CN107731970A - 一种具有电流阻挡层的led外延结构的制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有电流阻挡层的LED外延结构的制作方法，包括以下步骤:首先，采用MOCVD技术，在衬底上依次生长未掺杂的GaN缓冲层、N型GaN层和有源层；然后，在有源层上生长电流阻挡层，注入Mg源；最后，在电流阻挡层上依次生长P型低温GaN层和P型高温GaN层。利用本发明的方法可制造出具有特殊电流阻挡层的LED外延结构，能够有效避免电子溢出至P型低温GaN层和P型高温GaN层，同时有利于空穴扩展，能够显著提高空穴浓度以及大幅提升晶体亮度。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，尤其是一种具有电流阻挡层的LED外延结构的制作方法。
背景技术
Mg是P型掺杂的重要元素，由于Mg的钝化效应，用MOCVD技术生长P型GaN时，受主Mg原子在生长过程中易被H原子严重钝化，从而导致未经处理的P型GaN与Mg之间的电阻率异常升高，甚至可能达到十欧米，所以必须在生长后对Mg进行激活，才能得到可应用于器件的P型GaN。现有技术提高Mg原子在GaN中的激活效率的方法是：高温生长P型GaN，然后在N2气氛下退火，虽然利用快速热退火法可成功获得P型GaN，但得到的空穴浓度仍然较低，典型值为2E17atom/cm3，比理论掺杂浓度低了2-3个数量级，并且常规工艺中Mg源，一般为Cp2Mg，在生长P型GaN层时才开始通入，因此Mg的激活性不高，外延晶体亮度改变不明显。
中国专利文献CN105514226A公开了一种外延结构的制作方法，直接在外延结构上生长无掺杂的AlN材料，将其作为电流阻挡层，以达到有效增强发光二极管P型电流扩展的效果，但由于该层是设置于P型GaN层之上生长，无法阻挡有源层(MQW层)中电子溢出问题，同时增加空穴向MQW层中的移动数量不明显，无法从根本上解决空穴浓度问题。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种具有电流阻挡层的LED外延结构的制作方法，以制造出一种具有电流阻挡层的LED外延结构，能够有效避免电子溢出至P型低温GaN层和P型高温GaN层，同时有利于空穴扩展和显著提高空穴浓度，以及能够大幅提升晶体亮度。
本发明解决其问题所采用的技术方案是：
一种具有电流阻挡层的LED外延结构的制作方法，包括以下步骤:
A、采用MOCVD技术，在衬底上依次生长未掺杂的GaN缓冲层、N型GaN层和有源层；
B、在有源层上生长电流阻挡层，注入Mg源；
C、在电流阻挡层上依次生长P型低温GaN层和P型高温GaN层。
进一步，电流阻挡层的生长温度为800-900℃，生长压力为300-800mbar。
进一步，电流阻挡层为由掺Mg的AlGaN势垒层和GaN势阱层间隔交替组成的超晶格层。
进一步，Al的掺杂浓度是1E17-1E18atom/cm3，Mg的掺杂浓度为1E15-1E16atom/cm3。
进一步，AlGaN势垒层和GaN势阱层间隔交替的次数为4-6，AlGaN势垒层和GaN势阱层的厚度比在2:1到3:1之间。
进一步，P型低温GaN层的生长温度为600-700℃，生长压力为300-800mbar。
进一步，P型高温GaN层的生长温度为900-1050℃，生长压力为300-800mbar。
进一步，N型GaN层的生长压力为300-800mbar，生长温度为1000-1250℃。
进一步，有源层为由InGaN势阱层和GaN势垒层间隔交替组成的超晶格层，其中In的掺杂浓度为1E19-3E20atom/cm3。
进一步，InGaN势阱层和GaN势垒层间隔交替的次数为8-15，InGaN势阱层和GaN势垒层的厚度比在1:1到50:1之间。
本发明的有益效果是：本发明提供的一种具有电流阻挡层的LED外延结构的制作方法，依次在衬底上生长未掺杂的GaN缓冲层、N型GaN层、有源层、电流阻挡层、P型低温GaN层和P型高温GaN层，以得到高效的具有电流阻挡层的LED外延结构，该电流阻挡层能够阻拦电子的溢出，同时在生长电流阻挡层时就开始注入Mg源，激活了Mg的掺杂性能，改善了外延晶体发光性能。因此，利用本发明的方法能够制造出具有特殊电流阻挡层的LED外延结构，能够有效避免电子溢出至P型低温GaN层和P型高温GaN层，同时有利于空穴扩展，能够显著提高空穴浓度以及大幅提升晶体亮度。
