鎂摻雜氮化鎵基材料和發光二極體p型氮化鎵的激活方法
2023-05-31 07:09:21 1
專利名稱：鎂摻雜氮化鎵基材料和發光二極體p型氮化鎵的激活方法
技術領域：
本發明是關於光電技術領域中GaN基材料的摻雜處理方法，具體地說，是關於鎂摻雜 氮化鎵基材料和發光二極體P型氮化鎵的激活方法。
背景技術：
Mg是形成P型GaN材料的主要的摻雜劑。1988年日本I. Akasaki等人利用低能電子 輻照的方法得到Mg摻雜的P型GaN (參考文獻I. Akasaki, T. Kozowa， K. Hiramatsu， N. Sawak, K. Ikeda, andY.Ishi， Lumin. ， 40-41， 121(1988)) ， 1992年日本S. Nakamura 更進一步，他把摻Mg的GaN在750 °C溫度下N2或真空退火，也得到了 p型GaN (參考文 獻S. Nakamura， N. Iwasa， M. Senoh， andT.Mukai， Jpn. J. Appl. Phys， 34, L797(1992))。 因為p型GaN材料的獲得，GaN基器件領域得到迅猛的發展，以GaN基發光二極體(LED) 為基石的半導體照明革命迅速展開。Van Vechten等人認為通過上述處理，GaN中Mg-H鍵 被打斷，使氫脫離了Mg，摻雜的Mg變成了淺受主。但是由於M0CVD生長在H2氣氛條件下 的限制，氮氣高溫退火併不能打斷所有Mg-H鍵，導致摻雜很高，空穴濃度和遷移率都很 低的情況。低的空穴濃度和遷移率將導致較大的串聯電阻，歐姆接觸將非常困難，這將限 制大電流功率型器件的發展。若退火溫度過高，還會影響InGaN量子阱的質量，影響LED 的內量子效率。
為了提高Mg激活的效率，雷射退火、離子注入等工藝被利用。雷射因為強度高，吸 收的光子能量足以打斷Mg-H鍵，有望提高Mg的實際摻雜濃度；而離子注入則使得注入的 Mg不含H而直接成為受主雜質。但是由於這些方法有可能損壞器件而並沒有成為主流技術。 氧氣氛退火降低Au/Ni/p-GaN的歐姆接觸電阻， 一種觀點認為氧氣與電極下的GaN中的 Mg-H反應，從而使得Mg離化產生較高空穴濃度。直接使用氧氣退火，然後用酸或(NH4) &去除表面氧化物。這種處理的好處是在p-GaN中產生Ga空位(參考文獻，Chi-Sen Lee,Yow-Jon Lin and Ching-Ting Lee, Appl. Phys. Lett, ， 79， 3815(2001))，有利於歐 姆接觸的形成，但是文章僅把這種方法作為P-GaN表面處理的手段，並沒有得到氧氣退火 對Mg激活的影響的結果。
氧等離子體一般用於殘留光刻膠的清洗。由於其化學活性很強，也經常用於Si， GaAs， InP材料表面形成氧化膜。等離子體是含有足量的帶電粒子以致其動力學行為受電磁力支
3配的任何一種物質狀態，負粒子主要是電子，由於它的質量小，速度快，故能量轉移小。 由於氧等離子體處理過的GaN經常表現為損傷的特性，故沒有得到人們足夠的重視。
發明內容
本發明克服了現有技術中的不足，提供了一種鎂摻雜氮化鎵基材料和發光二極體P型 氮化鎵的激活方法，該方法使Mg摻雜GaN材料中得到更高空穴濃度。 本發明的技術方案是-
一種鎂摻雜氮化鎵基材料的激活方法，其步驟包括
1) ICP等離子體處理鎂摻雜的氮化鎵基材料，其中，反應氣氛為含氧元素的氣體及含 氧元素氣體的混合氣體，或上述氣體與氮氣、氦氣或氬氣的混合氣體，等離子體的密度在 10"cnf3—10'2cnf3之間；
2) 去除上述處理生成的氧化物；
3) 對鎂摻雜的氮化鎵基材料進行400-60(TC高溫退火。 一種氮化鎵基發光二極體的P型激活方法，其步驟包括-
