CN103854976A - 一种具有p层特殊掺杂结构的外延生长方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种具有p层特殊掺杂结构的外延生长方法。该方法在生长LED的p型层时，采用GaN/AlGaN超晶格结构的双元素掺杂，即在镁元素掺杂的同时掺入少量的硅烷。硅烷的掺杂属于施主，但少量的掺杂可以明显改善由于掺镁所引起的晶格缺陷，减少自补偿效应，改善晶体质量，使得非复合的缺陷中心减小，较少散射中心，提升载流子迁移率和受主的电离效率；另外，由于AlGaN生长温度较高，这种掺杂更利于镁的掺杂浓度提升，改善p层的掺杂效果，使得LED总体的发光效率极大提升。由于晶体质量的改善和阱垒层电导率的提升，使得电流扩展能力增强也提升了LED器件的可靠性。
Description
技术领域
本发明属于光电器件材料制备和结构设计技术领域，具体涉及一种LED外延掺杂生长方法及其外延片结构。
背景技术
Ⅲ族氮化物半导体材料以其优异的特性正在发挥着越来越广泛的作用，具有禁带宽度大、电子漂移饱和速度高、介电常数小、导热性能好等特点,非常适合于制作抗辐射、高频、大功率和高密度集成的电子器件;利用其特有的禁带宽度,还可以制作蓝、绿光和紫外光的发光器件和光探测器件。经过近十几年的发展，GaN基蓝光LED已成功实现商业化，在景观灯、背光源、照明灯领域都得到广泛应用。
随着Ⅲ族氮化物器件研究和应用的深入，GaN基光电器件对材料性能提出了更高的要求。对于LED器件，为了提升增强量子效率、降低非发光复合、减少缺陷对光子的吸收，需要有高结晶质量、低缺陷密度材料的外延技术和高性能的p型掺杂技术，尤其是p层的掺杂技术，一直以来都是制约LED商业化应用和提升发光效率的技术瓶颈。
目前LED的p层都采用在GaN中掺入镁元素，通过退火来激活镁受主，但是由于镁的激活能较高，电离率低，难以产生高的载流子浓度，且受生长条件影响大，掺杂过程容易产生缺陷降低材料的质量。所以作为LED器件生长过程中的关键，改善p层的掺杂效率，降低受主的激活能，优化p层材料的晶体质量，提升载流子浓度被越来越多的研究和关注。
发明内容
为了解决现有技术存在的问题，本发明提供一种新的LED外延生长方法，具有p层特殊掺杂结构，能够很好地改善p层材料的晶体质量，减少缺陷的产生，还可以提升载流子的浓度，增大复合发光效率，提升LED器件的光电转换效率；同时由于其p层的电导率的改善和面缺陷的减少，很大程度改善了LED器件的可靠性。
本发明的基本方案如下：
该外延生长方法，包括以下步骤：
（1）在蓝宝石衬底上生长低温GaN层；
（2）生长高温GaN层；
（3）生长高温GaN掺杂硅烷n型层；
（4）生长掺硅烷的n型AlGaN层；
（5）生长多个周期的GaN/InGaN量子阱层；
（6）生长掺杂镁的p型AlGaN层；
（7）生长多个GaN/AlGaN周期结构的超晶格层；
（8）掺镁的GaN层，作为接触层；
（9）最后在氮气氛围下退火；
其中，步骤（7）的多个GaN/AlGaN周期结构的超晶格层中，GaN层双掺杂镁和硅烷，AlGaN层除了掺杂镁和硅烷元素外，还采用氨气delta掺杂。
以上所称的“高温”、“低温”在本领域是具有明确意义的技术术语。
基于上述基本方案，本发明还做如下优化限定：
在步骤（7）进行GaN层、AlGaN层双掺杂镁和硅烷的过程中，掺杂镁元素与硅元素的摩尔比为10:1-15：1。
步骤（7）总共生长10-20个周期的GaN/AlGaN超晶格层，每个周期的GaN层和AlGaN层厚度均小于2nm。
步骤（7）中的每个周期，在950℃生长GaN层，然后升温至1000℃生长AlGaN层。
