CN102881784B - Cδ掺杂的p型GaN/AlGaN结构、LED外延片结构及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种Cδ掺杂的p型GaN/AlGaN结构，包括p型GaN/AlGaN单元，所述p型GaN/AlGaN单元包括顺序排列的非掺杂的p型氮化镓层、C掺杂量逐渐增加的氮化镓铝层、C掺杂层和C掺杂量逐渐减少的氮化镓铝层。本发明还提供一种Cδ掺杂的p型GaN/AlGaN结构的制备方法、具有该Cδ掺杂的p型GaN/AlGaN结构的LED外延片结构及其制备方法。本发明提供的Cδ掺杂的p型GaN/AlGaN结构、LED外延片结构及其制备方法中，所述Cδ掺杂的p型GaN/AlGaN结构能够产生高浓度的二维空穴和高的空穴迁移率，从而具有高的电导率。
Description
技术领域
本发明属于半导体领域，尤其涉及一种Cδ掺杂的p型GaN/AlGaN结构、LED外延片结构及制备方法。
背景技术
术语解释：
Cδ掺杂：C（碳）元素的德尔塔掺杂，即以δ掺杂的方式将C掺杂进去。
具有高电导率的p型氮化镓（GaN）和氮化镓铝（AlGaN）外延材料对于各种电子和光电子器件都非常重要，但是由于Mg杂质在GaN外延材料中形成深能级，大大降低了杂质的激活效率，加上在重掺杂条件下空穴的迁移率也较低，导致p型GaN材料的电导率一直得不到有效的提高；而在禁带宽度更宽的AlGaN外延材料中，p型材料的电导率就更低。因此，p型GaN和AlGaN外延材料中电导率不高，导致当前p型的GaN和AlGaN材料无法满足在激光器、太阳盲紫外探测器等光电器件中越来越多的应用。由此，对于高电导率p型GaN和AlGaN的需求也越来越迫切。
发明内容
本发明的目的是提供一种Cδ掺杂的p型GaN/AlGaN结构，所述Cδ掺杂的p型GaN/AlGaN结构能够产生高浓度的二维空穴和高的空穴迁移率，从而具有高的电导率；本发明还提供了该Cδ掺杂的p型GaN/AlGaN结构的制备方法、具有该Cδ掺杂的p型GaN/AlGaN结构的LED外延片结构及其制备方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种Cδ掺杂的p型GaN/AlGaN结构，包括p型GaN/AlGaN单元，所述p型GaN/AlGaN单元包括顺序排列的非掺杂的p型氮化镓层、C掺杂量逐渐增加的氮化镓铝层、C掺杂层和C掺杂量逐渐减少的氮化镓铝层。
本发明还提供一种Cδ掺杂的p型GaN/AlGaN结构的制备方法，所述方法包括以下步骤：
S11、以三甲基镓作为镓源、氨气作为氮源，生长非掺杂的p型氮化镓层；
S12、以三甲基铝作为C掺杂源和铝源，保持三甲基镓和氨气的流量恒定不变，三甲基铝的流量从0渐变到85-110sccm，在非掺杂的p型氮化物层上形成C掺杂量逐渐增加的氮化镓铝层；
S13、切断三甲基镓和氨气源，三甲基铝保持85-110sccm的流量不变，在停止生长的氮化镓铝表面形成C掺杂层；
S14、打开三甲基镓和氨气源，将三甲基铝的流量渐变到0，在C掺杂层上形成C掺杂量逐渐减少的氮化镓铝层。
本发明还提供一种LED外延片结构，包括顺序层叠的衬底层、缓冲层、本征氮化镓层、n型氮化镓层、发光层和p型氮化镓层，其中还包括形成于发光层和p型氮化镓层之间的Cδ掺杂的p型GaN/AlGaN结构层，所述p型GaN/AlGaN结构包括p型GaN/AlGaN单元，所述p型GaN/AlGaN单元包括顺序排列的非掺杂的p型氮化镓层、C掺杂量逐渐增加的氮化镓铝层、C掺杂层和C掺杂量逐渐减少的氮化镓铝层。
