專利名稱：Cδ摻雜的p型GaN/AlGaN結構、LED外延片結構及制備方法
技術領域：
本發明屬于半導體領域，尤其涉及一種C δ摻雜的P型GaN/AIGaN結構、LED外延片結構及制備方法。
背景技術：
術語解釋
CS摻雜C (碳)元素的德爾塔摻雜，即以δ摻雜的方式將C摻雜進去。具有高電導率的P型氮化鎵(GaN)和氮化鎵鋁(AlGaN)外延材料對于各種電子和光電子器件都非常重要，但是由于Mg雜質在GaN外延材料中形成深能級，大大降低了 雜質的激活效率，加上在重摻雜條件下空穴的遷移率也較低，導致P型GaN材料的電導率一直得不到有效的提高；而在禁帶寬度更寬的AlGaN外延材料中，P型材料的電導率就更低。因此，P型GaN和AlGaN外延材料中電導率不高，導致當前P型的GaN和AlGaN材料無法滿足在激光器、太陽盲紫外探測器等光電器件中越來越多的應用。由此，對于高電導率P型GaN和AlGaN的需求也越來越迫切。
發明內容
本發明的目的是提供一種C δ摻雜的P型GaN/AIGaN結構，所述C δ摻雜的ρ型GaN/AIGaN結構能夠產生高濃度的二維空穴和高的空穴遷移率，從而具有高的電導率；本發明還提供了該CS摻雜的ρ型GaN/AIGaN結構的制備方法、具有該CS摻雜的ρ型GaN/AlGaN結構的LED外延片結構及其制備方法。本發明的目的是通過以下技術方案實現的
一種C δ摻雜的P型GaN/AIGaN結構，包括ρ型GaN/AIGaN單元，所述ρ型GaN/AIGaN單元包括順序排列的非摻雜的P型氮化鎵層、C摻雜量逐漸增加的氮化鎵鋁層、C摻雜層和C摻雜量逐漸減少的氮化鎵鋁層。本發明還提供一種C δ摻雜的ρ型GaN/AIGaN結構的制備方法，所述方法包括以下步驟
511、以三甲基鎵作為鎵源、氨氣作為氮源，生長非摻雜的P型氮化鎵層；
512、以三甲基鋁作為C摻雜源和鋁源，保持三甲基鎵和氨氣的流量恒定不變，三甲基鋁的流量從O漸變到85-llOsccm，在非摻雜的ρ型氮化物層上形成C摻雜量逐漸增加的氮化鎵鋁層；
513、切斷三甲基鎵和氨氣源，三甲基鋁保持85-llOsccm的流量不變，在停止生長的氮化鎵鋁表面形成C摻雜層；
514、打開三甲基鎵和氨氣源，將三甲基鋁的流量漸變到O，在C摻雜層上形成C摻雜量逐漸減少的氮化鎵鋁層。本發明還提供一種LED外延片結構，包括順序層疊的襯底層、緩沖層、本征氮化鎵層、η型氮化鎵層、發光層和ρ型氮化鎵層，其中還包括形成于發光層和P型氮化鎵層之間的C δ摻雜的ρ型GaN/AIGaN結構層，所述ρ型GaN/AIGaN結構包括ρ型GaN/AIGaN單元，所述P型GaN/AIGaN單元包括順序排列的非摻雜的ρ型氮化鎵層、C摻雜量逐漸增加的氮化鎵鋁層、C摻雜層和C摻雜量逐漸減少的氮化鎵鋁層。本發明還提供一種LED外延片結構的制備方法，所述方法包括以下步驟
521、在襯底層上順序生長緩沖層、本征氮化鎵層、η型氮化鎵層和發光層；
522、在發光層上生長Cδ摻雜的ρ型GaN/AIGaN結構層，具體包括以下步驟
511、以三甲基鎵作為鎵源、氨氣作為氮源，生長非摻雜的ρ型氮化鎵層；
512、以三甲基鋁作為C摻雜源和鋁源，保持三甲基鎵和氨氣的流量恒定不變，三甲基 鋁的流量從O漸變到85-llOsccm，在非摻雜的ρ型氮化物層上形成C摻雜量逐漸增加的氮化鎵鋁層；
513、切斷三甲基鎵和氨氣源，三甲基鋁保持85-llOsccm的流量不變，在停止生長的氮化鎵鋁表面形成C摻雜層；
514、打開三甲基鎵和氨氣源，將三甲基鋁的流量漸變到0，在C摻雜層上形成C摻雜量逐漸減少的氮化鎵鋁層；