步骤（7）中的每个周期进行生长AlGaN层,是控制CP2Mg和SiH4的流量不变，NH3脉冲式通入，周期性地通入5s,再关闭3s，直到生长完该AlGaN层，即控制这个周期的AlGaN层厚度在2nm以下。
相应的，按照上述方法制得的LED外延片结构，主要包括依次生长的以下各层：
蓝宝石衬底；
低温GaN层；
高温GaN层；
高温GaN掺杂硅烷n型层；
掺硅烷的n型AlGaN层；
多个周期的GaN/InGaN量子阱层；
掺杂镁的p型AlGaN层；
多个GaN/AlGaN周期结构的超晶格层；
掺镁的GaN层，作为接触层；
在所述多个GaN/AlGaN周期结构的超晶格层中，GaN层双掺杂镁和硅烷，AlGaN层除了掺杂镁和硅元素外，还以氨气delta掺杂方式掺加氮元素。
在所述多个GaN/AlGaN周期结构的超晶格层中，掺杂镁元素与硅元素的摩尔比优选10:1-15：1。
优选确定为总共10-20个周期的GaN/AlGaN超晶格层，每个周期的GaN层和AlGaN层厚度均小于2nm。
本发明的有益效果如下：
本发明的方法在生长LED的p型层时，采用GaN/AlGaN超晶格结构的双元素掺杂，即在镁元素掺杂的同时掺入少量的硅烷。硅烷的掺杂属于施主，但少量的掺杂可以明显改善由于掺镁所引起的晶格缺陷，减少自补偿效应，改善晶体质量，使得非复合的缺陷中心减小，较少散射中心，提升载流子迁移率和受主的电离效率；另外，由于AlGaN生长温度较高，这种掺杂更利于镁的掺杂浓度提升，改善p层的掺杂效果，使得LED总体的发光效率极大提升。由于晶体质量的改善和阱垒层电导率的提升，使得电流扩展能力增强也提升了LED器件的可靠性。
为了得到更好的Al的掺入量，优化AlGaN势垒结材料质量，ALGaN层还采用氨气delta掺杂。超晶格结构使得AlGaN垒层的受主激活能降低，同时氨气delta掺杂可以提升Al原子的迁移半径和晶格质量，降低AlGaN层的生长难度、提升掺杂水平。
附图说明
图1为本发明的LED外延生长整体结构。
图2为本发明的双掺杂结构的p层（图1中的8层）。
图3为氨气delta掺杂层（图2中的2层）。
图4为氨气delta双掺杂脉冲制备控制图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步的阐述。
本发明应用金属有机化合物化学气相沉淀（MOCVD）外延生长技术，利用现有的MOCVD技术设备，采用三甲基镓（TMGa），三乙基镓(TEGa)，和三甲基铟（TMIn）,三甲基铝(TMAl)和氨气（NH3）硅烷（SiH4）和二茂镁(cp2Mg)分别提供生长所需要的镓源，铟源，铝源，和氮源，镁源，硅源，采用NH3脉冲式delta掺杂制备p层的超晶格结构的双元素掺杂，进一步结合了delta掺杂和双掺杂的优点。
该外延生长方法具体示例如下：
1.将蓝宝石衬底特殊清洗处理后，放入MOCVD设备在1100℃烘烤10分钟。
2.降温度550℃生长一层厚度25nm的低温GaN层，生长压力为500torr。
3.升温到1020℃生长一层厚度1um的本征GaN层，生长压力为300torr.
4.在温度1030℃生长一层厚度1um掺杂SiH4的n型GaN层，生长压力300torr.
5.在温度1050℃生长一层掺杂SiH4的n型AlGaN层厚度20nm，压力200torr.
6.在氮气氛围下，在400torr,850℃生长一层12nm GaN垒层和750℃生长一层3nm的InGaN的量子阱垒结构.然后重复8个周期。
7.温度升至950℃，150torr,生长一层p型AlGaN层，厚度20nm.
