專利名稱：用于制造p型半導體結構的方法
技術領域：
本發明涉及對半導體發光器件的設計。更具體地，本發明涉及一 種用于外延生長p型氮化物半導體材料的技術和一種用于使用這種背景技術III-V族氮化物半導體材料，包括化合物(例如GaN、 InN和A1N) 和合金(例如AlGaN、 InGaN和AlGalnN),被廣泛地用于制造諸如 發光二極管和激光二極管之類的短波長發光器件，以及制造高頻電 子元件。多年來，對使用III-V族化合物半導體材料的高亮度發光二 極管(HB-LED)的需求已經顯著增長。HB-LED在光電行業、固態 電子器件、自動照明系統和其它應用中具有廣泛的用途。P-N結是制造發光器件時必須的結構。當向發光器件施加前向偏 置時，載流子(即來自p型層的空穴和來自n型層的電子)在P-N 結區域中進行重新組合并且因此能量以光子的形式被釋放。由p型 層與n型層之間的多量子阱(MQW)結構形成的有源區域有助于形 成較高載流子濃度以及由此增加的載流子重新組合速率，這可以提 高發光效率。用于用III-V族氮化物材料來外延生長LED結構的技術包括金屬 有機化學汽相淀積(MOCVD)、分子束外延(MBE)和氫化物汽相 外延(HVPE)。用于外延生長的襯底材料包括藍寶石(A1203 )、硅 和碳化硅(SiC )。當分別將Si和鎂(Mg)用作用于制造III-V族氮化物材料的施 主摻雜劑和受主摻雜劑時，相對容易在n型氮化物材料中獲得高載 流子濃度。然而，對于p型氮化物材料則不是這種情況。在制造P型氮化物材料期間，通常將氫氣(H2)用作載氣來增加受主的濃度，該受主通常是Mg。然而，Hb和Mg可以形成電非激活 的Mg-H復合物，這會降低摻雜效率。作為結果，摻雜有Mg的p 型氮化物層有可能具有比摻雜有其他材料的層更少的激活受主。為克服上面描述的問題并獲得低電阻率的p型氮化物層，可以在 生長p型氮化物層之后采用低能電子束照射(LEEBI)和/或無H2環 境中的退火處理。這些附加工藝擊穿Mg-H復合物并電激活受主。 然而，p型氮化物層必須相對較薄以便使得這些附加工藝能夠有效。另一方面，具有相對較厚的一層p型氮化物材料可以提高LED 的質量和可靠性。生長高質量的厚p型氮化物層通常需要高溫環境 并且生長延長的時間段。然而，這種延長的高溫生長會損壞相鄰量 子阱有源區域并從而降低載流子激活工藝的效率。因此，激活受主 的數目減小，并且發光器件的效率也會降低。因此，所需要的是一種用于生長具有高載流子濃度的相對較厚的 p型氮化物層而不損及相鄰MQW區域的質量的方法。發明內容本發明的一個實施例提供了 一種用于制造III-V族p型氮化物結 構的方法。該方法包括在第一生長環境中生長具有第一受主濃度的 第一層p型ni-v族材料。該方法還包括在第二生長環境中在第一層 的頂部上生長第二層p型III-V族材料，其比第一層厚并且其具有第 二受主濃度。另外，該方法包括在第三生長環境中在第二層的頂部上生長第三層p型m-v族材料，其比第二層薄并且其具有第三受主濃度。在這一實施例的一個變型中，用于第一層p型m-v族材料的第一生長環境包括H2作為載氣。在這一實施例的一個變型中，第一生長環境中的生長溫度等于或高于900 。C。在這一實施例的一個變型中，第一層p型in-v族材料具有等于或高于lxl0'9^-3的受主濃度。在這一實施例的一個變型中，用于第一層p型III-V族材料的生 長時間小于或等于1000秒。在這一實施例的一個變型中，用于第二層p型ni-v族材料的第二生長環境包括N2作為載氣。在這一實施例的一個變型中，第二生長環境中的生長溫度至少比第一生長環境中的生長溫度低30。C。在這一實施例的一個變型中，第二層p型ni-v族材料的厚度至少為500 A。在這一實施例的一個變型中，用于第二層p型III-V族材料的生長時間至少是用于第一層p型in-v族材料的生長時間的1.5倍。 