523、在Cδ摻雜的ρ型GaN/AIGaN結構層上生長ρ型氮化鎵層。本發明提供的CS摻雜的ρ型GaN/AIGaN結構、LED外延片結構及其制備方法中，氮化鎵和氮化鎵鋁晶胞的不對稱導致正負電荷中心不重合，產生強烈的自發極化效應；以及氮化鎵和氮化鎵鋁二者間大晶格失配所產生的大應力作用下造成正負電荷的偏移，從而導致的壓電極化，這些都會在AlGaN/GaN處形成二維空穴氣，從而大幅度提高表層AlGaN的空穴濃度，降低了面電阻率，從而減小了器件的接觸電阻；同時，采用C的δ摻雜，通過其摻雜層的電子云發生的交疊，來大大減弱電離雜質散射，使遷移率得到顯著提高，因而具有高的電導率。
圖I是本發明實施例提供的C δ摻雜的P型GaN/AIGaN結構示意圖。圖2是本發明實施例提供的CS摻雜的ρ型GaN/AIGaN結構制備方法流程示意圖。圖3是本發明實施例提供的LED外延片結構示意圖。
具體實施例方式為了使本發明所解決的技術問題、技術方案及有益效果更加清楚明白，以下結合實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。請參考圖I所示，一種C δ摻雜的ρ型GaN/AIGaN結構,包括P型GaN/AIGaN單元10，所述ρ型GaN/AIGaN單元包括順序排列的非摻雜的ρ型氮化鎵層11、C摻雜量逐漸增加的氮化鎵鋁層12、C摻雜層13和C摻雜量逐漸減少的氮化鎵鋁層14。本發明提供的C δ摻雜的ρ型GaN/AIGaN結構中，氮化鎵和氮化鎵鋁晶胞的不對稱導致正負電荷中心不重合，產生強烈的自發極化效應；以及氮化鎵和氮化鎵鋁二者間大晶格失配所產生的大應力作用下造成正負電荷的偏移，從而導致的壓電極化，這些都會在AlGaN/GaN處形成二維空穴氣，從而大幅度提高表層AlGaN的空穴濃度，降低了面電阻率，從而減小了器件的接觸電阻；同時，采用C的δ摻雜，通過其摻雜層的電子云發生的交疊，來大大減弱電離雜質散射，使遷移率得到顯著提高，因而具有高的電導率。進一步，本發明ρ型GaN/AIGaN結構中的摻雜劑是碳(C)，它作為一種P型摻雜劑，還具有其它P型摻雜劑無法企及的優點(I)最低的擴散系數；(2)較低的電離能；(3)很高的摻雜濃度(>1 O 2 °/cm3) ; (4)較少的雜質記憶效應。作為一種具體的實施例，圖I中的C δ摻雜的ρ型GaN/AIGaN結構只有一個P型GaN/AIGaN單元10。當然，本發明CS摻雜的ρ型GaN/AIGaN結構并不局限于此，本領域的技術人員還可以根據需要，設置多個P型GaN/AIGaN單元10，每個ρ型GaN/AIGaN單元10層疊排列，即第一個P型GaN/AIGaN單元10的C摻雜量逐漸減少的氮化鎵鋁層14與第二個P型GaN/AIGaN單元10的非摻雜的ρ型氮化鎵層11連接；優選地，所述ρ型GaN/AIGaN單元的個數為2-7，由此可以更好地提高空穴濃度，并相對的得到更好的晶體結構。較佳地，所述每個ρ型GaN/AIGaN單元10的厚度為5_8納米，形成該厚度范圍內 的P型GaN/AIGaN單元10,可以起到簡化工藝、節省原料以及好的晶體結構的作用，且能更有效的提聞空穴濃度。請參考圖2所示，本發明還提供一種C δ摻雜的ρ型GaN/AIGaN結構的制備方法，所述方法包括以下步驟
SI I、以三甲基鎵(TMGa)作為鎵源、氨氣(NH3)作為氮源，生長非摻雜的ρ型氮化鎵層；
512、以三甲基鋁(TMAl)作為C摻雜源和鋁源，保持三甲基鎵和氨氣的流量恒定不變，三甲基鋁的流量從O漸變到85-llOsccm，在非摻雜的ρ型氮化物層上形成C摻雜量逐漸增加的氮化鎵鋁層；