8.在950℃，300torr生长一层小于2nm GaN层，生长的过程中通入CP2Mg和SiH4,其中CP2Mg的流量和SiH4流量的比值为10:1，或者15：1。接着升温至1000℃生长一层NH3delta掺杂的AlGaN,控制CP2Mg和SiH4的流量不变，NH3则脉冲式通入，其中通入5s,然后关闭3s，然后继续打开5s，关闭3s，一直周期通入，直到生长时间结束，AlGaN层厚度为2nm以下。总共生长10-20个周期。
9.在950℃生长一层掺杂镁p型GaN，20nm左右，作为接触层。
10.在氮气氛围下，退火20分钟。
以上整体外延生长过程结束，即制得LED外延片。
利用SIMS(二次离子质谱)测试LED结构外延材料中的镁元素，双掺杂p层均出现镁元素的掺杂高峰，显示出足够的空穴浓度，并且空穴浓度较传统p层提升了1.5倍。
通过LED芯片测试结果显示，发光效率比传统p层掺杂结构芯片提升20%。
需要强调的是，以上实施例中给出了能够达到最佳技术效果的具体参数，但这些温度、厚度、压力等具体参数大部分均是参照现有技术所做的常规选择，不应视为对本发明权利要求保护范围的限制。说明书中阐述了本发明技术改进的原理，本领域技术人员应当能够认识到在基本方案下对各具体参数做适度的调整仍然能够基本实现本发明的目的。
Claims (8)
1.一种具有p层特殊掺杂结构的外延生长方法，包括以下步骤：
（1）在蓝宝石衬底上生长低温GaN层；
（2）生长高温GaN层；
（3）生长高温GaN掺杂硅烷n型层；
（4）生长掺硅烷的n型AlGaN层；
（5）生长多个周期的GaN/InGaN量子阱层；
（6）生长掺杂镁的p型AlGaN层；
（7）生长多个GaN/AlGaN周期结构的超晶格层；
（8）掺镁的GaN层，作为接触层；
（9）最后在氮气氛围下退火；
其中，步骤（7）的多个GaN/AlGaN周期结构的超晶格层中，GaN层双掺杂镁和硅烷，AlGaN层除了掺杂镁和硅元素外，还采用氨气delta掺杂。
2.根据权利要求1所述的外延生长方法，其特征在于：在步骤（7）进行GaN层、AlGaN层双掺杂镁和硅烷的过程中，掺杂镁元素与硅元素的摩尔比为10:1-15：1。
3.根据权利要求2所述的外延生长方法，其特征在于：步骤（7）总共生长10-20个周期的GaN/AlGaN超晶格层，每个周期的GaN层和AlGaN层厚度均小于2nm。
4.根据权利要求3所述的外延生长方法，其特征在于：步骤（7）中的每个周期，在950℃生长GaN层，然后升温至1000℃生长AlGaN层。
5.根据权利要求4所述的外延生长方法，其特征在于：步骤（7）中的每个周期进行生长AlGaN层,是控制CP2Mg和SiH4的流量不变，NH3脉冲式通入，周期性地通入5s,再关闭3s，直到生长完该AlGaN层。
6.一种p层特殊掺杂的LED外延片结构，其特征在于，包括依次生长的以下各层：
蓝宝石衬底；
低温GaN层；
高温GaN层；
高温GaN掺杂硅烷n型层；
掺硅烷的n型AlGaN层；
多个周期的GaN/InGaN量子阱层；
掺杂镁的p型AlGaN层；
多个GaN/AlGaN周期结构的超晶格层；
掺镁的GaN层，作为接触层；
在所述多个GaN/AlGaN周期结构的超晶格层中，GaN层双掺杂镁和硅烷，AlGaN层除了掺杂镁和硅元素外，还以氨气delta掺杂方式掺加氮元素。
7.根据权利要求6所述的LED外延片结构，其特征在于：在所述多个GaN/AlGaN周期结构的超晶格层中，掺杂镁元素与硅元素的摩尔比为10:1-15：1。
8.根据权利要求7所述的LED外延片结构，其特征在于：总共有10-20个周期的GaN/AlGaN超晶格层，每个周期的GaN层和AlGaN层厚度均小于2nm。
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