，重新通入Ga源生长GaN层，如此 重复200个周期。双元素Delta掺杂法可以减小GaN基外延层的位错密度，其原因 在于在掺杂时须停止通入三族源，这一过程抑制了GaN基外延层位错的攀沿，从 而减小了 GaN基材料的位错密度。最后，在生长结束后，采用热退火方法对杂质进行激活，退火是在N2环境 下进行的，退火温度为800'C,退火时间为300s。以上双元素de 11a掺杂生长P型GaN基材料的方法，对于本领域的一^:技术人 员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式
及应用范围上均会有改变之处， 综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
权利要求
1、一种双元素delta掺杂生长P型GaN基材料的方法，其特征在于包括以下步骤①在置于反应腔中的衬底上依次生长出低温缓冲层和高温缓冲层；②采用双元素delta掺杂法在所述高温缓冲层上生长p型GaN基层材料，掺杂杂质的元素为Mg、Zn或Mg、O或Mg、Si；③采用热退火方法对杂质元素进行激活。
2、 根据权利要求l所述的双元素delta掺杂生长P型GaN基材料的方法，其特 征在于步骤②中，所述的掺杂杂质元素Mg、 Zn或Mg、 0或Mg、 Si，其中，Mg元 素为主要掺杂元素，Zn或O或Si元素为辅助掺杂元素，主要掺杂元素与辅助掺杂 元素的比在300 1000之间。
3、 根据权利要求2所述的双元素delta掺杂生长P型GaN基材料的方法， 其特征在于所述的掺杂杂质分别使用CP2Mg、 DEZn、 02、 SiH4作为Mg源、Zn 源、0源，Si源。
4、 根据权利要求3所述的双元素delta掺杂生长P型GaN基材料的方法， 其特征在于步骤②中，所述双元素delta掺杂是在温度为700。C-1200。C条件 下，进行50-300个周期的生长，每个周期包含以下步骤1) 通入N源，Ga基三族源，生长GaN基非故意掺杂层；2) 切断三族源20-45s,使所述GaN基非故意掺杂层表面跟氨气充分接触；3 )通入主要掺杂元素Mg和辅助掺杂元素Zn或O或Si元素，通入时间为20-35s。
5、 根据权利要求4所述的双元素delta掺杂生长P型GaN基材料的方法，其特 征在于步骤l)中，采用冊3、 TMGa、 TMA1、 TMIn分别作为N源、Ga源、Al源、 In源，采用H2作为载气生长GaN基非故意掺杂层，所述Ga基三族源为Ga源、Al源、 以及In源。
6、 根据权利要求l所述的双元素delta掺杂生长P型GaN基材料的方法，其特 征在于步骤①中，采用MOCVD方法生长所述低温緩冲层、高温緩冲层和p型GaN基材料，所述反应腔为MOCVD反应腔。
7、 根据权利要求6所述的双元素delta掺杂生长P型GaN基材料的方法，其特 征在于所述低温緩冲层和高温緩冲层生长温度范围分别为500°C-650°C、 1080 °C-1200°C。
8、 根据权利要求1所述的双元素delta掺杂生长P型GaN基材料的方法， 其特征在于热退火是在N2环境下进行的，退火温度为50(TC-95(TC,退火时间 为30s-600s。
全文摘要
本发明公开了一种双元素delta掺杂生长P型GaN基材料的方法，包括以下步骤①在置于反应腔中的衬底上依次生长出低温缓冲层和高温缓冲层；②采用双元素delta掺杂法在所述高温缓冲层上生长p型GaN基层材料，掺杂杂质的元素为Mg、Zn或Mg、O或Mg、Si；③采用热退火方法对杂质元素进行激活。本发明所提供的双元素delta掺杂生长P型GaN基材料的方法，能显著抑制Mg杂质的自补偿效应，同时能够获得高质量的、高空穴浓度的P型GaN基材料。
文档编号H01L21/02GK101661878SQ200910192129
公开日2010年3月3日 申请日期2009年9月8日 优先权日2009年9月8日
发明者灏 江, 陈计林 申请人:中山大学