СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ НИТРИДНОГО ПОЛУПРОВОДНИКА И НИТРИДНОГО ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО УСТРОЙСТВА Р-ТИПА
METHOD OF MAKING NITRIDE SEMICONDUCTOR AND P-TYPE NITRIDE SEMICONDUCTOR DEVICE

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к способу изготовления нитридного полупроводника p-типа и, в частности, касается способа изготовления нитридного полупроводника p-типа с улучшенными электрическими свойствами и нитридного полупроводникового светоизлучающего прибора.
Уровень техники
Обычно нитридный полупроводник группы III излучает свет в широком диапазоне от области видимого излучения до области ультрафиолетового излучения. Заметим, что нитридный полупроводник группы III выдвигается в настоящее время на первый план в качестве материала светоизлучающих приборов для излучения сине-зеленого света.
x
y
(1-x-y)
Как правило, нитридный полупроводниковый светоизлучающий прибор формируется из полупроводникового слоя, имеющего состав, который выражается формулой AlInGaN, где 0≤x≤1, 0≤y≤1 и 0≤x+y≤1. Нитридный полупроводниковый светоизлучающий прибор способен излучать коротковолновый свет, например синий или зеленый свет с большой выходной мощностью, что привлекает к нему особое внимание со стороны производителей.
Этот нитридный полупроводниковый светоизлучающий прибор возбуждается при низком напряжении и для достижения более высокой выходной мощности должен формироваться из нитридного полупроводникового слоя, имеющего высокую электропроводность. Для формирования нитридного полупроводникового слоя с высокой проводимостью необходимо ввести в него высококонцентрированную легирующую примесь, причем введенная легирующая примесь должна активироваться как донор или акцептор с высокой скоростью.
Однако, введенная легирующая примесь p-типа может неблагоприятным образом повлиять на кристалличность галлиевого нитридного полупроводникового слоя p-типа. Эта проблема, связанная с кристалличностью, может стать преградой для изготовления прибора с использованием нитридного полупроводника. Также легирующая примесь p-типа хуже активируется в нитридном полупроводнике, чем легирующая примесь n-типа, и поэтому нитридный полупроводник p-типа имеет недопустимо низкую электропроводность.
Сущность изобретения
Согласно одному аспекту настоящего изобретения предлагается способ изготовления нитридного полупроводникового слоя p-типа, в котором концентрация акцептора достаточно велика, чтобы повысить проводимость и поддерживать более высокую кристалличность.
Согласно другому аспекту настоящего изобретения предлагается нитридный полупроводниковый прибор, имеющий нитридный полупроводниковый слой p-типа с более высокой кристалличностью и высокой электропроводностью.
Согласно одному аспекту настоящего изобретения предлагается способ изготовления нитридного полупроводника p-типа, причем способ включает в себя: выращивание нитридного полупроводника p-типа с многослойной структурой, имеющей множество высококонцентрированных тонких пленок и множество низкоконцентрированных тонких пленок, расположенных попеременно; отжиг нитридного полупроводника p-типа для улучшения его электрических свойств, при этом нитридный полупроводник p-типа с многослойной структурой выращивают путем модулированного легирования, при котором исходный поток легирующей примеси p-типа для высококонцентрированных тонких пленок по меньшей мере в два раза больше, чем исходный поток легирующей примеси p-типа для низкоконцентрированных тонких пленок.
Исходный поток легирующей примеси p-типа для высококонцентрированных тонких пленок может быть в пять раз больше, чем исходный поток легирующей примеси p-типа для низкоконцентрированных тонких пленок.
Каждая из низкоконцентрированных тонких пленок может иметь толщину от 1 до 80 нм, и каждая из высококонцентрированных тонких пленок имеет толщину от 1 атомного слоя до 50 нм. В частности, низкоконцентрированная тонкая пленка может иметь толщину, по меньшей мере в два раза превышающую толщину высококонцентрированной тонкой пленки.
Отжиг нитридного полупроводника p-типа может выполняться в течение от 12 до 25 минут при температуре от 680°С до 740°С.
Согласно другому аспекту настоящего изобретения предлагается нитридный полупроводниковый светоизлучающий прибор, включающий в себя: нитридные полупроводниковые слои p-типа и n-типа; активный слой, расположенный между нитридными полупроводниковыми слоями p-типа и n-типа, где нитридный полупроводниковый слой p-типа формируется с многослойной структурой, имеющей множество высококонцентрированных тонких пленок и множество низкоконцентрированных тонких пленок, расположенных попеременно, путем модулированного легирования, при этом концентрация легирующей примеси p-типа в высококонцентрированных тонких пленках по меньшей мере в два раза выше, чем концентрация легирующей примеси p-типа в низкоконцентрированных тонких пленках.
