CN103952684B - Led外延层生长方法及led外延层 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种提高P层Mg激活效率的LED外延层生长方法及制得的LED外延层，生长方法中的生长P型GaN层步骤为：在温度930-950℃，压力200-600mbar的反应室内，重复间隔性地通入A、B两组原料，直至P型GaN层的厚度为100-300nm；A组原料为NH3、TMGa和Cp2Mg源，生成5-20nmnm的GaN：Mg层；B组原料为NH3、TMGa、Cp2Mg和SiH4，生成5-10nm的掺Mg和Si的GaN层。本发明通过调整P型GaN层生长方式，将高温P型GaN层设计为GaN：Mg和GaN：Mg/Si层超晶格，改善空穴迁移率，降低驱动电压，提高空穴对发光层的注入，增加器件的发光效率。
Description
技术领域
本发明涉及LED外延设计技术领域，特别地，涉及一种提高P层MG激活效率的LED外延层生长方法及制得的LED外延层。
背景技术
以GaN为基础的发光二极管(LED)作为一种高效、环保、绿色新型固态照明光源，具有低电压、低功耗、体积小、重量轻、寿命长、高可靠性灯优点，正在迅速被广泛地应用于交通信号灯、手机背光源、户外全彩显示屏、城市景观照明、汽车内外灯、隧道灯等。
因此，LED的各方面性能提升都被业界重点关注。
目前，国内MOCVD生长LED外延层其中涉及到P型GaN层的生长，采用Mg做掺杂剂，Mg在GaN内的电离率非常低，行业公认的数据是：Mg的电离率仅有Mg掺杂浓度的1％。提高Mg电离率的方法一般是加重Mg掺杂浓度，随着Mg的掺杂加重，P型GaN的晶体质量变差，空穴的迁移率降低，阻值增加，器件的驱动电压随之增加，器件的能耗随之增加；而行业公认的提升器件的品质方向是驱动电压低，光输出高为目标，限制了Mg掺杂浓度的上限。
发明内容
本发明目的在于提供一种提高P层MG激活效率的LED外延层生长方法及制得的LED外延层，以解决Mg电离浓度过低的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种LED外延层生长方法，依次包括处理衬底、生长低温缓冲GaN层、生长非掺杂GaN层、生长掺Si的GaN层、生长有源层MQW、生长P型AlGaN层、生长P型GaN层步骤，
所述生长P型GaN层步骤为：
在温度为950-1100℃，反应腔压力在200-600mbar的反应室内，重复间隔性地通入A、B两组原料，直至P型GaN层的厚度为100-300nm；
其中，A组原料为50000-60000sccm的NH3、20-40sccm的TMGa源、1500-2500sccm的Cp2Mg源，生成厚度为5-20nm的GaN层；B组原料为50000-60000sccm的NH3、20-40sccm的TMGa、1500-2500sccm的Cp2Mg源、5-15sccm的SiH4，生成厚度为5-10nm的掺Mg和Si的GaN层，Mg的掺杂浓度为1E19-1E20atom/cm3，Si的掺杂浓度1E17-1E18atom/cm3。
优选的，先通入A组原料，再通入B组原料。
优选的，先通入B组原料，再通入A组原料。
优选的，所述生长P型GaN层步骤中，掺杂Si浓度低于掺杂Mg浓度的1-2个数量级。
优选的，所述生长有源层MQW步骤为：
在温度700-750℃，压力300-400mbar的反应室内，通入1500-1700sccm的TMIn和20-30sccm的TMGa生长掺杂In的厚度为3-4nm的InxGa(1-x)N层，其中x＝0.15-0.25；
温度为800-850℃，生长厚度为10-15nm的GaN层，InxGa(1-x)N/GaN层的周期数为10-15；In的掺杂浓度为1E20-3E20atom/cm3。
本发明还公开了根据上述的LED外延层生长方法制得的LED外延层，包括厚度为100-300nm的P型GaN层，所述P型GaN层包括若干个双层单元，每个双层单元包括：
掺Mg的GaN层：厚度为5-20nm；
掺Mg和Si的GaN层：厚度为5-10nm。
优选的，在所述双层单元中，所述掺Mg的GaN层在所述掺Mg和Si的GaN层之上，或者，所述掺Mg的GaN层在所述掺Mg和Si的GaN层之下。
优选的，在非掺杂GaN层和有源层MQW之间，包括掺Si的GaN层，厚度为2-4μm。
本发明具有以下有益效果：
本发明通过对P型GaN层生长方式的调整，将原本恒定掺杂的高温P型掺Mg的GaN层设计为GaN：Mg和GaN：Mg/Si组合成的超晶格材料，并将超晶格内含的GaN材料的厚度设计为1-5nm。在P层里适当的增加n型掺杂剂Si，适当的激活Mg的电离，增加空穴浓度，一方面Si的掺杂可以提高P层的晶体质量，提高空穴的迁移率，降低驱动电压，一方面增加空穴浓度，提高空穴对发光层的注入，增加器件的发光效率，使得器件的总体光效提到提升。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明对比实施例的结构示意图；
