CN106299060B - 一种具低阻的P型GaN外延层制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种具低阻的P型GaN外延层制备方法,包括如下步骤:在氢气气氛下高温处理衬底;在处理的衬底表面依次生长缓冲层、非掺的GaN层、n型GaN层、多量子阱有源区层和电子阻挡层;在电子阻挡层上生长P型GaN层;在P型GaN层上生长P型接触层;在处理衬底之前往反应室中预通Cp2Mg,通入时间0‑3600S,流量为0—4000 sccm并将反应室暴露在大气中生长MgO且在所述S3中p型GaN层生长前,往反应室内通入CP2Mg掺杂剂,所述CP2Mg掺杂剂的流量为0—4000 sccm,通入时间为60—300S,使p型GaN层中的Mg杂质浓度稳定在最佳值(3‑4e19 cm‑3)。本发明保证了p型GaN中的空穴浓度和迁移率,降低p型GaN的电阻,降低了LED的工作电压。
Description
技术领域
本发明属于LED外延技术生长领域,尤其涉及一种具低阻的P型GaN外延层制备方法。
背景技术
LED 作为固态光源,具有体积小、效率高、寿命长、环保等优点,被誉为第三代绿色节能光源,虽然目前LED已经进入商业化生产阶段,但LED在技术上还面临诸多难题,如工作电压较高。
LED的工作电压高主要是由于LED中的pGaN电阻太大。GaN通常采用CP2Mg作为掺杂剂,然而由于Mg受主在GaN中的电离能较高,高达170meV,通常不到1%的Mg受主发生电离,产生空穴,因此p型GaN中的空穴浓度较低,有人提出提高p型GaN中的Mg掺杂浓度,以提高p型GaN中的空穴浓度。然而,实验发现p型GaN中的Mg受主浓度高于一定值后(通常为3-4 e19cm-3),p型GaN中的H浓度不再跟随Mg杂质的增加而增加,这些过量的Mg杂质在p型GaN中形成反型畴,从而发生极性反转,导致p型GaN中能被活化的Mg杂质浓度,导电面积减少,因此p型GaN中的空穴浓度降低,迁移率减小,电阻增加。因此我们需严格控制p型GaN中的Mg杂质浓度,防止出现反型畴,从而导致p型GaN的空穴浓度减少,电阻增加。
实验研究发现Mg杂质存在“记忆效应”,在生长p型GaN刚通入CP2Mg时,CP2Mg会迅速与反应室中的氨气发生反应,生成一种络合物,从而造成p型GaN中的Mg掺杂量减少,随着CP2Mg的继续通入,CP2Mg与氨气反应生成的络合物增加,反应腔中氨气与CP2Mg的反应减弱,因此P型GaN中的Mg掺杂量增加,容易出现Mg杂质在p型GaN中的过掺,降低p型GaN中的空穴浓度。
现有技术中一般无法考虑到这些因素,如专利201410580361.8所述,切换p-GaN的生长气氛来提高p-GaN中Mg的激活效率,专利201410090720.1中采用In掺杂的低温P型GaN层的方法,提高Mg受主的活化性能;专利201420339620.3中采用MgN-In 层,以提高p型GaN中的空穴浓度和迁移率。
但这些提高p型GaN中空穴浓度和迁移率的方法都比较复杂,而且效果有限或有其他负作用,如专利201410580361.8中提到的方法,要不停的开关阀门,同时由于p型GaN中Mg杂质的记忆效应和补偿作用,空穴浓度的提升依然有限,专利201410090720.1中采用低温p型InGaN的方法提供Mg受主的活化性能,会降低p型层的晶体质量,因此不利于降低p型GaN的电阻,提升p型GaN中的空穴浓度。
发明内容
鉴于上述现有技术存在的缺陷,本发明的目的是提出一种具低阻的P型GaN外延层制备方法。
本发明的目的,将通过以下技术方案得以实现:
一种具低阻的P型GaN外延层制备方法,采用MOCVD 技术,利用NH3、TMGa 或TEGa、TMIn、TMAl 分别作为N 源、Ga 源、In 源和Al 源,使用Cp2Mg 和SiH4 作为Mg 和Si 的掺杂源生长,包括如下步骤:
