CN103996759A - 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LED外延层生长方法及LED外延层,生长P型GaN层步骤为:A、在温度为900-950℃,反应腔压力在200-600mbar的反应室内,通入NH3、Cp2Mg,关闭TMGa,做10-20秒掺Mg预处理;B、通入TMGa,关掉Cp2Mg,生长20-40秒GaN层,GaN厚度为5-10nm;重复步骤A、B10-20次,直至P型GaN层的总厚度为80-200nm。本申请使用delta掺杂生长p型GaN层,改善p型GaN层的结晶质量降低位错密度,提高P-GaN空穴浓度及其迁移率,为LED器件发光有源区提供更多的空穴-电子对,提高复合几率,提升亮度,从而改善LED器件的光电性能。
Description
技术领域
本发明涉及LED外延设计技术领域,特别地,涉及一种使用delta掺杂的方法生长p型GaN层的LED外延层生长方法及LED外延层。
背景技术
LED被广泛应用在显示屏、传感器、通讯、照明等广泛领域。作为核心半导体器件的GaN基蓝光LED能与荧光粉结合制造白光,在照明方面有很大的吸引力。
掺Mg:GaN材料(P-GaN)已经被广泛应该在GaN基发光二极管(LED)产品上,为了不破坏有源层的InGaN材料,p型GaN层一般在较低温度下生长,导致其晶体质量下降,补偿效应加重,致使LED器件电压上升、亮度下降、抗静电能力(ESD)变差。
发明内容
本发明目的在于提供一种使用delta掺杂的方法生长p型GaN层的LED外延层生长方法及制得的LED外延层,以提高P-GaN空穴浓度及其迁移率,从而改善LED器件的光电性能。
为实现上述目的,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:
A、在温度为900-950℃,反应腔压力在200-600mbar的反应室内,通入30000-45000sccm的NH3、600-1800sccm的Cp2Mg,关闭TMGa,做10-20秒掺Mg预处理;
B、通入20-60sccm的TMGa,关掉Cp2Mg,生长20-40秒GaN,GaN厚度为5-10nm,
重复步骤A、B10-20次,直至P型GaN层的总厚度为80-200nm;
Mg的掺杂浓度1E+19-1E+20atom/cm3。
优选的,所述生长P型GaN层步骤之后包括生长低温掺镁InGaN层:
温度650-680℃,反应腔压力维持在300-500mbar,通入NH3、TMGa、TMIn和Cp2Mg,持续生长2-5nm的低温掺镁InGaN层;Mg的掺杂浓度1E+20-1E+21atom/cm3。
优选的,所述生长有源层MQW步骤为:
反应腔压力维持在300-400mbar,
C、降温至700-750℃,生长厚度为2.5-3.2nm的InxGa(1-x)N阱层,x=0.015-0.25,In的掺杂浓度为1E+20至5E+20atom/cm3;
D、升高温度至800-850℃,生长厚度为8-12nm的GaN垒层;
重复生长步骤C和D,制得周期数为10-15的InxGa(1-x)N/GaN超晶格量子阱层。
本发明还公开了上述的LED外延层生长方法制得的LED外延层,包括delta掺杂P型GaN层,所述delta掺杂P型GaN层的总厚度为80-200nm:
GaN厚度为5-10nm,Mg的掺杂浓度1E+19-1E+20atom/cm3。
本发明具有以下有益效果:
传统的P-GaN生长是同时通入Ga源和Mg源实现,在生长过程中,Mg原子取代GaN形成Ga-N-Mg-N-Ga堆垛位错,随着掺Mg:GaN持续生长,位错不断延伸并增多,导致GaN表面平整性变差,影响LED器件的光电特性。
本申请使用delta掺杂生长p型GaN层,掺杂生长过程中,Mg的掺入是在GaN的中断期间完成的,Ga-N-Mg-N-Ga堆垛位错不易蔓延,而随后GaN生长过程中没有Mg杂质的引入,堆垛位错不会继续蔓延、也不会形成新的堆垛位错,改善p型GaN层的结晶质量降低位错密度,减少自补偿效应,提高P-GaN空穴浓度及其迁移率,为LED器件发光有源区提供更多的空穴-电子对,提高复合几率,提升亮度,从而改善LED器件的光电性能。
并且,本发明制备的p型GaN层的PR值高,说明GaN表面相当平整,P型GaN层与ITO的接触良好,有利于LED器件P电极的电流扩散,降低了LED器件的工作电压。另外,本发明制备的P-GaN层缺陷密度小、晶体质量高,提高了LED器件的抗静电能力(ESD)。