图2是本发明实施例的结构示意图；
图3是样品1与样品2的亮度对比图；
图4是样品1与样品2的电压对比图；
其中，1、衬底，2、低温缓冲GaN层，3、非掺杂GaN层，4、掺Si的GaN层，5、MQW有源层，6、P型AlGaN层，7、P型GaN层，8、掺Mg的GaN层，9、掺Mg和Si的GaN层。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
以下分别说明采用以现有传统方法制备样品1的对比实施例一，和采用本发明生长方法制备样品2的实施例一，再将两种方法得到样品1和样品2进行性能检测比较。
对比实施例一、
参见图1，本发明运用MOCVD来生长高亮度GaN基LED外延片。采用高纯H2或高纯N2或高纯H2和高纯N2的混合气体作为载气，高纯NH3作为N源，金属有机源三甲基镓(TMGa)作为镓源，三甲基铟(TMIn)作为铟源，N型掺杂剂为硅烷(SiH4)，三甲基铝(TMAl)作为铝源，P型掺杂剂为二茂镁(CP2Mg)，衬底为(0001)面蓝宝石，反应压力在100mbar到800mbar之间。
1、在1000-1200℃，反应腔压力维持在100-200mbar的氢气气氛下高温处理蓝宝石衬底5-10分钟；
2、降温至540℃下，反应腔压力维持在400-600mbar，在蓝宝石衬底上生长厚度为20-50nm的低温缓冲层GaN；
3、升高温度到1000-1200℃下，反应腔压力维持在400-600mbar，持续生长2-3μm的非掺杂GaN；
4、然后反应室压力控制在150-600mbar，持续生长掺杂Si的N型GaN，Si掺杂浓度5E18-1E19atom/cm3，总厚度控制在3-4μm；
5、周期性生长有源层MQW，反应腔压力维持在300-400mbar，低温730-750℃生长掺杂In的2.5-3.5nm的InxGa(1-x)N(x＝0.15-0.25)层，In的掺杂浓度为1E20-3E20atom/cm3，高温800-850℃生长10-14nmGaN层，InxGa(1-x)N/GaN周期数为10-15；
6、再升高温度到900-950℃，反应腔压力维持在200-600mbar，持续生长30-50nm的P型AlGaN层，Al掺杂浓度1E20-3E20atom/cm3，Mg掺杂浓度1E19-2E19atom/cm3；
7、再升高温度到950-1100℃，反应腔压力维持在100-300mbar，持续生长100-300nm的掺镁的P型GaN层，Mg掺杂浓度1E19-1E20atom/cm3；
8、最后将反应室压力控制在400-600mbar,降温至650-680℃，保温10-20min，接着炉内冷却。
实施例一、
参见图2，本发明运用AixtronMOCVD来生长高亮度GaN基LED外延片。采用高纯H2或高纯N2或高纯H2和高纯N2的混合气体作为载气，高纯NH3作为N源，金属有机源三甲基镓(TMGa)作为镓源，三甲基铟(TMIn)作为铟源，N型掺杂剂为硅烷(SiH4)，三甲基铝(TMAl)作为铝源，P型掺杂剂为二茂镁(CP2Mg)，衬底为(0001)面蓝宝石，反应压力在100mbar到800mbar之间。
一种提高P层MG激活效率的LED外延层生长方法，依次包括处理衬底、生长低温缓冲GaN层、生长非掺杂GaN层、生长掺Si的GaN层、生长有源层MQW、生长P型AlGaN层、生长P型GaN层步骤，其操作方式为：
1、在1000-1200℃，反应腔压力维持在100-200mbar的氢气气氛下高温处理蓝宝石衬底5-10分钟；
2、降温至540℃下，反应腔压力维持在400-600mbar，在蓝宝石衬底上生长厚度为20-50nm的低温缓冲层GaN；
3、升高温度到1000-1200℃下，反应腔压力维持在400-600mbar，持续生长2-3μm的非掺杂GaN；
4、然后反应室压力控制在150-600mbar，持续生长掺杂Si的N型GaN，Si掺杂浓度5E18-1E19atom/cm3，总厚度控制在3-4μm；
5、周期性生长有源层MQW，反应腔压力维持在300-400mbar，通入1500-1700sccm的TMIn和20-30sccm的TMGa，低温730-750℃生长掺杂In的2.5-3.5nm的InxGa(1-x)N(x＝0.15-0.25)层，In掺杂浓度1E20-3E20atom/cm3，高温800-840℃生长10-14nm的GaN层，InxGa(1-x)N/GaN周期数为10-15；
6、再升高温度到900-950℃，反应腔压力维持在200-600mbar，持续生长30-50nm的P型AlGaN层，Al掺杂浓度1E20-3E20atom/cm3，Mg掺杂浓度1E19-2E19atom/cm3；
7、再升高温度到950-1100℃，反应腔压力维持在200-600mbar，(1)通入50000-60000sccm的NH3、20-40sccmTMGa源、1500-2500sccm的Cp2Mg源以及载气生长5-20nm的GaN：Mg；(2)接着通入50000-60000sccm的NH3、20-40sccm的TMGa、1500-2500sccm的Cp2Mg源、5-15sccm的SiH4以及载气生长5-10nm的GaN：Mg/Si层，Mg的掺杂浓度1E19-1E20atom/cm3；接着以(1)、(2)为基础交替时长，高温P层控制在100-300nm；