S1,在氢气气氛下高温处理衬底;
S2, 在处理的衬底表面依次生长缓冲层、非掺的GaN层、 n型GaN层、多量子阱有源区层和电子阻挡层;
S3,在电子阻挡层上生长P型GaN层;
S4,在P型GaN层上生长P型接触层;
在S1之前往反应室中预通Cp2Mg,通入时间0-3600S,流量为0—4000 sccm并将反应室暴露在大气中生长MgO,当反应室侧壁覆盖MgO时,开始步骤S1,且在所述S3中p型GaN层生长前,往反应室内通入CP2Mg掺杂剂,所述CP2Mg掺杂剂的流量为0—4000 sccm,通入时间为60—300 S,且控制Mg和Ga的摩尔流量比为0.01—0.02,使p型GaN层中的Mg杂质浓度稳定在最佳值(3-4e19 cm-3)。
优选地,所述衬底为蓝宝石,SiC衬底、Si衬底、GaN衬底或尖晶石衬底。
优选地,所述S3中P型GaN的生长温度为800-1200℃,生长压力为50—1000 mbar,厚度为0.01—1 um。
本发明的原理是:刚往反应室中通入CP2Mg时,大部分CP2Mg会吸附在反应室的内壁,不参与反应,从而使p型GaN中的Mg掺杂量减少,随着CP2Mg的继续通入,反应室的内壁逐渐吸附满CP2Mg,此时的CP2Mg几乎全部掺杂到p型GaN中,p型GaN中的Mg掺杂量逐渐增加。因此P型GaN中的Mg掺杂浓度逐渐上升,然后慢慢趋于稳定。根据上述分析,前期P型GaN中由于反应室内壁对CP2Mg的吸附,Mg的掺杂浓度较小,空穴浓度较低;后期p型GaN中,由于Mg受主杂质掺杂效率增加,导致Mg掺杂浓度较高而出现反型畴,Mg的有效掺杂浓度较低,空穴浓度较低,因此p型GaN空穴浓度较低,电阻较大。
基于以上问题,因此在生长之前往反应室中预通Cp2Mg,并将反应室暴露在大气中,生长MgO,减少了生长时反应室内壁对CP2Mg的吸附,之后生长p-GaN前,再 往反应室中预先通入60-300 s的CP2Mg,以填补反应室对CP2Mg的吸附,从而保证p型GaN中的Mg受主杂质浓度稳定在最佳值3-4e19 cm-3。避免了由于掺杂浓度过低导致Mg受主掺杂浓度不够,或掺杂浓度过高导致Mg杂质的补偿效应。因此本发明保证了p型GaN中的空穴浓度和迁移率,降低p型GaN的电阻,降低LED的工作电压。
以下便结合实施例附图,对本发明的具体实施方式作进一步的详述,以使本发明技术方案更易于理解、掌握。
附图说明
图1是本发明的外延结构示意图。
图2分别为现有技术和本发明技术生长的P型GaN中的Mg掺杂浓度对比曲线图。
具体实施方式
本发明提供了一种具低阻的P型GaN外延层制备方法,本方法采用MOCVD设备进行外延生长,使用NH3、TMGa/TEGa、TMIn、TMAl分别作为N、Ga、In、Al源。
如图1所示,所述外延层包括衬底1,低温缓冲层2,非掺杂GaN层3,n型GaN层4,若干层多量子阱有源层,p型电子阻挡层7,p型GaN层8和p型接触层9。每个所述多量子阱有源层包括至少一层InGaN量子阱层5和垒层6。一般为达到实际的发光需求,采用3-20个InGaN/GaN多量子阱有源层。
以上所述的外延结构制备方法,具体包括如下步骤:
S1,在氢气气氛下高温处理衬底;
S2, 在处理的衬底表面依次生长缓冲层、非掺的GaN层、 n型GaN层、多量子阱有源区层和电子阻挡层;
S3,在电子阻挡层上生长P型GaN层,其生长温度为800-1200℃,生长压力为50-1000 mbar,厚度为0.01-1 um;