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是本发明实施例与对比实施例的PR值对比图;
图4是本发明实施例与对比实施例的ESD对比图;
图5是本发明实施例与对比实施例的亮度对比图;
图6是本发明实施例与对比实施例的电压对比图;
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、InGaN接触层,9、delta掺杂P型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1000-1100℃,反应腔压力维持在150-200mbar的氢气气氛下高温处理蓝宝石衬底5-10分钟;
2、降温至550-750℃下,反应腔压力维持在300-600mbar,通入NH3和TMGa,在蓝宝石衬底上生长厚度为30-60nm的低温缓冲层GaN;
3、升高温度到1100-1300℃下,反应腔压力维持在200-400mbar,通入NH3和TMGa,持续生长2-4μm的非掺杂GaN;
4、通入NH3、TMGa和SiH4,持续生长掺杂Si的N型GaN,Si掺杂浓度5E+18-1E+19atom/cm3,总厚度控制在2-4μm;
5、周期性生长有源层MQW,反应腔压力维持在300-400mbar,低温700-750℃,通入NH3、TEGa和TMIn,生长掺杂In的2.8-3.5nm的InxGa(1-x)N(x=0.15-0.25)层,In的掺杂浓度为1E+20-3E+20atom/cm3,高温800-850℃通入NH3和TEGa,生长10-15nmGaN层,InxGa(1-x)N/GaN周期数为10-12;
6、再升高温度到900-1000℃,反应腔压力维持在200-300mbar,通入NH3、TMGa、TMAl和Cp2Mg,持续生长20-50nm的P型AlGaN层,Al的掺杂浓度1E+20-3E+20atom/cm3,Mg的掺杂浓度5E+18-1E+19atom/cm3;
7、再升高温度到1000-1100℃,反应腔压力维持在600-900mbar,通入NH3、TMGa和Cp2Mg,持续生长100-200nm的掺镁的P型GaN层,Mg的掺杂浓度1E+19-1E+20atom/cm3;
8、最后将反应室压力控制在400-600mbar,降温至700-800℃,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)、三乙基镓(TEGa)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AlInGaN层、生长P型GaN层步骤,其操作方式为:
1、将蓝宝石衬底放置于MOCVD反应室里,在温度在1000-1300℃、反应腔压力维持在50-150mbar的H2气氛下,高温处理蓝宝石衬底5-10分钟,如图二1层;
2、待高温处理完,反应室降温至550-650℃范围内,通入TMGa和NH3,压力控制在600mbar-900mbar,在蓝宝石衬底上生长厚度为20-50nm厚的低温缓冲层GaN,如图二2层;
3、升高温度至1000-1200℃,反应腔压力维持在150-600mbar,在低温缓冲层上生长厚度为2-4um的非掺杂GaN层,如图二3层;
4、通入TMGa和NH3、SiH4,在图一3层上生长厚度为2-4um的掺Si的N型GaN层,掺杂浓度控制在5E+18-2E+19atom/cm3,如图二4层;
5、周期性生长有缘层MQW;压力控制在300mbar-400mbar,(1)降温至700-750℃,生长厚度为2.5-3.2nm的InxGa(1-x)N(x=0.015-0.25)阱层,In的掺杂浓度为1E+20至5E+20atom/cm3;(2)升高温度至800-850℃,生长厚度为8-12nm的GaN垒层;重复生长步骤(1)和(2),制得周期数为10-15的InxGa(1-x)N/GaN超晶格量子阱层;如图二5层;
6、升高温度到800-900℃,反应腔压力维持在200-400mbar,持续生长20-50nm的P型AlGaN层,Al掺杂浓度1E+20-3E+20atom/cm3,Mg掺杂浓度5E+18-1E+19atom/cm3;