1) ICP等離子體處理氮化鎵基發光二極體的P型氮化鎵材料，其中，反應氣氛為含氧 元素的氣體及含氧元素氣體的混合氣體，或上述氣體與氮氣、氦氣或氬氣的混合氣體，等 離子體的密度在10"cm—3—1012011—3之間；
2) 去除上述處理生成的氧化物；
3) 對P型氮化鎵材料進行400-60(TC高溫退火。
在所述步驟l)之前，可對材料進行清潔處理，具體步驟為，首先用還原性液體去除其 表面的氧化層和沾汙，接著用有機溶劑去除油汙，再用去離子水洗淨。
所述步驟2)可為，採用氟化物ICP等離子體處理生成的氧化物，形成氟原子的鈍化。 所述步驟3)可為，在氮氣或真空下，對材料進行所述高溫退火。 進一步，在所述步驟l)中，ICP等離子體處理的源功率100-500W。偏壓功率50-200W。 反應室壓力2-20mTorr。氣體流量10-30sccm。以及處理時間30s-30min。 與現有技術相比，本發明的有益效果是
1) 利用ICP等離子體處理產生的高密度，高反應性的氧等離子體與Mg-H鍵和碳雜質 反應，將極大地提高Mg的摻雜效率，以及減小碳雜質作為施主雜質引起的補償效應；
2) 利用ICP的加速電壓使得活性自由基可以與較深的Mg-H鍵和碳反應，其反應深度 可在100-300A，足以形成低阻的接觸層；
43) ICP可以調節源功率，偏壓功率，反應室壓力，02流量，並可加入其它反應性氣體， 從而控制Mg-H鍵與C的反應的速度，減輕處理所帶來的負面影響；
4) 通過ICP的還原性氣體修復和鈍化氧等離子體所帶來的氧化層及損傷；
5) 通過高溫退火來消除深層(大於1000A)的損傷，且高溫退火還將活化接觸層以下 (大於100-300A)的GaN: Mg。
圖1是在藍寶石襯底上生長的GaN: Mg外延結構；
圖2是工藝處理流程框圖3是在藍寶石襯底上生長的GaN基LED結構。
具體實施例方式
下面結合附圖和具體實施方式
對本發明作進一步詳細描述
如圖l所示，單層摻Mg的GaN基材料自下向上分別為藍寶石襯底l，緩衝層2，非 摻GaN (厚度l微米以上)3， GaN: Mg (厚度大於300納米)4。 參考圖2，對上述摻Mg的GaN基材料進行如下具體處理
1) 摻Mg的GaN基材料樣品清潔處理。首先用還原性液體去除藍寶石襯底l和GaN: Mg 4表面的氧化層和沾汙，接著用有機溶劑進一步去除表面油汙，再用去離子水洗淨GaN 基材料樣品。
2) ICP處理。反應氣氛為氧氣，調整ICP的源功率可在100-500W之間，偏壓功率為 50-200W，反應室壓力為2-20mTorr，氣體流量為10-30sccm，使得等離子體密度在1011—12cm—3 範圍內。ICP的處理時間為30s-30min之間。
3) 利用常用的酸溶液去除氧化物，或CHF3， CF4等氟化物ICP等離子體處理去除氧化 物，並在GaN: Mg 4表面上形成氟原子的鈍化。
4) 然後在氮氣或真空下，400-600'C高溫退火，從而增加GaN: Mg的激活效率。 採用本發明將大大提高相同Mg濃度的GaN中的Mg的激活效率，從而在較低的Mg摻
雜下得到較高的空穴濃度和遷移率。
如圖3所示，本發明的另一實施例(發光二極體的P型激活)藍寶石襯底上生長的 GaN基LED，自下向上分別為藍寶石襯底l，緩衝層2，非摻GaN (厚度1微米以上)3， GaN: Si6 (厚度大於2微米)，InGaN/GaN多量子阱5， GaN: Mg (厚度200-300納米)
54。
對上述發光二極體的P型氮化鎵進行如下具體處理
1) 發光二極體樣品清潔處理。首先用還原性液體去除藍寶石襯底1和GaN: Mg 4表
面的氧化層和沾汙，接著用有機溶劑進一步去除表面油汙，再用去離子水洗淨GaN基材料 樣品。
2) ICP處理。反應氣氛為氧氣和氮氣的混合氣體，調整ICP的源功率為100-500W，偏 壓功率為50-200W，反應室壓力為2-20mTorr，氣體流量為10-30sccm，使得等離子體密度 在1011—12cm—3範圍內,ICP處理時間30s-30min。