本发明还提供一种LED外延片结构的制备方法，所述方法包括以下步骤：
S21、在衬底层上顺序生长缓冲层、本征氮化镓层、n型氮化镓层和发光层；
S22、在发光层上生长Cδ掺杂的p型GaN/AlGaN结构层，具体包括以下步骤：
S11、以三甲基镓作为镓源、氨气作为氮源，生长非掺杂的p型氮化镓层；
S12、以三甲基铝作为C掺杂源和铝源，保持三甲基镓和氨气的流量恒定不变，三甲基铝的流量从0渐变到85-110sccm，在非掺杂的p型氮化物层上形成C掺杂量逐渐增加的氮化镓铝层；
S13、切断三甲基镓和氨气源，三甲基铝保持85-110sccm的流量不变，在停止生长的氮化镓铝表面形成C掺杂层；
S14、打开三甲基镓和氨气源，将三甲基铝的流量渐变到0，在C掺杂层上形成C掺杂量逐渐减少的氮化镓铝层；
S23、在Cδ掺杂的p型GaN/AlGaN结构层上生长p型氮化镓层。
本发明提供的Cδ掺杂的p型GaN/AlGaN结构、LED外延片结构及其制备方法中，氮化镓和氮化镓铝晶胞的不对称导致正负电荷中心不重合，产生强烈的自发极化效应；以及氮化镓和氮化镓铝二者间大晶格失配所产生的大应力作用下造成正负电荷的偏移，从而导致的压电极化，这些都会在AlGaN/GaN处形成二维空穴气，从而大幅度提高表层AlGaN的空穴浓度，降低了面电阻率，从而减小了器件的接触电阻；同时，采用C的δ掺杂，通过其掺杂层的电子云发生的交叠，来大大减弱电离杂质散射，使迁移率得到显著提高，因而具有高的电导率。
附图说明
图1是本发明实施例提供的Cδ掺杂的p型GaN/AlGaN结构示意图。
图2是本发明实施例提供的Cδ掺杂的p型GaN/AlGaN结构制备方法流程示意图。
图3是本发明实施例提供的LED外延片结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请参考图1所示，一种Cδ掺杂的p型GaN/AlGaN结构，包括p型GaN/AlGaN单元10，所述p型GaN/AlGaN单元包括顺序排列的非掺杂的p型氮化镓层11、C掺杂量逐渐增加的氮化镓铝层12、C掺杂层13和C掺杂量逐渐减少的氮化镓铝层14。
本发明提供的Cδ掺杂的p型GaN/AlGaN结构中，氮化镓和氮化镓铝晶胞的不对称导致正负电荷中心不重合，产生强烈的自发极化效应；以及氮化镓和氮化镓铝二者间大晶格失配所产生的大应力作用下造成正负电荷的偏移，从而导致的压电极化，这些都会在AlGaN/GaN处形成二维空穴气，从而大幅度提高表层AlGaN的空穴浓度，降低了面电阻率，从而减小了器件的接触电阻；同时，采用C的δ掺杂，通过其掺杂层的电子云发生的交叠，来大大减弱电离杂质散射，使迁移率得到显著提高，因而具有高的电导率。
进一步，本发明p型GaN/AlGaN结构中的掺杂剂是碳（C），它作为一种p型掺杂剂，还具有其它p型掺杂剂无法企及的优点：（1）最低的扩散系数；（2）较低的电离能；（3）很高的掺杂浓度（>1020/cm3）；（4）较少的杂质记忆效应。
作为一种具体的实施例，图1中的Cδ掺杂的p型GaN/AlGaN结构只有一个p型GaN/AlGaN单元10。当然，本发明Cδ掺杂的p型GaN/AlGaN结构并不局限于此，本领域的技术人员还可以根据需要，设置多个p型GaN/AlGaN单元10，每个p型GaN/AlGaN单元10层叠排列，即第一个p型GaN/AlGaN单元10的C掺杂量逐渐减少的氮化镓铝层14与第二个p型GaN/AlGaN单元10的非掺杂的p型氮化镓层11连接；优选地，所述p型GaN/AlGaN单元的个数为2-7，由此可以更好地提高空穴浓度，并相对的得到更好的晶体结构。
