一种可有效提高p-GaN空穴注入层质量的外延生产方法

摘要

本发明揭示了一种可有效提高p-GaN空穴注入层质量的外延生产方法，在衬底上依次生长低温GaN缓冲层、非故意掺杂的GaN层、n型电子注入层、多量子阱有源区、p-GaN空穴注入层和p型重掺杂的接触层。p-GaN空穴注入层是采用在交替式切换N2/H2载气的环境中进行生长，即在N2环境中进行Mg原子的掺杂，在H2氛围中降低Mg原子的激活能。采用这种载气交替式切换的环境中生长p-GaN层，可以有效的提高Mg原子并入GaN晶格中的效率，改善晶格质量，降低工作电压和提高抗静电能力；同时通过降低Mg的激活能，提高Mg原子的活化效率，提供更多的空穴载流子，提高LED器件的发光亮度。

说明书

技术领域

本发明属于LED外延技术生长领域，尤其涉及一种可生长高质量p-GaN空穴注入层的方法，适用于高亮度GaN基LED外延片的生产。

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LED目前已经进入商业化生产阶段，但为了进一步提高LED器件的光电性能，在技术上还面临诸多难题。

其中一个主要问题是高质量和高空穴浓度的p-GaN层的生长。为了保证材料质量和掺杂物Mg的激活率，p-GaN材料的生长温度一般要在1000℃以上。但是考虑到在LED器件结构外延过程中，InGaN/GaN多量子有源层是在700—900℃的低温环境中生长的，随后生长的p-GaN高温环境必然会使InGaN有源层中产生严重的In分解和偏析，最终使器件的发光性能大幅下降。而采用低温生长p-GaN层，Mg原子很难并入GaN晶格中。同时，由于Mg的受主能级位置较深，活化困难，致使空穴浓度比较低，为得到理想的空穴浓度，需要通入大流量的Mg。当Mg较多时，除取代Ga原子成为Mg_Ga替位原子外，Mg也会在GaN中形成间隙原子，由于Mg的原子较小导致大量的微缺陷形成，继而导致Mg原子更难活化，再加上存在严重的自补偿效应, 导致器件的工作电压高和发光效率低。

另一方面，目前从事LED的研究指出，Mg原子在N₂环境中更容易取代Ga原子，成为Ga替位原子并入GaN晶格中，同时H₂环境中生长的Mg的激活能较低，Mg在H₂环境中生长更容易活化，但是Mg在H₂中取代Ga原子并入GaN中的效率低。

采用N₂和H₂载气切换的方式，利用N₂环境掺Mg生长，提高Mg的并入效率；在H₂切换气氛中不通Mg，由于Mg具有严重的记忆效应，Mg会在GaN晶体中进行扩散生长，从而利用H₂环境来降低Mg的激活能。所以采用N₂和H₂载气切换的方式生长p-GaN空穴注入层是一种有效的生长高质量、高空穴浓度p-GaN层的方法。

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基于MOCVD可有效提高p-GaN空穴注入层质量的外延生产方法。

本发明的目的，将通过以下技术方案得以实现：

一种可有效提高p-GaN空穴注入层质量的外延生产方法，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，该方法包括如下步骤：

S1、将衬底置于MOCVD生产室，以H₂作为载气，在衬底上生长一层厚度为10-50nm的GaN低温缓冲层，生长温度为450～650 ℃，压力为50～1000mbar；

S2、GaN低温缓冲层生长完毕后，升温，在温度为850～1200℃、压力为50～1000mbar下，在GaN低温缓冲层上生长一层厚度约为1～2μm的非故意掺杂的GaN层；

S3、在非故意掺杂的GaN层上，生长一层n型GaN电子注入层，生长条件为，采用SiH₄进行掺杂，掺杂浓度为1e19/cm³,生长温度为900～1200℃，压力为50～ 1000mbar，厚度为0.1～ 5μm；

S4、在n型GaN电子注入层上生长InGaN/GaN多量子阱有源层，生长温度为650～800℃ ，周期为5～25对；

S5、在InGaN/GaN多量子阱有源层上生长电子阻挡层；

S6、在电子阻挡层上生长p-GaN空穴注入层，通过对N₂和H₂之间进行周期切换作为载气，首先采用Cp₂Mg，进行Mg原子的掺杂，此时同步通入N₂，时间为3～20s；之后，停止通入Mg源，进行切换H₂，通入时间为3～10s, 此时，并入晶格的Mg原子进行扩散生长；切换周期为10～1000次，生长温度为900～1100℃，压力为50～ 1000mbar，厚度为100～500μm；采用N₂和H₂之间的切换是充分考虑到Mg的并入效率和活化效率，由于Mg原子在N₂环境中更容易并入GaN晶格中，同时Mg在H₂环境中的并入效率低。但是Mg在H₂环境中生长更容易被活化，所以在得到相同空穴浓度的条件下，采用本发明的方法，需要的Mg掺杂量变少，相应的P-GaN层的晶体质量得到提高。