-1
Указанная многослойная структура нитридного полупроводникового слоя p-типа может иметь проводимость, по меньшей мере равную 1,5 (Ом·см).
Краткое описание чертежей
Вышеуказанные и иные аспекты, признаки и другие преимущества настоящего изобретения станут более очевидными из последующего подробного описания, взятого вместе с сопроводительными чертежами, на которых:
фиг.1 - последовательная иллюстрация способа изготовления нитридного полупроводника p-типа согласно примерному варианту изобретения;
фиг.2 - график, иллюстрирующий концентрацию легирующей примеси в нитридном полупроводниковом слое p-типа, созданном согласно примерному варианту изобретения;
фиг.3 - поперечное сечение, иллюстрирующее нитридный полупроводниковый светоизлучающий прибор согласно примерному варианту изобретения;
фиг.4 - изображение, полученное на атомно-силовом микроскопе (AFM), иллюстрирующее поверхность нитридного полупроводникового слоя p-типа, созданного согласно примеру 1, обладающему признаками настоящего изобретения;
фиг.5 - изображение AFM, иллюстрирующее поверхность нитридного полупроводникового слоя p-типа, созданного согласно сравнительному примеру настоящего изобретения;
фиг.6 - изображение AFM, иллюстрирующее поверхность нитридного полупроводникового слоя p-типа (образец 1), созданного согласно примеру 2, обладающему признаками настоящего изобретения;
фиг.7 - изображение AFM, иллюстрирующее поверхность нитридного полупроводникового слоя p-типа (образец 2), созданного согласно примеру 2, обладающему признаками настоящего изобретения;
фиг.8 - график, иллюстрирующий проводимость каждого образца, полученный путем изменения температуры отжига согласно примеру 3, обладающему признаками настоящего изобретения;
фиг.9 - график, иллюстрирующий интенсивность фотолюминесценции (PL) каждого образца, полученный путем изменения температуры отжига согласно примеру 3, обладающему признаками настоящего изобретения;
фиг.10 - график, иллюстрирующий проводимость каждого образца, полученный путем изменения температуры отжига согласно примеру 3, обладающему признаками настоящего изобретения;
фиг.11 - график, иллюстрирующий интенсивность PL каждого образца, полученный путем изменения температуры отжига согласно примеру 3, обладающему признаками настоящего изобретения.
Подробное описание предпочтительного варианта осуществления изобретения
Далее со ссылками на сопроводительные чертежи описываются примерные варианты осуществления настоящего изобретения.
На фиг.1 последовательно показан способ изготовления нитридного полупроводникового слоя p-типа согласно примерному варианту изобретения.
Сначала на шаге S10 выращивается нитридный полупроводник p-типа с многослойной структурой, имеющей множество высококонцентрированных тонких пленок и множество низкоконцентрированных тонких пленок, расположенных попеременно.
Высококонцентрированные тонкие пленки и низкоконцентрированные тонкие пленки можно получить посредством модулированного легирования. Исходный поток легирующей примеси p-типа, например источник Mg, настраивается таким образом, что поток для высококонцентрированных тонких пленок оказывается по меньшей мере в два раза больше, чем поток для низкоконцентрированных тонких пленок. В частности, с точки зрения электрических свойств и кристалличности поток источника легирующей примеси для высококонцентрированных тонких пленок может быть по меньшей мере в пять раз больше потока источника легирующей примеси p-типа для низкоконцентрированных тонких пленок.
В этом процессе каждая из низкоконцентрированных тонких пленок выращивается с меньшей толщиной, чем каждая из высококонцентрированных тонких пленок. Низкоконцентрированная тонкая пленка может иметь толщину от 1 до 80 нм, а высококонцентрированная тонкая пленка может иметь толщину от 1 атомного слоя до 50 нм. В частности, низкоконцентрированная тонкая пленка может быть выращена с толщиной, по меньшей мере в два раза превышающей толщину высококонцентрированной тонкой пленки.
Затем на шаге S20 нитридный полупроводник p-типа подвергается отжигу для улучшения его электрических свойств.
В многослойной структуре нитридного полупроводникового слоя p-типа по настоящему изобретению необходимая легирующая примесь p-типа может быть активирована посредством быстрой тепловой обработки при относительно низкой температуре. Нитридный полупроводник p-типа может быть подвергнут отжигу при температуре от 680°С до 740°С в течение от 12 до 25 минут. Эти условия отжига более подробно описываются в примере 3, обладающем признаками настоящего изобретения.