在這一實施例的一個變型中，用于第三層p型in-v族材料的第三生長環境包括H2作為載氣。在這一實施例的一個變型中，第三生長環境中的生長溫度至少比第二生長環境中的生長溫度高30°C。在這一實施例的一個變型中，第三層p型in-v族材料具有等于或高于1X10'9-3的受主濃度。在這一實施例的一個變型中，用于第三層p型in-v族材料的生 長時間小于或等于用于第二層p型in-v族材料的生長時間的 一半。 在這一實施例的一個變型中，生長第一層、第二層和第三層包括用選自包括Mg、 Zn和C的組的一種或多種摻雜劑來對相應的材料進行摻雜。在這一實施例的一個變型中，生長第一層、第二層和第三層包括淀積選自包括A1、 Ga和In的組的一種或多種元素。在這一實施例的一個變型中，生長第一層、第二層和第三層包括 淀積選自包括N、 p和As的組的一種或多種元素。本發明的一個實施例提供了一種半導體發光器件，其包括選自包 括A1203、 Si和SiC的組的襯底材料層。該半導體發光器件還包括n 型氮化物材料層；有源區域層；第一層p型氮化物材料，具有第一受主濃度和與有源區域層的低晶格失配；第二層p型氮化物材料，其比 第一層p型氮化物材料厚并具有第二受主濃度；第三層p型氮化物 材料，其比第二層p型氮化物材料薄并具有第三受主濃度；以及在 第三層p型氮化物材料上的歐姆接觸層。在這一實施例的一個變型中，第一層p型氮化物材料是在使用H2作為載氣的環境中生長的。在這一實施例的一個變型中，第一層p型氮化物材料是在生長溫 度等于或高于900 。C的環境中生長的。在這一實施例的一個變型中，第一層p型氮化物材料具有等于或 高于ixi019，-3的受主濃度。在這一 實施例的一個變型中，用于第一層p型氮化物材料的生長 時間小于或等于1000秒。在這一實施例的一個變型中，第二層p型氮化物材料是在使用N2作為載氣的環境中生長的。在這一實施例的一個變型中，第二層p型氮化物材料是在生長溫 度至少比用于第一層p型氮化物材料的生長溫度低30 。C的環境中生 長的。在這一實施例的一個變型中，第二層p型氮化物材料具有至少 500 A的厚度。在這 一 實施例的 一 個變型中，第二層p型氮化物材料的生長時間 至少是用于第 一 層p型氮化物材料的生長時間的1.5倍。在這一實施例的一個變型中，第三層p型氮化物材料是在使用H2作為載氣的環境中生長的。在這一實施例的一個變型中，第三層p型氮化物半導體材料是在 生長溫度至少比用于第二層p型氮化物半導體材料的生長溫度高 30。C的環境中生長的。在這一 實施例的 一個變型中，第三層p型氮化物材料具有等于或 高于1"0|9，-3的受主濃度。在這一實施例的一個變型中，第三層p型氮化物材料的生長時間小于或等于用于第二層的生長時間的一半。
包括附隨的并形成本說明書 一 部分的附圖以描繪本發明的特定 方面。通過結合在此給出的描述參考這些附圖中的一個或多個，可 以更好地理解本發明。應當注意，附圖中所圖示的特征并不一定是 按比例繪制的。圖1圖示了發光器件的常規外延結構的橫截面視圖。 圖2圖示了使用根據本發明 一個實施例而制造的p型氮化物半導 體材料的發光器件的外延結構的橫截面視圖。圖3圖示了根據本發明一個實施例而制造的示例性p型氮化物半 導體結構。
具體實施方式
