掺杂镁的III-V氮化物及其制法制造技术

掺杂镁的高质量ＩＩＩ－Ｖ氮化物层及其制法。一种Ｐ型氮化镓，氮化铟，或氮化铝层可通过氢化物气相外延（ＨＶＰＥ）方法在兰宝石基片上生产，ＨＶＰＥ过程使用一种金属供料混合物，它包括镁和ＩＩＩ族金属（Ｇａ，Ｉｎ，Ａｌ）。氮化镓，氮化铟，或氮化铝层可从兰宝石基片上取下以提供一种掺杂镁的Ｐ型ＩＩＩ－Ｖ氮化物基片，后者具有低位密度并适用于制造，例如，发光器件。（*该技术在2020年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

技术介绍
然而，利用已有技术方法和材料来生长低电阻P型GaN已证明是有问题的。即使是向GaN中掺杂具有最浅受体能级的镁已制得了高电阻的材料。在过去10年间，后退火和电子束辐射技术，通过从掺杂的镁上解吸氢原子已能够生产相对低电阻的掺杂镁的P-GaN。然而，载流子浓度水平仍大约是1018cm-3，并且欧姆接触电阻还不够低，不能与普通III-V半导体(例如GaAs)器件的能级相匹配。这种高欧姆接触电阻会导致基于pn结的发光二极管或激光二极管的高系列电阻。因而，这些器件的低电压操作已经很困难。特别是在激光二极管的情况下，这便导致较高的操作电流和较短的操作寿命时间。根据已有技术方法，P-型GaN一般是利用金属有机化学汽相沉积(MOCVD)法在兰宝石基片上生长，其中是将双-环戊二烯基镁(CP2Mg)用作镁掺杂剂源。因为在得到的P-GaN中的镁掺杂剂是被氢原子钝化的，所以P-GaN在氮气氛中的后退火是必需的，这是为了解吸钝化氢以便达到载流子浓度为约1018cm-3。已有技术MOCVD技术的进一步缺点是，金属有机源中的碳原子会结合到P-GaN薄膜中，导致涉及深层住的碳趋于降低P-型载流子浓度。此外，通过MOCVD所生长的现有技术P-GaN各层具有高的位错密度(在兰宝石上基片约有109cm-2)。而且，已有技术MOCVD系统是复杂的和昂贵的，这是由于部分原因在于复杂的气体处理系统、与金属有机物有关的高成本费、以及对金属有机源需使用高费用的固定温浴。用于生长P-GaN的另一现有技术是氢化物汽相外延(HVPE)。HVPE具有超过MOCVD的某些优点在于，较低的位错密度(约107cm-2)能够用采用高生长速率的“整体状生长”的相当简单的、低价位设备系统达到。较低的错位密度能够制成更加可靠和更高性能的器件，例如具有更长寿命的低阈电流激光二极管。HVPE的另一优点是，在源材料中不存在碳，结果在于可预期得到更高活化效率的掺杂剂，尤其在P-GaN情况下。本专利技术提供了一种改进了的HVPE系统用于生长掺杂镁的P型III-V氮化物，与现有技术设备和方法相比，它是更加有成本效益的，并使用更加简单的设备。虽然在本专利技术的实施中可以使用氢或氮作为载体气，但按照现有的一优选实施方案，是采用氮气作为载体气。避免用氢作为载体气的合理性在于，从氢载体气中产生的氢原子会钝化在生长III-V氮化物薄膜中的镁，以此导致氮化物层中较低的P型载流子浓度。减少在HVPE反应器中的氢气量，有可能得到较高的III-V氮化物层的P型载流子浓度。这对用于发光器件的III-V氮化物是有利的。根据本专利技术一优选实施方案，III族/Mg金属混合物的温度高于661℃。本专利技术的特征之一是，通过氢化物汽相外延提供了一种形成掺杂镁的P型III族金属氮化物层。本专利技术的另一特征是，提供了一种掺杂镁的P型III族金属氮化物层，其中Mg掺杂剂是将HCl通过元素镁而衍生。本专利技术的一个优点是，提供了一种简单和成本有效的方法用于形成掺杂Mg的P型III族金属氮化物层。本专利技术的另一优点是，提供了一种用于形成P型氮化物层的方法，其中避免了镁掺杂剂的氢原子钝化。这些和其它目的、优点和特征已经实现了，是通过提供一种制造P型氮化物层的方法来实现的，该方法包括以下各步骤a)提供一种包括一个反应器在内的HVPE系统；b)将基片安置在反应器中；c)将HCl通过金属混合物来提供第一反应剂气体组份，该金属混合物包括镁金属；d)将氨和第一反应剂气体组份引入反应器中；以及e)在基片上生长掺杂镁的P型氮化物层。