附图说明
下面结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的实施方案。
图1是本发明的步骤流程图；
图2是应用本发明外延结构的LED与应用常规外延结构的LED的亮度对比图。
具体实施方式
参照图1，一种具有电流阻挡层的LED外延结构的制作方法，包括以下步骤:
A、采用MOCVD技术，在衬底上依次生长未掺杂的GaN缓冲层、N型GaN层和有源层；
B、在有源层上生长电流阻挡层，通入Mg源；
C、在电流阻挡层上依次生长P型低温GaN层和P型高温GaN层。
其中，电流阻挡层的生长温度为800-900℃，生长压力为300-800mbar；电流阻挡层为由掺Mg的AlGaN势垒层和GaN势阱层间隔交替组成的超晶格层；Al的掺杂浓度是1E17-1E18atom/cm3，Mg的掺杂浓度为1E15-1E16atom/cm3；AlGaN势垒层和GaN势阱层间隔交替的次数为4-6，AlGaN势垒层和GaN势阱层的厚度比在2:1到3:1之间。
其中，P型低温GaN层的生长温度为600-700℃，生长压力为300-800mbar；P型高温GaN层的生长温度为900-1050℃，生长压力为300-800mbar；N型GaN层的生长压力为300-800mbar，生长温度为1000-1250℃。
其中，有源层为由InGaN势阱层和GaN势垒层间隔交替组成的超晶格层，In的掺杂浓度为1E19-3E20atom/cm3；InGaN势阱层和GaN势垒层间隔交替的次数为8-15，单个周期中InGaN势阱层和GaN势垒层的厚度比在1:1到50:1之间。
具体地，本实施例采用MetalOrganic ChemicalVapor Deposition，即金属有机化合物化学气相沉淀法，简称MOCVD，来在衬底上生长外延层，衬底是蓝宝石衬底、SiC衬底或Si衬底,厚度大约为200-1000μm，首先，执行步骤A，在衬底上依次生长未掺杂的GaN缓冲层、N型GaN层和有源层，详细步骤依次为：
(1)、将衬底放进MOCVD设备的反应室中，反应腔的压力为80-180mbar，温度为1100-1300℃，使用H2作为载气对衬底表面进行处理，该过程持续时间为10-15分钟。
(2)、将反应腔压力降至50-100mbar，温度降至900-1050℃，在衬底上生长厚度为1.5-3μm的未掺杂的GaN缓冲层。
(3)、在上述步骤2的基础上，将反应腔压力增加至300-800mbar，温度增加至1000-1250℃，生长厚度为3μm-4μm的N型GaN层。
(4)、将温度降至600-850℃，通入1200-1500sccm的三甲基铟(TMIn)源和25-40sccm的三甲基镓(TMGa)源，生长由InGaN和GaN间隔交替组成的多量子阱有源区层，即可形成有源层，其中，InGaN和GaN的间隔交替生长的次数为8-15，InGaN势阱层和GaN势垒层的厚度比在1:1到50:1之间，有源层的厚度为0.1μm-0.3μm，InGaN势阱层厚度为0.002-0.02μm，GaN势垒层的厚度为0.005-0.025μm，In的掺杂浓度为1E19-3E20atom/cm3。
然后，执行步骤B，在有源层上生长电流阻挡层，注入Mg源，即在有源层上生长掺杂有Mg元素的AlGaN和GaN的超晶格层，即电流阻挡层，详细步骤为：
(5)、调节温度至800-900℃，向压力为300-800mbar的反应室内通入30000-50000sccm的NH3、20-30sccm三甲基镓(TMGa)源、150-200sccm的三甲基铝(TMAl)和800-1000sccm的二茂镁(Cp2Mg)源，时间持续50-100秒，即可形成电流阻挡层，其中Al的掺杂浓度是1E17-1E18atom/cm3，Mg的掺杂浓度为1E15-1E16atom/cm3，AlGaN势垒层和GaN势阱层的厚度分别为0.005-0.006μm和0.002-0.003μm，间隔交替的次数为4-6，AlGaN势垒层和GaN势阱层的厚度比在2:1到3:1之间，总厚度为0.03-0.06μm。
最后，执行步骤C，在电流阻挡层上依次生长P型低温GaN层和P型高温GaN层，详细步骤为：