На фиг.2 представлен график, иллюстрирующий профиль концентрации легирования для нитридного полупроводникового слоя p-типа согласно примерному варианту изобретения.
Пунктирная линия показывает профиль концентрации нитридного полупроводникового слоя с Mg примесью с многослойной структурой, включающей в себя низкоконцентрированные тонкие пленки и высококонцентрированные тонкие пленки, полученные посредством модуляционного легирования в направлении толщины.
После тепловой обработки нитридный полупроводниковый слой слегка изменяется в отношении профиля концентрации из-за диффузии, но многослойная структура поддерживает концентрацию, по существу аналогичную начальному уровню. При такой тепловой обработке легирующая примесь p-типа активируется для дополнительного улучшения электрических свойств.
Как было описано выше, согласно настоящему изобретению в отличие от стандартной технологии легирования, при которой требуемый нитридный полупроводник p-типа подвергается однородному легированию в целом, нитридный полупроводник p-типа формируется с многослойной структурой, имеющей низкоконцентрированные тонкие пленки и высококонцентрированные тонкие пленки, выращенные попеременно, что значительно улучшает электрические свойства и кристалличность.
На фиг.3 показано боковое поперечное сечение, иллюстрирующее нитридный полупроводниковый светоизлучающий прибор согласно примерному варианту изобретения.
Обратимся к фиг.3, где нитридный полупроводниковый светоизлучающий прибор 30 включает в себя полупроводниковый слой 32 из GaN n-типа, активный слой 35 из GaN/InGaN со структурой с множеством карманов и полупроводниковый слой 37 из GaN p-типа, последовательно сформированный на сапфировой подложке 31. Полупроводниковый слой 37 из GaN p-типа и часть активного слоя 35 из GaN/InGaN удаляют для частичного вскрытия верхней части полупроводникового слоя 32 из GaN n-типа, и на частично вскрытой верхней части полупроводникового слоя 32 из GaN n-типа формируют электрод 39а n-типа. Также на полупроводниковом слое 37 из GaN p-типа формируют электрод 39b p-типа.
Нитридный полупроводниковый слой 37 p-типа по настоящему изобретению имеет многослойную структуру, в которой множество низкоконцентрированных тонких пленок 37а и множество высококонцентрированных тонких пленок 37b формируют попеременно посредством модуляционного легирования. В отличие от стандартного слоя с однородной концентрацией легирующей примеси каждая низкоконцентрированная тонкая пленка 37а имеет низкую концентрацию легирующей примеси p-типа, а каждая из высококонцентрированных тонких пленок 37b имеет высокую концентрацию легирующей примеси p-типа. Кроме того, высококонцентрированная тонкая пленка 37b имеет концентрацию легирующей примеси p-типа, по меньшей мере вдвое превышающую концентрацию легирующей примеси p-типа в низкоконцентрированных тонких пленках 37а. Концентрация легирующей примеси p-типа в высококонцентрированных тонких пленках может быть по меньшей мере в пять раз больше, чем концентрация легирующей примеси p-типа в низкоконцентрированных тонких пленках.
В общем случае, высококонцентрированное легирование p-типа не способствует улучшению кристалличности. С этой точки зрения для обеспечения более высокой кристалличности толщина tb высококонцентрированной тонкой пленки, где требуется высокая концентрация легирующей примеси, может быть меньше толщины ta низкоконцентрированной тонкой пленки 37а.
Низкоконцентрированная тонкая пленка 37а может иметь толщину ta от 1 до 100 нм, а высококонцентрированная тонкая пленка 37b имеет толщину от 1 атомного слоя до 50 нм. В частности, толщина ta низкоконцентрированной тонкой пленки может по меньшей мере в два раза превышать толщину tb высококонцентрированной тонкой пленки.
-1
Нитридный полупроводниковый слой p-типа с указанной многослойной структурой, полученной вышеописанным способом, обеспечивает более высокую электропроводность, чем равномерно легированный нитридный полупроводниковый слой p-типа с объемной структурой при улучшении кристалличности. Следует заметить, что в нитридном полупроводниковом слое p-типа легко достигается более высокая электропроводность, равная по меньшей мере 1,5 (Ом·см), по сравнению со стандартным вариантом.
Далее на ряде примеров описываются результаты и необходимые условия для настоящего изобретения.