513、切斷三甲基鎵和氨氣源，三甲基鋁保持85-llOsccm的流量不變，在停止生長的氮化鎵鋁表面形成C摻雜層；
514、打開三甲基鎵和氨氣源，將三甲基鋁的流量漸變到0，在C摻雜層上形成C摻雜量逐漸減少的氮化鎵鋁層。本發明提供的C δ摻雜的ρ型GaN/AIGaN結構的制備方法中，氮化鎵和氮化鎵鋁晶胞的不對稱導致正負電荷中心不重合，產生強烈的自發極化效應；以及氮化鎵和氮化鎵鋁二者間大晶格失配所產生的大應力作用下造成正負電荷的偏移，從而導致的壓電極化，這些都會在AlGaN/GaN處形成二維空穴氣，從而大幅度提高表層AlGaN的空穴濃度，降低了面電阻率，從而減小了器件的接觸電阻；同時，采用C的δ摻雜，通過其摻雜層的電子云發生的交疊，來大大減弱電離雜質散射，使遷移率得到顯著提高，因而具有高的電導率。作為具體的實施例，可重復步驟S11、S12、S13和S14至少I次，如此循環往復，形成多個P型GaN/AIGaN單元，每個ρ型GaN/AIGaN單元層疊排列。其中，所述可重復步驟
S11、S12、S13和S14至少I次包括步驟Sll、S12、S13和S14可以重復，也可以不重復；如果重復，即以步驟Sll、S12、S13和S14作為一個單獨的周期，可重復至少I次，由此將會形成多個如圖I所示的P型GaN/AIGaN單元10，每個ρ型GaN/AIGaN單元10層疊排列，即第一個P型GaN/AIGaN單元10的C摻雜量逐漸減少的氮化鎵鋁層14與第二個ρ型GaN/AIGaN單元10的非摻雜的P型氮化鎵層11連接；如果不重復,C δ摻雜的ρ型GaN/AIGaN結構中就只有一個如圖I所示的P型GaN/AIGaN單元10。優選地，所述步驟Sll、S12、S13和S14重復的次數為1-6，即所述P型GaN/AIGaN單元的個數總共為2_7個，由此可以更好地提高空穴濃度，并相對的得到更好的晶體結構。作為具體的實施方式，所述ρ型GaN/AIGaN單元的制備過程中，通入純氫氣(H2)作為載氣；即在步驟Sll、S12、S13和S14的每一個步驟制備過程中，可通入純氫氣到反應室中作為載氣。作為具體的實施例，在所述步驟S12中，三甲基鎵的流量為35-55SCCm，氨氣的流量為28000-32000sccm，由此可以更好地生長出高質量的晶體結構。較佳地，在所述步驟S12中，形成C摻雜量逐漸增加的氮化鎵鋁層的時長為10-15秒，由此可以更好地生長出高質量的晶體結構。較佳地，所述步驟S13中，形成C摻雜層的時長為3-5秒，由此可以更好地生長出高質量的晶體結構。較佳地，所述步驟S14中，形成C摻雜量逐漸減少的氮化鎵鋁層的時長為10-15秒，由此可以更好地生長出高質量的晶體結構。較佳地，所述每個ρ型GaN/AIGaN單元的厚度為5_8納米，形成該厚度范圍內的P型GaN/AIGaN單元10，可以起到簡化工藝、節省原料以及好的晶體結構的作用，且能更有效的提聞空穴濃度。請參考圖3所示，本發明還提供一種LED外延片結構，包括順序層疊的襯底層I、緩沖層2、本征氮化鎵層3、n型氮化鎵層4、發光層5和ρ型氮化鎵層6，其中還包括形成于發 光層5和ρ型氮化鎵層6之間的C δ摻雜的ρ型GaN/AIGaN結構層，所述ρ型GaN/AIGaN結構包括P型GaN/AIGaN單元，所述ρ型GaN/AIGaN單元包括順序排列的非摻雜的ρ型氮化鎵層11、C摻雜量逐漸增加的氮化鎵鋁層12、C摻雜層13和C摻雜量逐漸減少的氮化鎵招層14。