提出以下描述以使得本領域普通技術人員能夠進行和使用本發 明，并且該描述是在特定應用及其要求的上下文中提供的。對所公 開的實施例的各種修改對本領域普通技術人員來說是相當明顯的， 并且在不脫離本發明范圍的情況下，可以將在此定義的 一 般原理應 用于其他實施例和應用。因此，本發明并不限于所示出的實施例， 而是符合與權利要求一致的最寬的范圍。本發明的實施例提供了 一種用于生長具有高載流子濃度的高質 量p型氮化物半導體結構而不犧牲相鄰MQW有源區域的質量的方 法。基于根據本發明一個實施例而制造的p型氮化物半導體材料的 發光器件比基于其他材料的那些發光器件更加可靠并具有更高的發 光效率。在一個實施例中，用于制造p型氮化物半導體材料的摻雜劑材料 包括Mg、 Zn和C。這些材料增加了 p型半導體材料中的載流子濃度。 III-V族化合物半導體包括諸如Al、 Ga和In之類的III族材料以及諸如 N、 P和As之類的V族材料。圖1描繪了使用p型氮化物半導體材料的發光器件的常規外延結構。該結構包括襯底101、 n型半導體材料層102、有源區域103以 及p型半導體材料層104。通常，p型層104是在比用于n型層102 的周圍溫度低約100。C或更少的周圍溫度中生長的。用于p型層104 的生長環境包括使用H2作為載氣以增加諸如Mg之類的受主摻雜劑 的濃度。然而，p型層104相當薄，這導致有限的可靠性和低擊穿電 壓(最小反向電壓)。圖2示出了使用根據本發明一個實施例而制造的p型氮化物半導 體材料的發光器件的外延結構的橫截面視圖。在一個實施例中，p 型半導體材料結構包括分別生長的三層p型半導體材料204、 205和 206。該LED結構的其余部分包括襯底層201、 n型層202以及MQW 有源區域層203。p型層204是在第一階段中在有源區域203的頂部上生長的。p 型層205比層204厚并且夾在層204與層206之間。層205是在第 二階段中生長的。隨后，在第三階段生長比層205薄并提供用于發 光器件的歐姆接觸的p型層206。與層205相比，在將H2用作載氣的環境中，在相對較高的溫度 下，在相對較短的時間段生長p型層204。由于p型層204與有源區 域層203相鄰，因此其可以從高受主濃度和高質量的晶體結構中受益。在高溫下使用H2作為載氣來進行生長能夠得到良好的晶體結構，這減小了與相鄰MQW有源區域層203的晶格失配。此外，以高溫在 H2中生長層204增加了載流子濃度并因此增加了發光效率。這種生長還 提高了器件可靠性。因此，高溫H2生長環境能夠改善發光器件的電學 性質和光學性質。盡管高溫生長提高了 p型層204的晶體質量，但高溫還會損壞形成 MQW結構(例如包含In的氮化物合金)的材料。當MQW有源區域層 203以一個延長的時間段暴露于這種高溫時，器件的發光效率就會受影 響。因此，在一個實施例中，p型層204僅在高溫下生長短暫的時間段。發光效率還依賴于載流子濃度。使用H2作為載氣增加了 p型層中的受主濃度。然而，H2和典型的受主摻雜劑材料，諸如Mg和Zn,能 夠形成復合物，這使得受主鈍化并降低了發光效率。為減輕H2鈍化效應，在將N2用作載氣的環境中，在至少比用于p 型層204的溫度低30 。C的溫度下，在較長的時間段生長比p型層204 厚的p型層205。用于p型層205的生長時間至少是用于p型層204 的生長時間的1.5倍。請注意，由于p型層205不緊鄰MQW有源區 域層203，因此p型層205的受主濃度要求不像p型層204的受主濃 度要求那么嚴格，并且p型層205的晶體質量要求也是如此。由于p型層205比p型層204厚，因此用于使氫與受主摻雜劑分離 并激活受主的常規方法(例如退火、熱處理和低能電子束照射)效率 更低。在制造p型層205時使用N2作為載氣有效地通過擴散從p型層 204中去除了氫，激活了受主，并增加了 p型層204中的載流子濃度。在將H2用作載氣的環境中，在至少比用于p型層205的溫度高 30 。C的溫度下，在較短的時間段生長p型層206。由于使用了 H2 和高生長溫度，p型層206表現出高載流子濃度和高晶體質量。p型 層206有助于隨后制造通過使用金屬汽相或其他技術來形成的歐姆 接觸層。為了有助于制造歐姆接觸層，p型層206理想地具有比層 205高的空穴濃度。使用H2作為載氣增加了受主濃度。前述多階段制造方法生產了具有高載流子濃度和高激活效率的p型 半導體材料。