较佳地，所述每个p型GaN/AlGaN单元10的厚度为5-8纳米，形成该厚度范围内的p型GaN/AlGaN单元10，可以起到简化工艺、节省原料以及好的晶体结构的作用，且能更有效的提高空穴浓度。
请参考图2所示，本发明还提供一种Cδ掺杂的p型GaN/AlGaN结构的制备方法，所述方法包括以下步骤：
S11、以三甲基镓（TMGa）作为镓源、氨气（NH3）作为氮源，生长非掺杂的p型氮化镓层；
S12、以三甲基铝（TMAl）作为C掺杂源和铝源，保持三甲基镓和氨气的流量恒定不变，三甲基铝的流量从0渐变到85-110sccm，在非掺杂的p型氮化物层上形成C掺杂量逐渐增加的氮化镓铝层；
S13、切断三甲基镓和氨气源，三甲基铝保持85-110sccm的流量不变，在停止生长的氮化镓铝表面形成C掺杂层；
S14、打开三甲基镓和氨气源，将三甲基铝的流量渐变到0，在C掺杂层上形成C掺杂量逐渐减少的氮化镓铝层。
本发明提供的Cδ掺杂的p型GaN/AlGaN结构的制备方法中，氮化镓和氮化镓铝晶胞的不对称导致正负电荷中心不重合，产生强烈的自发极化效应；以及氮化镓和氮化镓铝二者间大晶格失配所产生的大应力作用下造成正负电荷的偏移，从而导致的压电极化，这些都会在AlGaN/GaN处形成二维空穴气，从而大幅度提高表层AlGaN的空穴浓度，降低了面电阻率，从而减小了器件的接触电阻；同时，采用C的δ掺杂，通过其掺杂层的电子云发生的交叠，来大大减弱电离杂质散射，使迁移率得到显著提高，因而具有高的电导率。
作为具体的实施例，可重复步骤S11、S12、S13和S14至少1次，如此循环往复，形成多个p型GaN/AlGaN单元，每个p型GaN/AlGaN单元层叠排列。其中，所述可重复步骤S11、S12、S13和S14至少1次包括：步骤S11、S12、S13和S14可以重复，也可以不重复；如果重复，即以步骤S11、S12、S13和S14作为一个单独的周期，可重复至少1次，由此将会形成多个如图1所示的p型GaN/AlGaN单元10，每个p型GaN/AlGaN单元10层叠排列，即第一个p型GaN/AlGaN单元10的C掺杂量逐渐减少的氮化镓铝层14与第二个p型GaN/AlGaN单元10的非掺杂的p型氮化镓层11连接；如果不重复，Cδ掺杂的p型GaN/AlGaN结构中就只有一个如图1所示的p型GaN/AlGaN单元10。优选地，所述步骤S11、S12、S13和S14重复的次数为1-6，即所述p型GaN/AlGaN单元的个数总共为2-7个，由此可以更好地提高空穴浓度，并相对的得到更好的晶体结构。
作为具体的实施方式，所述p型GaN/AlGaN单元的制备过程中，通入纯氢气（H2）作为载气；即在步骤S11、S12、S13和S14的每一个步骤制备过程中，可通入纯氢气到反应室中作为载气。
作为具体的实施例，在所述步骤S12中，三甲基镓的流量为35-55sccm，氨气的流量为28000-32000sccm，由此可以更好地生长出高质量的晶体结构。
较佳地，在所述步骤S12中，形成C掺杂量逐渐增加的氮化镓铝层的时长为10-15秒，由此可以更好地生长出高质量的晶体结构。
较佳地，所述步骤S13中，形成C掺杂层的时长为3-5秒，由此可以更好地生长出高质量的晶体结构。
较佳地，所述步骤S14中，形成C掺杂量逐渐减少的氮化镓铝层的时长为10-15秒，由此可以更好地生长出高质量的晶体结构。