3) 利用常用的酸溶液去除氧化物，或CHF3， CF4等氟化物ICP等離子體處理去除氧化 物，並在GaN: Mg 4表面上形成氟原子的鈍化。
4) 然後在氮氣或真空下，400-60(TC高溫退火，從而增加GaN: Mg的激活效率。 採用本發明可形成低阻的接觸層，可以降低p-GaN歐姆接觸電阻和LED的串聯電阻，
且氧等離子體的損傷控制在1000A以內，不會損傷有源區。
本發明ICP處理的反應氣氛除採用氧氣外，還可以為其他含氧元素的氣體，如臭氧、 一氧化二氮、二氧化硫等，或上述其他的混合氣體，以及含氧元素的氣體或含氧元素氣體 的混合氣體與氮氣、氬氣或氦氣的混合氣體。
以上通過詳細實施例描述了本發明所提供的方法，本領域的技術人員應當理解，在不 脫離本發明實質的範圍內，可以對本發明做一定的變形或修改；其製備方法也不限於實施 例中所公開的內容。
權利要求
1、一種鎂摻雜氮化鎵基材料的激活方法，其步驟包括1)ICP等離子體處理鎂摻雜的氮化鎵基材料，其中，反應氣氛為含氧元素的氣體及含氧元素氣體的混合氣體，或上述氣體與氮氣、氦氣或氬氣的混合氣體，等離子體的密度在1011cm-3—1012cm-3之間；2)去除上述處理生成的氧化物；3)對鎂摻雜的氮化鎵基材料進行400-600℃高溫退火。
2、 一種氮化鎵基發光二極體的P型激活方法，其步驟包括1) ICP等離子體處理氮化鎵基發光二極體的P型氮化鎵材料，其中，反應氣氛為含氧 元素的氣體及含氧元素氣體的混合氣體，或上述氣體與氮氣、氦氣或氬氣的混合氣體，等 離子體的密度在10"cm—3—1012cm—3之間；2) 去除上述處理生成的氧化物；3) 對P型氮化鎵材料進行400-600'C高溫退火。
3、 如權利要求1或2所述的激活方法，其特徵在於在所述步驟l)之前，對材料進 行清潔處理，具體步驟為，首先用還原性液體去除其表面的氧化層和沾汙，接著用有機溶 劑去除油汙，再用去離子水洗淨。
4、 如權利要求1或2所述的鎂摻雜氮化鎵基材料的激活方法，其特徵在於所述步驟 2)為，採用氟化物ICP等離子體處理生成的氧化物，形成氟原子的鈍化。
5、 如權利要求1或2所述的激活方法，其特徵在於所述步驟3)為，在氮氣或真空 下，對材料進行所述高溫退火。
6、 如權利要求1或2所述的激活方法，其特徵在於在所述步驟l)中，ICP等離子 體處理的源功率在100-500W之間。
7、 如權利要求1或2所述的激活方法，其特徵在於在所述步驟l)中，ICP等離子 體處理的偏壓功率在50-200W之間。
8、 如權利要求1或2所述的激活方法，其特徵在於在所述步驟l)中，ICP等離子 體處理的反應室壓力在2-20mTorr之間。
9、 如權利要求1或2所述的激活方法，其特徵在於在所述步驟l)中，ICP等離子 體處理的氣體流量在10-30sccm之間。
10、 如權利要求1或2所述的激活方法，其特徵在於在所述步驟l)中，ICP等離子 體的處理時間在30s-30rain之間。
全文摘要
本發明公開了一種鎂摻雜氮化鎵基材料和發光二極體P型氮化鎵的激活方法，該方法用ICP等離子體處理鎂摻雜的氮化鎵基材料或發光二極體P型氮化鎵材料，其中，反應氣氛為含氧元素的氣體及含氧元素氣體的混合氣體，或上述氣體與氮氣、氦氣或氬氣的混合氣體，等離子體的密度在1011cm-3-1012cm-3之間，然後，去除上述反應生成的氧化物，並對所述材料進行400-600℃高溫退火。本發明得到了Mg摻雜GaN材料的高空穴濃度，提高了摻Mg的p-GaN的激活效率。
文檔編號H01L33/00GK101471408SQ20071030445
公開日2009年7月1日 申請日期2007年12月28日 優先權日2007年12月28日
發明者於彤軍, 張國義, 秦志新, 陳志忠, 齊勝利 申請人:北京大學