特別地，該方法有助于生長厚p型氮化物結構而沒有損害 MQW有源區域的晶體結構。因此，利用所公開的多階段方法制造的發 光器件是可靠的并且得到了高發光效率。圖3是根據本發明 一 個實施例而制造的示例性p型氮化物半導體 結構。該結構包括MQW有源區域層304和三層p型半導體材剩-301 、 302和303。p型層301是在將H2用作載氣的環境中在約950 。C的溫度下生 長的。約200秒的生長時間對生長厚度為100 A的p型層301來說已 經足夠。相對較短的生長時間確保了 MQW有源區域層304在暴露 于高溫時不會被損壞。使用H2作為載氣實現了較高的受主濃度。在一個實施例中，層301中的受主摻雜劑至少為2xlO'9cT7T3。p型層302是在將N2用作載氣的環境中在約850 。C的溫度下生 長的。該生長時間對生長厚度為3000 A的p型層302來說已經足夠。 在一個實施例中，p型層302的生長時間約為2000秒。在較低的溫 度下在較長的時間段生長p型層302得到了較厚的p型層而不會損 壞有源區域層中的MQW結構。使用N2作為載氣使得層301中的氫可 以擴散到p型層302中，從而有助于使氫與層301中的使得p型層301 中的受主摻雜劑鈍化的氫摻雜劑復合物分離。因此，可以在激活工藝期 間更有效地電激活在一個實施例中為Mg原子的受體，并且可以增加靠 近有源區域的p型材料中的載流子濃度。p型層303是在將H2用作載氣的環境中在約950。C的溫度下生長 的。該生長時間對生長厚度為200A的p型層303來說已經足夠。在 一個實施例中，p型層303的生長時間約為100-200秒。在一個實施 例中，受主濃度至少為2xl019，-3。使用H2作為載氣增加了載流子濃度 并有助于使用諸如Pt和/或Au之類的材料在p型層303的頂部上形成 具有低電阻的可靠的歐姆接觸層。利用詳細描述的不同實施例并利用示例說明了本發明，目的在于有 助于實現本發明的不同特征或組件。然而，本發明人的意圖不在于將本 發明申請限于所示出的細節。在不偏離本發明宗旨的情況下，可以對本 發明的特征或組件進行修改，并且因此這些修改仍然在權利要求的范圍內。
權利要求
1.一種用于制造III-V族p型氮化物結構的方法，所述方法包括在第一生長環境中生長具有第一受主濃度的第一層p型III-V族材料；在第二生長環境中在所述第一層的頂部上生長第二層p型III-V族材料，其比所述第一層厚并且其具有第二受主濃度；以及在第三生長環境中在所述第二層的頂部上生長第三層p型III-V族材料，其比所述第二層薄并且其具有第三受主濃度。
2. 根據權利要求1所述的方法，其中用于所述第一層p型III-V族材料的所述第一生長環境包括H2作為載氣。
3. 根據權利要求1所述的方法，其中所述第一生長環境中的生 長溫度等于或高于900 °C。
4. 根據權利要求1所述的方法，其中所述第一層p型III-V族材 料具有等于或高于ixio m-3的受主濃度。
5. 根據權利要求1所述的方法，其中用于所述第一層p型III-V 族材料的生長時間小于或等于1000秒。
6. 根據權利要求1所述的方法，其中用于所述第二層p型III-V 族材料的所述第二生長環境包括N2作為載氣。
7. 根據權利要求1所述的方法，其中所述第二生長環境中的生 長溫度至少比所述第一生長環境中的生長溫度低30 °C。
8. 根據權利要求1所述的方法，其中所述第二層p型III-V族材 料的厚度至少為500 A。
9. 根據權利要求1所述的方法，其中用于所述第二層p型III-V族材料的生長時間至少是用于所述第 一層p型ni-v族材料的生長時間的1.5倍。
10. 根據權利要求1所述的方法，其中用于所述第三層p型III-V 族材料的所述第三生長環境包括H 2作為載氣。
