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低电阻p型氮化镓的双步快速热退火工艺研究

作者及机构
本研究由德国乌尔姆大学（University of Ulm）光电子学系的M. Scherer、V. Schwegler、M. Seyboth、C. Kirchner和M. Kamp，以及德国Steag RTP Systems GmbH公司的A. Pelzmann和M. Drechsler共同完成。研究成果发表于《Journal of Applied Physics》第89卷第12期，发表日期为2001年6月15日。

学术背景
氮化镓（GaN）是宽禁带半导体材料的重要代表，在蓝光、绿光及紫外光发光二极管（LED）和激光二极管等光电器件中具有广泛应用。然而，在氢气氛下生长的p型GaN（如金属有机气相外延法，MOVPE）中，镁（Mg）受主原子易与氢（H）形成Mg-H复合体，导致受主被钝化，无法贡献空穴载流子。因此，需要通过后处理工艺激活Mg受主并去除氢。传统方法采用单步热退火（如800°C退火10分钟），但存在热预算（thermal budget）高、电学性能提升有限的问题。本研究旨在开发一种更低热预算、更高电学性能的双步快速热退火（RTA）工艺，以优化p型GaN的电阻率和空穴浓度。

研究流程
1. 样品制备
- 研究对象：Mg掺杂的GaN外延薄膜，生长于（0001）取向的蓝宝石衬底上。
- 生长方法：水平式MOVPE反应器，使用三甲基镓（TMGa）和氨气（NH₃）作为镓和氮的前驱体，双环戊二烯基镁（Cp₂Mg）作为p型掺杂源。
- 结构：首先生长30 nm低温成核层，随后为2 μm半绝缘GaN层（载流子浓度n≈5×10¹⁶ cm⁻³），最后生长300 nm Mg掺杂GaN层。

1. 双步快速热退火设计

   • 设备：Steag AST2800CS RTP系统，支持高达50°C/s的升温速率。
     
   • 两种退火工艺：
     
     • 工艺A：先低温（600°C，5分钟）后高温（850–1030°C，30秒）。
       
     • 工艺B：先高温（同上）后低温（600°C，5分钟）。
       
   • 对比实验：传统单步退火（800°C，10分钟）。
     

2. 电学性能表征

   • 霍尔测量：室温下采用范德堡法（van der Pauw），磁场强度0.525 T，测试接触电阻为欧姆特性。
     
   • 关键参数：电阻率（ρ）、空穴浓度（p）和迁移率（μₚ）。
     

3. 材料分析

   • 光致发光（PL）光谱：16 K低温下测试，分析Mg掺杂GaN的光学特性。
     
   • 二次离子质谱（SIMS）：测定Mg和氢的浓度分布。
     

主要结果
1. 电学性能提升
- 工艺B（960°C高温步+600°C低温步）取得最佳结果：电阻率低至0.84 Ω·cm，空穴浓度达9.9×10¹⁷ cm⁻³，迁移率为7.5 cm²/V·s。
- 与传统单步退火相比，电阻率降低25%，空穴浓度提升100%。

1. 机制分析

   • 双步退火的优势：低温步（600°C）解离Mg-H复合体，高温步（>940°C）促进氢逸出，避免Mg再钝化。
     
   • 温度过高（>980°C）会导致氮空位（Vₙ）形成，引发n型导电。
     

2. 光学特性

   • PL光谱显示，p型样品在3.1 eV处出现典型Mg掺杂峰，而高温退火样品（n型）峰位红移至3.0 eV，与氮空位相关的深能级复合有关。
     

结论与意义
本研究通过双步RTA工艺显著提升了p型GaN的电学性能，为降低光电器件的热预算提供了新思路。科学价值在于阐明了Mg-H解离与氢去除的分步机制；应用价值体现在可推广至高效率GaN基LED和激光器的制造。

研究亮点
1. 创新性方法：首次提出分步退火策略，兼顾Mg激活与氢去除。
2. 性能突破：电阻率低于1 Ω·cm，达到当时p型GaN的领先水平。
3. 机制深度：通过PL和SIMS揭示了氮空位对电学性能的负面影响。

其他发现
- 掺杂浓度优化：Mg流量从0.38%降至0.28%时，最佳退火温度略有偏移，可能与位错密度变化有关。
- 氢钝化验证：退火后样品在真空中存放一周并二次退火（400°C），未观察到氢再钝化现象。

（全文约1500字）