(6)、将温度降至600-700℃，维持压力不变，通入55000-65000sccm的NH3、25-50sccm的三甲基镓(TMGa)源和2000-3000sccm的二茂镁(Cp2Mg)源，形成P型低温GaN层，厚度为0.1-0.15μm，其中Mg的掺杂浓度为1E19-1E20atom/cm3；
(7)、升高温度至900-1050℃，通入30000-60000sccm的NH3、30-50sccm的三甲基镓(TMGa)源、1000-1500sccm的二茂镁(Cp2Mg)源，形成P型高温GaN层，厚度为0.06-0.09μm，其中Mg的掺杂浓度为1E18-1E17atom/cm3。
利用本制作方法能够得到高效的具有电流阻挡层的LED外延结构，该电流阻挡层能够阻拦电子溢出P型GaN层，尤其是之中的P型低温GaN层和P型高温GaN层，因为电子溢出后容易与空穴相结合，产生非辐射复合，降低了注入多量子阱发光层的空穴数量，导致发光效率和强度下降，也会丧失一部分的电能，所以需要设置该电流阻挡层，同时在生长电流阻挡层时就开始注入Mg源，激活了Mg的掺杂性能，改善了外延晶体发光性能。因此，利用本发明的方法可制造出具有特殊电流阻挡层的LED外延结构，能够有效避免电子溢出至P型低温GaN层和P型高温GaN层，同时有利于空穴扩展，能够显著提高空穴浓度以及大幅提升晶体亮度。
通过采用传统电流阻挡层设计出的外延结构与采用本发明电流阻挡层设计出的外延结构中的有源层中的空穴数量对比，发现本发明的有源层中的空穴数量远多于传统结构有源层中的空穴数量，可以佐证，定义采用本发明外延结构的LED为样品1，采用常规外延结构的LED为样品2，对这两种样品进行光电参数测量，参照图2，图2为样品1与样品2的亮度对比趋势图，可以明显看出，样品1的平均亮度比样品2的平均亮度高出10mcd左右。
以上内容对本发明的较佳实施例和基本原理作了详细论述，但本发明并不局限于上述实施方式，熟悉本领域的技术人员应该了解在不违背本发明精神的前提下还会有各种等同变形和替换，这些等同变形和替换都落入要求保护的本发明范围内。
Claims (10)
1.一种具有电流阻挡层的LED外延结构的制作方法，其特征在于，包括以下步骤:
A、采用MOCVD技术，在衬底上依次生长未掺杂的GaN缓冲层、N型GaN层和有源层；
B、在所述有源层上生长电流阻挡层，注入Mg源；
C、在所述电流阻挡层上依次生长P型低温GaN层和P型高温GaN层。
2.根据权利要求1所述的一种具有电流阻挡层的LED外延结构的制作方法，其特征在于，所述电流阻挡层的生长温度为800-900℃，生长压力为300-800mbar。
3.根据权利要求1所述的一种具有电流阻挡层的LED外延结构的制作方法，其特征在于，所述电流阻挡层为由掺Mg的AlGaN势垒层和GaN势阱层间隔交替组成的超晶格层。
4.根据权利要求3所述的一种具有电流阻挡层的LED外延结构的制作方法，其特征在于，其中Al的掺杂浓度是1E17-1E18atom/cm3，Mg的掺杂浓度为1E15-1E16atom/cm3。
5.根据权利要求3所述的一种具有电流阻挡层的LED外延结构的制作方法，其特征在于，所述AlGaN势垒层和GaN势阱层间隔交替的次数为4-6，所述AlGaN势垒层和GaN势阱层的厚度比在2:1到3:1之间。
6.根据权利要求1所述的一种具有电流阻挡层的LED外延结构的制作方法，其特征在于，所述P型低温GaN层的生长温度为600-700℃，生长压力为300-800mbar。
7.根据权利要求1所述的一种具有电流阻挡层的LED外延结构的制作方法，其特征在于，所述P型高温GaN层的生长温度为900-1050℃，生长压力为300-800mbar。
8.根据权利要求1-7任一所述的一种具有电流阻挡层的LED外延结构的制作方法，其特征在于，所述N型GaN层的生长压力为300-800mbar，生长温度为1000-1250℃。
9.根据权利要求8所述的一种具有电流阻挡层的LED外延结构的制作方法，其特征在于，所述有源层为由InGaN势阱层和GaN势垒层间隔交替组成的超晶格层，In的掺杂浓度为1E19-3E20atom/cm3。
10.根据权利要求9所述的一种具有电流阻挡层的LED外延结构的制作方法，其特征在于，所述InGaN势阱层和GaN势垒层间隔交替的次数为8-15，所述InGaN势阱层和GaN势垒层的厚度比在1:1到50:1之间。
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