Пример 1, обладающий признаками настоящего изобретения
3
3
На предварительно выращенном нелегированном слое GaN толщиной 2,8 мкм посредством модулированного легирования при температуре 1140° были попеременно сформированы десять высококонцентрированных тонких пленок из GaN, толщиной 10 нм каждая, и десять низкоконцентрированных тонких пленок GaN, толщиной 40 нм каждая, для создания нитридного полупроводникового слоя p-типа толщиной 0,5 мкм. При модулированном легировании в примере 1, обладающем признаками настоящего изобретения, поток источника Mg для высококонцентрированных тонких пленок GaN и низкоконцентрированных тонких пленок GaN был установлен равным 300 см/мин и 100 см/мин соответственно.
Сравнительный пример
3
На нелегированном слое GaN, имеющем толщину 2,8 мкм, который был предварительно выращен при условиях, аналогичных примеру 1, обладающему признаками настоящего изобретения, при температуре 1140° был выращен слой GaN p-типа толщиной 0,5 мкм. При выращивании слой GaN p-типа был легирован с потоком источника Mg, поддерживаемом на уровне 300 см/мин.
Была измерена электропроводность соответственно для нитридного полупроводникового слоя p-типа, созданного в соответствии с примером 1, обладающим признаками настоящего изобретения, и нитридного полупроводникового слоя p-типа, созданного в соответствии со сравнительным примером.
-1
-1
В результате в примере 1, обладающем признаками настоящего изобретения, получилась электропроводность от 0,24 до 0,34 (Ом·см), а в сравнительном примере получилась электропроводность всего лишь 0,14 (Ом·см).
Хотя в сравнительном примере слой GaN p-типа был легирован легирующей примесью из Mg с концентрацией, равной концентрации в высококонцентрированных тонких пленках, было обнаружено, что нитридный полупроводниковый слой p-типа с многослойной структурой согласно примеру, обладающему признаками настоящего изобретения, имеет более высокую электропроводность.
На фиг.4 и 5 представлены изображения, полученные на атомно-силовом микроскопе (AFM), которые показывают нитридные полупроводниковые слои p-типа в примере, обладающем признаками настоящего изобретения, и в сравнительном примере соответственно. Эти изображения демонстрируют значительное улучшение кристаллической поверхности в примере, обладающем признаками настоящего изобретения, по отношению к сравнительному примеру. На основе реально измеренной среднеквадратичной (RMS) шероховатости поверхности в примере 1, обладающем признаками настоящего изобретения, получилась гладкая кристаллическая поверхность со среднеквадратичной шероховатостью 0,26498 нм, а в сравнительном примере поверхность имела гораздо большую среднеквадратичную шероховатость, составляющую 3,61482 нм.
Как было описано выше, в примере, обладающем признаками настоящего изобретения, были значительно улучшены электрические свойства, а также кристалличность многослойного нитридного полупроводникового слоя p-типа.
Для определения требуемой концентрации высококонцентрированных легированных нитридных тонких пленок и низкоконцентрированных легированных нитридных тонких пленок соответственно были выполнены эксперименты, описанные ниже в примерах 2 и 3, обладающих признаками настоящего изобретения.
Пример 2, обладающий признаками настоящего изобретения
На нелегированном слое AlGaN при температуре 1140°С был сформирован нитридный полупроводниковый слой p-типа, включающий в себя высококонцентрированные тонкие пленки GaN p-типа и низкоконцентрированные тонкие пленки GaN p-типа.
При прочих равных условиях газовый поток источника легирующей примеси изменялся при выполнении модулированного легирования с целью получения двух нитридных полупроводниковых слоев p-типа (первый и второй образцы).
3
3
В образце 1 в течение 17 секунд и 27 секунд соответственно были выращены высококонцентрированные тонкие пленки GaN и низкоконцентрированные тонкие пленки GaN. Также поток источника Mg для модулированного легирования был установлен равным 75 см/мин и 500 см/мин соответственно. В результате высококонцентрированные тонкие пленки GaN имели концентрацию легирующей примеси, превышающую в 6,7 раз концентрацию легирующей примеси в низкоконцентрированных пленках GaN.
3
3
Кроме того, в образце 2 аналогичным образом, как в образце 1, в течение 17 секунд и 27 секунд соответственно были выращены высококонцентрированные тонкие пленки GaN и низкоконцентрированные тонкие пленки GaN, но поток источника Mg для модулированного легирования был установлен равным 150 см/мин и 500 см/мин соответственно. То есть, высококонцентрированные тонкие пленки GaN имели концентрацию легирующей примеси примерно в 3,3 раза превышающую концентрацию легирующей примеси в низкоконцентрированных тонких пленках GaN.