11. 根據權利要求1所述的方法，其中所述第三生長環境中的生長溫度至少比所述第二生長環境中的生長溫度高30。C。
12. 根據權利要求i所述的方法，其中所述第三層p型ni-v族材料具有等于或高于1X1019^-3的受主濃度。
13. 根據權利要求i所述的方法，其中用于所述第三層p型ni-v 族材料的生長時間小于或等于用于所述第二層p型in-v族材料的生 長時間的一半。
14. 根據權利要求i所述的方法，其中生長所述第一層、第二層和第三層包括用選自包括Mg、 Zn和C的組的一種或多種摻雜劑來對相應的材料進行摻雜。
15. 根據權利要求1所述的方法，其中生長所述第一層、第二層和 第三層包括淀積選自包括Al、 Ga和In的組的一種或多種元素。
16. 根據權利要求1所述的方法，其中生長所述第一層、第二層和 第三層包括淀積選自包括N、 P和As的組的一種或多種元素。
17. —種半導體發光器件，包括選自包括A1203、 Si和SiC的組的襯底材料層；n型氮化物材料層；有源區域層；第 一層p型氮化物材料，具有第 一受主濃度和與所述有源區域層 的低晶格失配；第二層p型氮化物材料，其比所述第 一層p型氮化物材料厚并具 有第二受主濃度；第三層p型氮化物材料，其比所述第二層p型氮化物材料薄并具 有第三受主濃度；以及在所述第三層p型氮化物材料上的歐姆接觸層。
18. 根據權利要求17所述的發光器件，其中所述第一層p型氮化物材料是在使用H2作為載氣的環境中生長的。
19. 根據權利要求17所述的發光器件，其中所述第一層p型氮 化物材料是在生長溫度等于或高于900 。C的環境中生長的。
20. 根據權利要求17所述的發光器件，其中所述第一層p型氮化物材料具有等于或高于1 x 1019cm-3的受主濃度。
21. 根據權利要求17所述的發光器件，其中用于所述第一層p型ni-v族材料的生長時間小于或等于iooo秒。
22. 根據權利要求17所述的發光器件，其中所述第二層p型氮化物材料是在使用N2作為載氣的環境中生長的。
23. 根據權利要求17所述的發光器件，其中所述第二層p型氮 化物材料具有至少500 A的厚度。
24. 根據權利要求17所述的發光器件，其中所述第二層p型氮 化物材料是在生長溫度至少比用于所述第 一層p型氮化物材料的生 長溫度低30。C的環境中生長的。
25. 根據權利要求17所述的發光器件，其中所述第二層p型氮 化物材料的生長時間至少是用于所述第 一層p型氮化物材料的生長 時間的1.5倍。
26. 根據權利要求17所述的發光器件，其中所述第三層p型氮化物材料是在使用H2作為載氣的環境中生長的。
27. 根據權利要求17所述的發光器件，其中所述第三層p型氮 化物材料是在生長溫度至少比用于所述第二層P型氮化物材料的生 長溫度高30 。C的環境中生長的。
28. 根據權利要求17所述的發光器件，其中所述第三層p型氮 化物材料具有等于或高于lxl0'9cm-3的受主濃度。
29. 根據權利要求17所述的發光器件，其中所述第三層p型氮 化物材料的生長時間小于或等于用于所述第二層的生長時間的一 半。
全文摘要
本發明的一個實施例提供了一種用于制造III-V族p型氮化物結構的方法。該方法包括在第一生長環境中生長具有第一受主濃度的第一層p型III-V族材料。該方法還包括在第二生長環境中在第一層的頂部上生長第二層p型III-V族材料，其比第一層厚并且其具有第二受主濃度。另外，該方法包括在第三生長環境中在第二層的頂部上生長第三層p型III-V族材料，其比第二層薄并且其具有第三受主濃度。
文檔編號H01L33/00GK101330118SQ20071011258
公開日2008年12月24日 申請日期2007年6月22日 優先權日2007年6月22日
發明者方文卿, 江風益, 立 王, 莫春蘭 申請人:晶能光電(江西)有限公司