本發明提供的LED外延片結構中，氮化鎵和氮化鎵鋁晶胞的不對稱導致正負電荷中心不重合，產生強烈的自發極化效應；以及氮化鎵和氮化鎵鋁二者間大晶格失配所產生的大應力作用下造成正負電荷的偏移，從而導致的壓電極化，這些都會在AlGaN/GaN處形成二維空穴氣，從而大幅度提高表層AlGaN的空穴濃度，降低了面電阻率，從而減小了器件的接觸電阻；同時，采用C的δ摻雜，通過其摻雜層的電子云發生的交疊，來大大減弱電離雜質散射，使遷移率得到顯著提高，因而具有高的電導率。作為一種具體的實施例，圖3中的C δ摻雜的ρ型GaN/AIGaN結構只有一個P型GaN/AIGaN單元。當然，本發明C δ摻雜的ρ型GaN/AIGaN結構并不局限于此，本領域的技術人員還可以根據需要，設置多個P型GaN/AIGaN單元，每個ρ型GaN/AIGaN單元層疊排列，即第一個P型GaN/AIGaN單元的C摻雜量逐漸減少的氮化鎵鋁層14與第二個ρ型氮化鎵單元的非摻雜的P型氮化鎵層11連接；優選地，所述P型氮化鎵單元的個數為2-7，由此可以更好地提高空穴濃度，并相對的得到更好的晶體結構。本發明還提供一種LED外延片結構的制備方法，所述方法包括以下步驟
521、在襯底層上順序生長緩沖層、本征氮化鎵層、η型氮化鎵層和發光層；
522、在發光層上生長Cδ摻雜的ρ型GaN/AIGaN結構層，具體包括以下步驟
511、以三甲基鎵作為鎵源、氨氣作為氮源，生長非摻雜的ρ型氮化鎵層；
512、以三甲基鋁作為C摻雜源和鋁源，保持三甲基鎵和氨氣的流量恒定不變，三甲基鋁的流量從O漸變到85-llOsccm，在非摻雜的ρ型氮化物層上形成C摻雜量逐漸增加的氮
化鎵鋁層；
513、切斷三甲基鎵和氨氣源，三甲基鋁保持85-llOsccm的流量不變，在停止生長的氮化鎵鋁表面形成C摻雜層；
514、打開三甲基鎵和氨氣源，將三甲基鋁的流量漸變到O，在C摻雜層上形成C摻雜量逐漸減少的氮化鎵鋁層；
S23、在C δ摻雜的ρ型GaN/AIGaN結構層上生長ρ型氮化鎵層。本發明提供的LED外延片結構的制備方法中，氮化鎵和氮化鎵鋁晶胞的不對稱導致正負電荷中心不重合，產生強烈的自發極化效應；以及氮化鎵和氮化鎵鋁二者間大 晶格失配所產生的大應力作用下造成正負電荷的偏移，從而導致的壓電極化，這些都會在AlGaN/GaN處形成二維空穴氣，從而大幅度提高表層AlGaN的空穴濃度，降低了面電阻率，從而減小了器件的接觸電阻；同時，采用C的δ摻雜，通過其摻雜層的電子云發生的交疊，來大大減弱電離雜質散射，使遷移率得到顯著提高，因而具有高的電導率。在本發明提供的LED外延片結構的制備方法中，所述步驟S21各層的生長方法和材料的選取已為本領域技術人員所熟知，因此不再贅述。步驟S22中在發光層上生長C δ摻雜的ρ型GaN/AIGaN結構層的方式與前述C δ摻雜的P型GaN/AIGaN結構的制備方法相同。作為具體的實施例,可重復步驟S11、S12、S13和S14至少I次,如此循環往復,形成多個P型GaN/AIGaN單元,每個ρ型GaN/AIGaN單元層疊排列；其中，所述可重復步驟S11、S12、S13和S14至少I次包括步驟S11、S12、S13和S14可以重復，也可以不重復；如果重復，即以步驟Sll、S12、S13和S14作為一個單獨的周期，可重復至少I次，由此將會形成多個如圖I所示的P型GaN/AIGaN單元，每個ρ型GaN/AlGaN單元層疊排列，即第一個ρ型GaN/AIGaN單元10的C摻雜量逐漸減少的氮化鎵鋁層14與第二個ρ型GaN/AIGaN單元10的非摻雜的ρ型氮化鎵層11連接；如果不重復,CS摻雜的P型GaN/AIGaN結構中就只有一個ρ型GaN/AIGaN單元。