较佳地，所述每个p型GaN/AlGaN单元的厚度为5-8纳米，形成该厚度范围内的p型GaN/AlGaN单元10，可以起到简化工艺、节省原料以及好的晶体结构的作用，且能更有效的提高空穴浓度。
请参考图3所示，本发明还提供一种LED外延片结构，包括顺序层叠的衬底层1、缓冲层2、本征氮化镓层3、n型氮化镓层4、发光层5和p型氮化镓层6，其中还包括形成于发光层5和p型氮化镓层6之间的Cδ掺杂的p型GaN/AlGaN结构层，所述p型GaN/AlGaN结构包括p型GaN/AlGaN单元，所述p型GaN/AlGaN单元包括顺序排列的非掺杂的p型氮化镓层11、C掺杂量逐渐增加的氮化镓铝层12、C掺杂层13和C掺杂量逐渐减少的氮化镓铝层14。
本发明提供的LED外延片结构中，氮化镓和氮化镓铝晶胞的不对称导致正负电荷中心不重合，产生强烈的自发极化效应；以及氮化镓和氮化镓铝二者间大晶格失配所产生的大应力作用下造成正负电荷的偏移，从而导致的压电极化，这些都会在AlGaN/GaN处形成二维空穴气，从而大幅度提高表层AlGaN的空穴浓度，降低了面电阻率，从而减小了器件的接触电阻；同时，采用C的δ掺杂，通过其掺杂层的电子云发生的交叠，来大大减弱电离杂质散射，使迁移率得到显著提高，因而具有高的电导率。
作为一种具体的实施例，图3中的Cδ掺杂的p型GaN/AlGaN结构只有一个p型GaN/AlGaN单元。当然，本发明Cδ掺杂的p型GaN/AlGaN结构并不局限于此，本领域的技术人员还可以根据需要，设置多个p型GaN/AlGaN单元，每个p型GaN/AlGaN单元层叠排列，即第一个p型GaN/AlGaN单元的C掺杂量逐渐减少的氮化镓铝层14与第二个p型氮化镓单元的非掺杂的p型氮化镓层11连接；优选地，所述p型氮化镓单元的个数为2-7，由此可以更好地提高空穴浓度，并相对的得到更好的晶体结构。
本发明还提供一种LED外延片结构的制备方法，所述方法包括以下步骤：
S21、在衬底层上顺序生长缓冲层、本征氮化镓层、n型氮化镓层和发光层；
S22、在发光层上生长Cδ掺杂的p型GaN/AlGaN结构层，具体包括以下步骤：
S11、以三甲基镓作为镓源、氨气作为氮源，生长非掺杂的p型氮化镓层；
S12、以三甲基铝作为C掺杂源和铝源，保持三甲基镓和氨气的流量恒定不变，三甲基铝的流量从0渐变到85-110sccm，在非掺杂的p型氮化物层上形成C掺杂量逐渐增加的氮化镓铝层；
S13、切断三甲基镓和氨气源，三甲基铝保持85-110sccm的流量不变，在停止生长的氮化镓铝表面形成C掺杂层；
S14、打开三甲基镓和氨气源，将三甲基铝的流量渐变到0，在C掺杂层上形成C掺杂量逐渐减少的氮化镓铝层；
S23、在Cδ掺杂的p型GaN/AlGaN结构层上生长p型氮化镓层。
本发明提供的LED外延片结构的制备方法中，氮化镓和氮化镓铝晶胞的不对称导致正负电荷中心不重合，产生强烈的自发极化效应；以及氮化镓和氮化镓铝二者间大晶格失配所产生的大应力作用下造成正负电荷的偏移，从而导致的压电极化，这些都会在AlGaN/GaN处形成二维空穴气，从而大幅度提高表层AlGaN的空穴浓度，降低了面电阻率，从而减小了器件的接触电阻；同时，采用C的δ掺杂，通过其掺杂层的电子云发生的交叠，来大大减弱电离杂质散射，使迁移率得到显著提高，因而具有高的电导率。
在本发明提供的LED外延片结构的制备方法中，所述步骤S21各层的生长方法和材料的选取已为本领域技术人员所熟知，因此不再赘述。