这些和其它目的、优点和特征已经实现了，是通过HVPE在基片上生长一种P型氮化物层来实现的，该P型氮化物层包含一种掺杂有镁的III族氮化物，该P型氮化物层是通过第一反应剂气体组份与氨反应所形成，该第一反应剂气体组份是将HCl通过III族金属和镁金属而制得的。本专利技术的这些和其它目的，优点和特征已部分地在后述的说明书中作了描述，本领域的普通技术人员经过对下述进行研究将会部分地明了，或者学习本专利技术的实施例。本专利技术的这些优点正如在后附权利要求中所指出的那样，是可以实现的和达到的。现在参看附图，附图说明图1示意表示了一种已有技术的MOCVD外延生长系统20。该系统20包括高温炉的一些线圈22，它们围绕着反应器或生长管24，并包括一个反应器的入口26。基片5，例如兰宝石安置在反应器24内。反应剂和载体气体通过一种复合排列的管子供入反应器24，如下述。镓是从一种含镓的有机金属化合物7例如三甲基镓(TMGa)供给的，该化合物7是存在于第一鼓泡器28a中，是用一种载体气如氢3来供给。氨2是通过下面的亚入口26b作为反应剂气体来供入。氢3也被用作载体气用于含镁的化合物8如双环戊二烯基镁(CP2Mg)，含镁的化合物8是含容在第二鼓泡器28b中。化合物8提供了用于镁掺杂所需要的镁。还应注意到，氢3也通过上面的亚入口26a供入反应器24。使用质量流量计来控制气体的流动速率。向反应器24中供给TMGa，氨2，和CP2Mg8的结果，P-GaN12便在基片5上生长为晶片。随后，使该晶片在氮气氛中退火来从掺杂的镁中解吸氢原子。在P-GaN层12中所产生的空穴浓度可达到1018cm-3。用于形成P一型III-V氮化物层的另一已有技术方法，是使用HVPE系统进行镁的掺杂。图2示意表示了一种已有技术的HVPE生长系统30。简要言之，该系统30包括一个围绕着反应器或生长管34的第一高温炉32a。反应器34分别具有第一和第二反应器入口36a，36b，以及生产室35。生产室35容纳有一个液体III族金属9(Ga，In，或Al，或它们的合金)的供给源。反应剂气体(氨2)和载体气(氢3)是通过第二入口36b供入反应器34。HCl(前体或源气体)4是通过第一入口36a供入室35，在其中HCl4与金属9反应形成反应剂气体例如GaCl。在系统30中，一种镁掺杂剂源以镁金属10的形式容纳在掺杂剂管室38中。掺杂剂管室38和镁10被第二高温炉32b加热。系统30使用了一种用于镁10的分开的高温炉。因而，一方面掺杂剂管室38的温度，和另一方面生产室35的温度可单独分别加以控制。然而，作为这种安置的结果，系统30变得更加复杂，并且成本更高。鉴于上述情况，可以很容易理解到，现在需要一种改进系统和方法，用于P-型III-V氮化物层的HVPE生长。图3A示意表示了一种HVPE系统40，它是根据本专利技术一实施方案，适用于生长掺杂镁的P型氮化物层。该系统40包括一个围绕具有第一和第二入口46a和46b的反应器44的高温炉42。第一入口46a是通入生产室48。一种基片5，例如兰宝石，被安置在反应器44内。生产室48容纳有III族金属(Ga，In或Al)和元素(金属)镁，但还可以是氯化镁的供应源。优选，III族金属和镁源是结合在一起形成III族/Mg金属混合物11。混合物11的镁组份是用作系统40中的Mg掺杂剂源。优选，镁为混合物11中相对小量成份；更优选混合物11的镁组份用量范围为10ppm-10.000ppm。混合物11是被高温炉42加热至温度范围为500-1000℃；更优选的范围为600-900℃；以及最优选温度为650-750℃。HCl4通过第一入口46a引入室48中，在其中HCl本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制造Ｐ型氮化物层的方法，包括以下一些步骤：ａ）提供包括一反应器在内的ＨＶＰＥ系统；ｂ）将基片安置在反应器中；以及ｃ）将反应剂气体导入反应器中，其中反应剂气体包括第一反应剂气体组份，该第一反应剂气体组份是由ＨＣｌ通过Ⅲ族金属和 镁制备的。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：格伦S所罗门，戴维J米勒，泰特苏佐于达，
申请(专利权)人：CBL技术公司，松下电器产业株式会社，
类型：发明
国别省市：US[美国]