其中，(1)(2)步骤的先后顺序可以调换。也即是，所述掺Mg的GaN层在所述掺Mg和Si的GaN层之上，或者，所述掺Mg的GaN层在所述掺Mg和Si的GaN层之下。
8、最后降温至700-800℃，保温20-30min，接着炉内冷却。
然后，采用对比实施例一描述的方法制备样品1，采用实施例一描述的方法制备样品2；样品1和样品2不同点在于高温P层的生长参数不同，生长其它外延层生长条件完全一样。生长条件请参考表1。
表1生长参数的对比
样品1和样品2在相同的前工艺条件下镀ITO层200nm，相同的条件下镀Cr/Pt/Au电极约170nm，相同的条件下镀保护层SiO2约50nm，然后在相同的条件下将样品研磨切割成762μm*762μm(30mi*30mil)的芯片颗粒，然后样品1和样品2在相同位置各自挑选150颗晶粒，在相同的封装工艺下，封装成白光LED。然后采用积分球在驱动电流350mA条件下测试样品1和样品2的光电性能。
将积分球获得的数据进行分析对比，对比结果请参考附图三和附图四，从图三数据得出样品2较样品1光输出高出约5％，图四数据得出样品2驱动电压下降约0.10v。
参见图2，本发明还提供了一种根据上述LED外延层生长方法制得的LED外延层，依次包括衬底1、低温缓冲GaN层2、非掺杂GaN层3、掺Si的GaN层4、MQW有源层5、P型AlGaN层6和P型GaN层7，其中，所述P型GaN层7的厚度为100-300nm，所述P型GaN层7包括若干个双层单元，每个双层单元包括：
掺Mg的GaN层8：厚度为5-20nm；
掺Mg和Si的GaN层9：厚度为5-10nm。
可以理解的是，双层单元中的层次顺序可以根据实际情况调整，所述掺Mg的GaN层8在所述掺Mg和Si的GaN层9之上，或者，所述掺Mg的GaN层8在所述掺Mg和Si的GaN层9之下。
在非掺杂GaN层3和MQW有源层5之间的掺Si的GaN层4，厚度为2-4μm。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种LED外延层生长方法，依次包括处理衬底、生长低温缓冲GaN层、生长非掺杂GaN层、生长掺Si的GaN层、生长有源层MQW、生长P型AlGaN层、生长P型GaN层步骤，其特征在于，
所述生长P型GaN层步骤为：
在温度为950-1100℃，反应腔压力在200-600mbar的反应室内，重复间隔性地通入A、B两组原料，直至P型GaN层的厚度为100-300nm；
其中，A组原料为50000-60000sccm的NH3、20-40sccm的TMGa源、1500-2500sccm的Cp2Mg源，生成厚度为5-20nm的GaN层；B组原料为50000-60000sccm的NH3、20-40sccm的TMGa、1500-2500sccm的Cp2Mg源、5-15sccm的SiH4，生成厚度为5-10nm的掺Mg和Si的GaN层，Mg的掺杂浓度为1E19-1E20atom/cm3，Si的掺杂浓度1E17-1E18atom/cm3。
2.根据权利要求1所述的一种LED外延层生长方法，其特征在于，先通入A组原料，再通入B组原料。
3.根据权利要求1所述的一种LED外延层生长方法，其特征在于，先通入B组原料，再通入A组原料。
4.根据权利要求1所述的一种LED外延层生长方法，其特征在于，
所述生长P型GaN层步骤中，掺杂Si浓度低于掺杂Mg浓度的1-2个数量级。
5.根据权利要求1所述的一种LED外延层生长方法，其特征在于，所述生长有源层MQW步骤为：
在温度700-750℃，压力300-400mbar的反应室内，通入1500-1700sccm的TMIn和20-30sccm的TMGa生长掺杂In的厚度为3-4nm的InxGa(1-x)N层，其中x＝0.15-0.25；
温度为800-850℃，生长厚度为10-15nm的GaN层，InxGa(1-x)N/GaN层的周期数为10-15；In的掺杂浓度为1E20-3E20atom/cm3。
6.根据权利要求1-5任一项所述的LED外延层生长方法制得的LED外延层，其特征在于，包括厚度为100-300nm的P型GaN层，所述P型GaN层包括若干个双层单元，每个双层单元包括：
掺Mg的GaN层：厚度为5-20nm；
掺Mg和Si的GaN层：厚度为5-10nm。
7.根据权利要求6所述的LED外延层，其特征在于，在所述双层单元中，所述掺Mg的GaN层在所述掺Mg和Si的GaN层之上，或者，所述掺Mg的GaN层在所述掺Mg和Si的GaN层之下。
8.根据权利要求6所述的LED外延层，其特征在于，在非掺杂GaN层和有源层MQW之间，包括掺Si的GaN层，厚度为2-4μm。
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