步骤S22中在发光层上生长Cδ掺杂的p型GaN/AlGaN结构层的方式与前述Cδ掺杂的p型GaN/AlGaN结构的制备方法相同。作为具体的实施例，可重复步骤S11、S12、S13和S14至少1次，如此循环往复，形成多个p型GaN/AlGaN单元，每个p型GaN/AlGaN单元层叠排列；其中，所述可重复步骤S11、S12、S13和S14至少1次包括：步骤S11、S12、S13和S14可以重复，也可以不重复；如果重复，即以步骤S11、S12、S13和S14作为一个单独的周期，可重复至少1次，由此将会形成多个如图1所示的p型GaN/AlGaN单元，每个p型GaN/AlGaN单元层叠排列，即第一个p型GaN/AlGaN单元10的C掺杂量逐渐减少的氮化镓铝层14与第二个p型GaN/AlGaN单元10的非掺杂的p型氮化镓层11连接；如果不重复，Cδ掺杂的p型GaN/AlGaN结构中就只有一个p型GaN/AlGaN单元。优选地，所述步骤S11、S12、S13和S14重复的次数为1-6，即所述p型GaN/AlGaN单元的个数总共为2-7个，由此可以更好地提高空穴浓度，并相对的得到更好的晶体结构。
作为一种具体的实施例，在所述步骤S23中具体包括：以三甲基镓（TMGa）作为镓源、氨气（NH3）作为氮源，二茂基镁（Cp2Mg）作为p型掺杂源，在Cδ掺杂的p型氮化镓结构层上生长Mg掺杂的p型氮化镓层。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (20)
1.一种Cδ掺杂的p型GaN/AlGaN结构，其特征在于，包括p型GaN/AlGaN单元，所述p型GaN/AlGaN单元包括顺序排列的非掺杂的p型氮化镓层、C掺杂量逐渐增加的氮化镓铝层、C掺杂层和C掺杂量逐渐减少的氮化镓铝层；所述C掺杂由三甲基铝形成。
2.根据权利要求1所述的Cδ掺杂的p型GaN/AlGaN结构，其特征在于，所述p型GaN/AlGaN单元为多个，每个p型GaN/AlGaN单元层叠排列。
3.根据权利要求2所述的Cδ掺杂的p型GaN/AlGaN结构，其特征在于，所述每个p型GaN/AlGaN单元的厚度为5-8纳米。
4.根据权利要求2所述的Cδ掺杂的p型GaN/AlGaN结构，其特征在于，所述p型GaN/AlGaN单元的个数为2-7。
5.一种Cδ掺杂的p型GaN/AlGaN结构的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
S11、以三甲基镓作为镓源、氨气作为氮源，生长非掺杂的p型氮化镓层；
S12、以三甲基铝作为C掺杂源和铝源，保持三甲基镓和氨气的流量恒定不变，三甲基铝的流量从0渐变到85-110sccm，在非掺杂的p型氮化物层上形成C掺杂量逐渐增加的氮化镓铝层；
S13、切断三甲基镓和氨气源，三甲基铝保持85-110sccm的流量不变，在停止生长的氮化镓铝表面形成C掺杂层；
S14、打开三甲基镓和氨气源，将三甲基铝的流量渐变到0，在C掺杂层上形成C掺杂量逐渐减少的氮化镓铝层。
6.根据权利要求5所述的Cδ掺杂的p型GaN/AlGaN结构的制备方法，其特征在于，重复步骤S11、S12、S13和S14至少1次，如此循环往复，形成多个p型GaN/AlGaN单元，每个p型GaN/AlGaN单元层叠排列。
7.根据权利要求5或6所述的Cδ掺杂的p型GaN/AlGaN结构的制备方法，其特征在于，所述p型GaN/AlGaN单元的制备过程中，通入纯氢气作为载气。
8.根据权利要求5或6所述的Cδ掺杂的p型GaN/AlGaN结构的制备方法，其特征在于，所述步骤S12中，三甲基镓的流量为35-55sccm，氨气的流量为28000-32000sccm。