優選地，所述步驟S11、S12、S13和S14重復的次數為1-6，即所述ρ型GaN/AIGaN單元的個數總共為2_7個，由此可以更好地提高空穴濃度，并相對的得到更好的晶體結構。作為一種具體的實施例，在所述步驟S23中具體包括以三甲基鎵(TMGa)作為鎵源、氨氣(NH3)作為氮源，二茂基鎂(Cp2 Mg)作為ρ型摻雜源，在CS摻雜的ρ型氮化鎵結構層上生長Mg摻雜的ρ型氮化鎵層。以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
權利要求
1.一種C δ摻雜的P型GaN/AlGaN結構，其特征在于，包括P型GaN/AlGaN單元，所述P型GaN/AlGaN單元包括順序排列的非摻雜的P型氮化鎵層、C摻雜量逐漸增加的氮化鎵鋁層、C摻雜層和C摻雜量逐漸減少的氮化鎵鋁層。
2.根據權利要求I所述的CS摻雜的P型GaN/AlGaN結構，其特征在于，所述P型GaN/AlGaN單元為多個,每個P型GaN/AlGaN單元層疊排列。
3.根據權利要求2所述的CS摻雜的P型GaN/AlGaN結構，其特征在于，所述每個P型GaN/AlGaN單元的厚度為5_8納米。
4.根據權利要求2所述的CS摻雜的P型GaN/AlGaN結構，其特征在于，所述P型GaN/AlGaN單元的個數為2-7。
5.一種CS摻雜的P型GaN/AlGaN結構的制備方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟 511、以三甲基鎵作為鎵源、氨氣作為氮源，生長非摻雜的P型氮化鎵層； 512、以三甲基鋁作為C摻雜源和鋁源，保持三甲基鎵和氨氣的流量恒定不變，三甲基鋁的流量從O漸變到85-llOsccm，在非摻雜的p型氮化物層上形成C摻雜量逐漸增加的氮化鎵鋁層； 513、切斷三甲基鎵和氨氣源，三甲基鋁保持85-llOsccm的流量不變，在停止生長的氮化鎵鋁表面形成C摻雜層； 514、打開三甲基鎵和氨氣源，將三甲基鋁的流量漸變到O，在C摻雜層上形成C摻雜量逐漸減少的氮化鎵鋁層。
6.根據權利要求5所述的CS摻雜的P型GaN/AlGaN結構的制備方法，其特征在于，重復步驟S11、S12、S13和S14至少I次，如此循環往復，形成多個P型GaN/AlGaN單元，每個P型GaN/AlGaN單元層疊排列。
7.根據權利要求5或6所述的Cδ摻雜的P型GaN/AlGaN結構的制備方法，其特征在于，所述P型GaN/AlGaN單元的制備過程中，通入純氫氣作為載氣。
8.根據權利要求5或6所述的Cδ摻雜的P型GaN/AlGaN結構的制備方法，其特征在于，所述步驟S12中，三甲基鎵的流量為35-55sccm，氨氣的流量為28000-32000sccm。
9.根據權利要求5或6所述的Cδ摻雜的P型GaN/AlGaN結構的制備方法，其特征在于，所述步驟S12中，形成C摻雜量逐漸增加的氮化鎵鋁層的時長為10-15秒。
10.根據權利要求5或6所述的CS摻雜的P型GaN/AlGaN結構的制備方法，其特征在于，所述步驟S13中，形成C摻雜層的時長為3-5秒。
11.根據權利要求5或6所述的CS摻雜的P型GaN/AlGaN結構的制備方法，其特征在于，所述步驟S14中，形成C摻雜量逐漸減少的氮化鎵鋁層的時長為10-15秒。
12.根據權利要求6所述的Cδ摻雜的P型GaN/AlGaN結構的制備方法，其特征在于，所述每個P型GaN/AlGaN單元的厚度為5_8納米。