S4,在P型GaN层上生长P型接触层。本申请中的结构层生长工艺方法与现有技术相类似,在此不再赘述,与现有技术不同的是,在S1之前往反应室中预通Cp2Mg,通入时间0-3600S,流量为0—4000 sccm,由于往反应室中预通CP2Mg,CP2Mg将会吸附在反应室的侧壁。将反应室暴露在大气中,Mg与大气中的氧气反应,生长MgO,当反应室侧壁完全覆盖MgO时,开始步骤S1,由于MgO吸附在反应室的内壁,减少了在后续外延生长时反应室内壁对Cp2Mg的吸附。
且在所述S3中p型GaN层生长前,往反应室内通入CP2Mg掺杂剂,所述CP2Mg掺杂剂的流量为0—4000 sccm,通入时间为60—300S,控制Mg和Ga的摩尔流量比为0.01—0.02,以使p型GaN层中的Mg杂质浓度稳定在最佳值(3—4e19 cm-3)。
图2所示分别为现有技术和本发明技术生长的P型GaN中的Mg掺杂浓度对比曲线图,数据显示,现有技术生长P型GaN中的Mg掺杂浓度,由表面向里(与生长时方向相反),Mg的掺杂浓度逐渐降低,从5.75e19 cm-3逐渐减少到2.75e19 cm-3。
在本发明技术中,Mg的掺杂浓度维持在4e19 cm-3左右,几乎不变,Hall测试数据显示,采用现有生长技术,P型GaN中的空穴浓度约为1.5e17 cm-3;而本发明技术生长的P型GaN,其空穴浓度高达3e17 cm-3,约提高了2倍,因此采用本发明技术,可大幅增加p型GaN的电导率,降低P型GaN中的电阻,降低LED的电压。
本发明尚有多种实施方式,凡采用等同变换或者等效变换而形成的所有技术方案,均落在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种具低阻的P型GaN外延层制备方法,采用MOCVD 技术,利用NH3、TMGa 或TEGa、TMIn、TMAl 分别作为N 源、Ga 源、In 源和Al 源,使用Cp2Mg 和SiH4 作为Mg 和Si 的掺杂源生长,包括如下步骤:
S1,在氢气气氛下高温处理衬底;
S2, 在处理的衬底表面依次生长缓冲层、非掺的GaN层、 n型GaN层、多量子阱有源区层和电子阻挡层;
S3,在电子阻挡层上生长P型GaN层;
S4,在P型GaN层上生长P型接触层;
其特征在于:
在S1之前往反应室中预通Cp2Mg,通入时间0-3600S,流量为0—4000 sccm并将反应室暴露在大气中生长MgO,当反应室侧壁覆盖MgO时,开始步骤S1,且在所述S3中p型GaN层生长前,往反应室内通入CP2Mg掺杂剂,所述CP2Mg掺杂剂的流量为0—4000 sccm,通入时间为60—300 S,且控制Mg和Ga的摩尔流量比为0.01—0.02,使p型GaN层中的Mg杂质浓度稳定在最佳值(3-4e19 cm-3)。
2.如权利要求1所述的一种具低阻的P型GaN外延层制备方法,其特征在于:所述衬底为蓝宝石衬底、SiC衬底、Si衬底、GaN衬底或尖晶石衬底。
3.如权利要求1所述的一种具低阻的P型GaN外延层制备方法,其特征在于:所述S3中P型GaN的生长温度为800-1200℃,生长压力为50—1000 mbar,厚度为0.01—1 um。
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Date | Code | Title | Description |
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C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
GR01 | Patent grant | ||
GR01 | Patent grant | ||
CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20180501 Termination date: 20190528 |