7、再升高温度到900-950℃,反应腔压力维持在200-600mbar,(1)通入30000-45000sccm的NH3、600-1800sccm的CP2Mg,并关掉TMGa做10-20秒掺Mg预处理,(2)然后关掉CP2Mg,通入20-60sccm的TMGa,生长20-40秒GaN,其厚度控制在5-10nm,重复步骤(1)和(2)生长10-20次,制得总厚度为80-200nm的P型GaN层,Mg的掺杂浓度为1E+19-1E+20atom/cm3;
本步骤中,TMGa的关闭与CP2Mg的通入可以同时进行,CP2Mg的关闭与TMGa的通入也可以同时进行。
8、降温至650-680℃时生长厚度为2-5nm的低温掺镁InGaN层,Mg的掺杂浓度为1E20~1E21atom/cm3;
9、升温至700-800℃,压力保持在600-800mbsr,在N2气氛下活化20-30分钟,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在相同的前工艺条件下镀ITO层2300约埃,相同的条件下镀Cr/Pt/Au电极约1500埃,相同的条件下镀保护层SiO2约500埃,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。
将积分球获得的光电性能数据进行分析对比,对比结果请参考附图三至图六,具体数值可参见下表一。
表一 样品1与样品2的光电性能参数对比表
光电参数 | PR值 | 亮度/mw | 电压VF | ESD |
样品1 | 16.8 | 218.6 | 3.36 | 88% |
样品2 | 17.5 | 232.2 | 3.24 | 96% |
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、delta掺杂P型GaN层9和InGaN接触层8,其中,所述delta掺杂P型GaN层9的总厚度为80-200nm:GaN厚度为5-10nm,Mg的掺杂浓度为1E+19-1E+20atom/cm3。
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 (4)
1.一种LED外延层生长方法,其特征在于,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:
A、在温度为900-950℃,反应腔压力在200-600mbar的反应室内,通入30000-45000sccm的NH3、600-1800sccm的Cp2Mg,关闭TMGa,做10-20秒掺Mg预处理;
B、通入20-60sccm的TMGa,关掉Cp2Mg,生长20-40秒GaN,GaN厚度为5-10nm,
重复步骤A、B10-20次,直至P型GaN层的总厚度为80-200nm;
Mg的掺杂浓度1E+19-1E+20atom/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,所述生长P型GaN层步骤之后包括生长低温掺镁InGaN层:
温度650-680℃,反应腔压力维持在300-500mbar,通入NH3、TMGa、TMIn和Cp2Mg,持续生长2-5nm的低温掺镁InGaN层;Mg的掺杂浓度1E+20-1E+21atom/cm3。
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,所述生长有源层MQW步骤为:
反应腔压力维持在300-400mbar,
C、降温至700-750℃,生长厚度为2.5-3.2nm的InxGa(1-x)N阱层,x=0.015-0.25,In的掺杂浓度为1E+20至5E+20atom/cm3;
D、升高温度至800-850℃,生长厚度为8-12nm的GaN垒层;
重复生长步骤C和D,制得周期数为10-15的InxGa(1-x)N/GaN超晶格量子阱层。
4.根据权利要求1-3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,在P型AlGaN层和InGaN接触层之间包括delta掺杂P型GaN层,所述delta掺杂P型GaN层的总厚度为80-200nm:
GaN厚度为5-10nm,Mg的掺杂浓度1E+19-1E+20atom/cm3。
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