13.根據權利要求6所述的Cδ摻雜的P型GaN/AlGaN結構的制備方法，其特征在于，所述步驟Sll、S12、S13和S14重復的次數為1_6。
14.一種LED外延片結構，包括順序層疊的襯底層、緩沖層、本征氮化鎵層、η型氮化鎵層、發光層和P型氮化鎵層，其特征在于，還包括形成于發光層和P型氮化鎵層之間的C δ摻雜的P型GaN/AlGaN結構層，所述p型GaN/AlGaN結構包括p型GaN/AlGaN單元，所述p型GaN/AlGaN單元包括順序排列的非摻雜的P型氮化鎵層、C摻雜量逐漸增加的氮化鎵鋁層、C摻雜層和C摻雜量逐漸減少的氮化鎵鋁層。
15.根據權利要求14所述的LED外延片結構，其特征在于，所述P型GaN/AlGaN單元的個數為多個，每個P型GaN/AlGaN單元層疊排列。
16.根據權利要求15所述的LED外延片結構，其特征在于，所述P型GaN/AlGaN單元的個數為2-7。
17.—種LED外延片結構的制備方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟 521、在襯底層上順序生長緩沖層、本征氮化鎵層、η型氮化鎵層和發光層； 522、在發光層上生長Cδ摻雜的P型GaN/AlGaN結構層，具體包括以下步驟 511、以三甲基鎵作為鎵源、氨氣作為氮源，生長非摻雜的P型氮化鎵層； 512、以三甲基鋁作為C摻雜源和鋁源，保持三甲基鎵和氨氣的流量恒定不變，三甲基鋁的流量從O漸變到85-llOsccm，在非摻雜的p型氮化物層上形成C摻雜量逐漸增加的氮化鎵鋁層； 513、切斷三甲基鎵和氨氣源，三甲基鋁保持85-llOsccm的流量不變，在停止生長的氮化鎵鋁表面形成C摻雜層； 514、打開三甲基鎵和氨氣源，將三甲基鋁的流量漸變到O，在C摻雜層上形成C摻雜量逐漸減少的氮化鎵鋁層； 523、在Cδ摻雜的P型GaN/AlGaN結構層上生長p型氮化鎵層。
18.根據權利要求17所述的LED外延片結構的制備方法，其特征在于，重復步驟S11、S12、S13和S14至少I次，如此循環往復，形成多個P型GaN/AlGaN單元，每個p型GaN/AlGaN單元層疊排列。
19.根據權利要求18所述的LED外延片結構的制備方法，其特征在于，所述步驟S11、S12、S13和S14重復的次數為1-6。
20.根據權利要求17所述的LED外延片結構的制備方法，其特征在于，所述步驟S23中具體包括以三甲基鎵作為鎵源、氨氣作為氮源，Cp2 Mg作為P型摻雜源，在CS摻雜的P型GaN/AlGaN結構層上生長Mg摻雜的p型氮化鎵層。
全文摘要
本發明提供一種Cδ摻雜的p型GaN/AlGaN結構，包括p型GaN/AlGaN單元，所述p型GaN/AlGaN單元包括順序排列的非摻雜的p型氮化鎵層、C摻雜量逐漸增加的氮化鎵鋁層、C摻雜層和C摻雜量逐漸減少的氮化鎵鋁層。本發明還提供一種Cδ摻雜的p型GaN/AlGaN結構的制備方法、具有該Cδ摻雜的p型GaN/AlGaN結構的LED外延片結構及其制備方法。本發明提供的Cδ摻雜的p型GaN/AlGaN結構、LED外延片結構及其制備方法中，所述Cδ摻雜的p型GaN/AlGaN結構能夠產生高濃度的二維空穴和高的空穴遷移率，從而具有高的電導率。
文檔編號H01L33/02GK102881784SQ20111019615
公開日2013年1月16日 申請日期2011年7月14日 優先權日2011年7月14日
發明者黃眉眉, 張旺 申請人:比亞迪股份有限公司