9.根据权利要求5或6所述的Cδ掺杂的p型GaN/AlGaN结构的制备方法，其特征在于，所述步骤S12中，形成C掺杂量逐渐增加的氮化镓铝层的时长为10-15秒。
10.根据权利要求5或6所述的Cδ掺杂的p型GaN/AlGaN结构的制备方法，其特征在于，所述步骤S13中，形成C掺杂层的时长为3-5秒。
11.根据权利要求5或6所述的Cδ掺杂的p型GaN/AlGaN结构的制备方法，其特征在于，所述步骤S14中，形成C掺杂量逐渐减少的氮化镓铝层的时长为10-15秒。
12.根据权利要求6所述的Cδ掺杂的p型GaN/AlGaN结构的制备方法，其特征在于，所述每个p型GaN/AlGaN单元的厚度为5-8纳米。
13.根据权利要求6所述的Cδ掺杂的p型GaN/AlGaN结构的制备方法，其特征在于，所述步骤S11、S12、S13和S14重复的次数为1-6。
14.一种LED外延片结构，包括顺序层叠的衬底层、缓冲层、本征氮化镓层、n型氮化镓层、发光层和p型氮化镓层，其特征在于，还包括形成于发光层和p型氮化镓层之间的Cδ掺杂的p型GaN/AlGaN结构层，所述p型GaN/AlGaN结构包括p型GaN/AlGaN单元，所述p型GaN/AlGaN单元包括顺序排列的非掺杂的p型氮化镓层、C掺杂量逐渐增加的氮化镓铝层、C掺杂层和C掺杂量逐渐减少的氮化镓铝层；所述C掺杂由三甲基铝形成。
15.根据权利要求14所述的LED外延片结构，其特征在于，所述p型GaN/AlGaN单元的个数为多个，每个p型GaN/AlGaN单元层叠排列。
16.根据权利要求15所述的LED外延片结构，其特征在于，所述p型GaN/AlGaN单元的个数为2-7。
17.一种LED外延片结构的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
S21、在衬底层上顺序生长缓冲层、本征氮化镓层、n型氮化镓层和发光层；
S22、在发光层上生长Cδ掺杂的p型GaN/AlGaN结构层，具体包括以下步骤：
S11、以三甲基镓作为镓源、氨气作为氮源，生长非掺杂的p型氮化镓层；
S12、以三甲基铝作为C掺杂源和铝源，保持三甲基镓和氨气的流量恒定不变，三甲基铝的流量从0渐变到85-110sccm，在非掺杂的p型氮化物层上形成C掺杂量逐渐增加的氮化镓铝层；
S13、切断三甲基镓和氨气源，三甲基铝保持85-110sccm的流量不变，在停止生长的氮化镓铝表面形成C掺杂层；
S14、打开三甲基镓和氨气源，将三甲基铝的流量渐变到0，在C掺杂层上形成C掺杂量逐渐减少的氮化镓铝层；
S23、在Cδ掺杂的p型GaN/AlGaN结构层上生长p型氮化镓层。
18.根据权利要求17所述的LED外延片结构的制备方法，其特征在于，重复步骤S11、S12、S13和S14至少1次，如此循环往复，形成多个p型GaN/AlGaN单元，每个p型GaN/AlGaN单元层叠排列。
19.根据权利要求18所述的LED外延片结构的制备方法，其特征在于，所述步骤S11、S12、S13和S14重复的次数为1-6。
20.根据权利要求17所述的LED外延片结构的制备方法，其特征在于，所述步骤S23中具体包括：以三甲基镓作为镓源、氨气作为氮源，Cp2Mg作为p型掺杂源，在Cδ掺杂的p型GaN/AlGaN结构层上生长Mg掺杂的p型氮化镓层。
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