由于Mg具有严重的记忆效应，Mg会在GaN晶体中进行扩散，即会从N₂环境中扩散到H₂环境中生长层中，在H₂环境中生长层中被活化的概率高。故虽然Mg在p-GaN层生长是间断式通入的，但实际得到的pGaN层中的空穴分布却是连续的，从而达到本发明空穴层浓度的提高，最终可提高应用后的发光效率。

S7、在p-GaN空穴注入层上生长p型重掺杂层。

优选地，所述S1中的衬底可选用蓝宝石、硅、碳化硅、氮化镓或砷化镓。

优选地，所述S6中N₂和H₂两种气体的切换时间可以相等或不等。

优选地，所述S6中N₂和H₂为等流量的切换。

本发明突出效果为：本发明中采用N₂/H₂载气交替式切换的环境中生长p-GaN空穴注入层，改了晶格质量，降低了工作电压、提高了抗静电能力；同时也提高了Mg原子的活化效率，提供更多的空穴载流子，提高LED器件的发光亮度。

采用本发明生长的p-GaN空穴注入层的空穴浓度由原来的1e19/cm³升高到1.2e19/cm³,使用该p-GaN空穴注入层生长的LED外延片制作成10mil*16mil芯片，亮度得到明显的改善，从原来的30.0mW提升到31.0mW，LED 芯片在20mA下工作电压从3.05V下降到2.95V。

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是生长p-GaN空穴注入层时氮气与氢气切换周期示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明揭示了一种可有效提高p-GaN空穴注入层质量的外延生产方法，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，与现有方法类似，该方法包括如下步骤：

首先，在衬底上生长一层厚度为25nm的GaN低温缓冲层，以H₂ 作为载气，生长温度为450 ～650℃，压力为50 ～1000mbar。

然后，升温，在GaN低温缓冲层上生长一层厚度为1.5μm的非故意掺杂的GaN层，生长温度为850 ～1200℃、压力50～1000 mbar。

接着，在非故意掺杂的GaN层上生长一层厚度为2.5μm的n-GaN电子注入层。采用SiH₄进行掺杂，掺杂浓度为1e19/cm³，生长为温度为900～1200℃，压力50～1000mbar。

在生长温度为650～800℃时，在n-GaN电子注入层上生长16对InGaN/GaN多量子层。在多量子阱层上生长电子阻挡层。

在电子阻挡层上继续生长p-GaN空穴注入层，最后在p-GaN空穴注入层上使用常规方法生长p型重掺杂层。

与现有技术不同的是，在电子阻挡层上继续生长p-GaN空穴注入层，此时，需要通过N₂/H₂周期切换作为载气。首先通入N₂的时间201为3～20s，在通N₂的环境中进行Mg原子的掺杂，本方法中采用Cp₂Mg作为Mg源。之后进行载气的切换，改为通入H₂，通入H₂的时间202为3～10s，同时，停止通Mg，由于Mg具有严重的记忆效应，在通H₂的环境中Mg会在GaN晶体中进行扩散生长，从而利用H₂环境来降低Mg的激活能。两种气体的切换时间可以根据具体的工艺设置为相等或不等。

生长p-GaN层的过程中切换的周期为10-1000次不等。生长温度为900～1100℃，压力50～1000mbar，厚度为100～500μm。

本实施例中使用N₂和H₂切换的周期间隔为10s和5s，共切换150个周期，本发明在生长过程中使用的源流量分别为，TEGa：1500sccm, Cp₂Mg：600sccm，NH₃：40slm，N₂/H₂切换的流量为120slm，压力300mbar，厚度为150nm。

采用本发明生长的p-GaN空穴注入层的空穴浓度由原来的1e19/cm³升高到1.2e19/cm³,使用该p-GaN空穴注入层生长的LED外延片制作成10mil*16mil芯片，亮度得到明显的改善，从原来的30.0mW提升到31.0mW，LED 芯片在20mA下工作电压从3.05V下降到2.95V。

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。