На фиг.6 и 7 представлены изображения AFM, иллюстрирующие поверхность каждого образца.
Можно видеть, что поверхность первого образца (фиг.6) имеет более подходящую поверхностную морфологию, чем поверхность второго образца (фиг.7). В действительности, с учетом среднеквадратичной поверхностной шероховатости первый образец изображен примерно на уровне 2,3 нм, а второй образец на уровне 3,0 нм.
В результате пример 2, обладающий признаками настоящего изобретения, демонстрирует, что высококонцентрированные тонкие пленки могут иметь концентрацию легирующей примеси p-типа, по меньшей мере в пять раз превышающую концентрацию легирующей примеси p-типа в низкоконцентрированных тонких пленках.
Для определения требуемых условий отжига был выполнен эксперимент, описанный в примере 3, обладающем признаками настоящего изобретения.
Пример 3, обладающий признаками настоящего изобретения
3
3
По аналогии с примером 1, обладающим признаками настоящего изобретения, для создания нитридного полупроводникового слоя p-типа толщиной 0,6 мкм посредством модуляционного легирования при температуре 1140° на предварительно выращенном нелегированном слое GaN толщиной 2,8 мкм были попеременно сформированы десять высококонцентрированных тонких пленок GaN, каждая толщиной 10 нм, и десять низкоконцентрированных тонких пленок GaN, каждая толщиной 50 нм. При модуляционном легировании в примере 3 поток источника Mg для высококонцентрированных тонких пленок GaN и низкоконцентрированных тонких пленок GaN был установлен равным 300 см/мин и 100 см/мин соответственно.
В условиях, идентичных вышеописанным, было создано большое количество образцов, которые были подвергнуты отжигу в различных условиях, например по времени и температуре соответственно, для активации легирующей добавки p-типа.
Для начала каждый из образцов был подвергнут отжигу в течение примерно 15 минут при температурах 600°, 650°, 700°, 750° и 800° соответственно. Были измерены электропроводность (σ) и фотолюминесценция указанных образцов, подвергнутых отжигу в каждом режиме.
На фиг.8 представлен график, показывающий проводимость каждого образца, созданный путем изменения температуры отжига согласно примеру 3, обладающему признаками настоящего изобретения. На фиг.9, представлен график, показывающий интенсивность фотолюминесценции (PL) (He-Cd лазер) каждого образца, созданный путем изменения температуры отжига согласно примеру 3, обладающему признаками настоящего изобретения.
Как показано на фиг.8, образец, подвергнутый отжигу при температуре от 680° до 740°, имеет подходящую электропроводность.
Затем образцы были подвергнуты отжигу при наиболее желательной температуре порядка 700°, но в течение времени, составляющем пять, десять, пятнадцать и двадцать пять минут соответственно. Аналогичным образом были измерены электропроводность (σ) и фотолюминесценция образцов, подвергнутых отжигу при соответствующих условиях.
На фиг.10 представлен график, показывающий проводимость каждого образца, созданный в результате изменения времени отжига согласно примеру 3, обладающему признаками настоящего изобретения. На фиг.11 представлен график, показывающий интенсивность PL каждого образца, созданный в результате изменения температуры отжига согласно примеру 3, обладающему признаками настоящего изобретения.
-1
Как показано на фиг.10, образец, подвергнутый отжигу в течение времени от 12 до 25 минут, показал электропроводность, равную по меньшей мере 1,5 (Ом·см).
Согласно примерам, обладающим признаками настоящего изобретения, предпочтительная температура отжига находится в диапазоне от 680°С до 740°С, а предпочтительное время отжига находится в диапазоне от 12 до 25 минут. Наилучший результат был достигнут, когда отжиг выполнялся при температуре 700° в течение 15 минут.
Как было изложено выше, согласно примерным вариантам изобретения при изготовлении нитридного полупроводникового слоя p-типа для повышения проводимости и обеспечения более высокой кристалличности достаточно увеличить концентрацию акцептора.
Вдобавок из нитридного полупроводникового слоя p-типа формируется нитридный полупроводниковый прибор с более высокой кристалличностью и электропроводностью.
Хотя настоящее изобретение было продемонстрировано и описано в связи с примерными вариантами его осуществления, специалистам в данной области техники очевидно, что могут быть предложены различные модификации и изменения, не выходящие за рамки существа и объема изобретения, определенного в прилагаемой формуле изобретения.