一種具低阻的P型GaN外延層製備方法與流程
2023-05-23 02:44:06
本發明屬於LED外延技術生長領域，尤其涉及一種具低阻的P型GaN外延層製備方法。
背景技術：
LED 作為固態光源，具有體積小、效率高、壽命長、環保等優點，被譽為第三代綠色節能光源，雖然目前LED已經進入商業化生產階段，但LED在技術上還面臨諸多難題，如工作電壓較高。
LED的工作電壓高主要是由於LED中的pGaN電阻太大。GaN通常採用CP2Mg作為摻雜劑，然而由於Mg受主在GaN中的電離能較高，高達170meV，通常不到1%的Mg受主發生電離，產生空穴，因此p型GaN中的空穴濃度較低，有人提出提高p型GaN中的Mg摻雜濃度，以提高p型GaN中的空穴濃度。然而，實驗發現p型GaN中的Mg受主濃度高於一定值後（通常為3-4 e19 cm-3），p型GaN中的H濃度不再跟隨Mg雜質的增加而增加，這些過量的Mg雜質在p型GaN中形成反型疇，從而發生極性反轉，導致p型GaN中能被活化的Mg雜質濃度，導電面積減少，因此p型GaN中的空穴濃度降低，遷移率減小，電阻增加。因此我們需嚴格控制p型GaN中的Mg雜質濃度，防止出現反型疇，從而導致p型GaN的空穴濃度減少，電阻增加。
實驗研究發現Mg雜質存在「記憶效應」，在生長p型GaN剛通入CP2Mg時，CP2Mg會迅速與反應室中的氨氣發生反應，生成一種絡合物，從而造成p型GaN中的Mg摻雜量減少，隨著CP2Mg的繼續通入，CP2Mg與氨氣反應生成的絡合物增加，反應腔中氨氣與CP2Mg的反應減弱，因此P型GaN中的Mg摻雜量增加，容易出現Mg雜質在p型GaN中的過摻，降低p型GaN中的空穴濃度。
現有技術中一般無法考慮到這些因素，如專利201410580361.8所述，切換p-GaN的生長氣氛來提高p-GaN中Mg的激活效率，專利201410090720.1中採用In摻雜的低溫P型GaN層的方法，提高Mg受主的活化性能；專利201420339620.3中採用MgN-In 層，以提高p型GaN中的空穴濃度和遷移率。
但這些提高p型GaN中空穴濃度和遷移率的方法都比較複雜，而且效果有限或有其他負作用，如專利201410580361.8中提到的方法，要不停的開關閥門，同時由於p型GaN中Mg雜質的記憶效應和補償作用，空穴濃度的提升依然有限，專利201410090720.1中採用低溫p型InGaN的方法提供Mg受主的活化性能，會降低p型層的晶體質量，因此不利於降低p型GaN的電阻，提升p型GaN中的空穴濃度。
技術實現要素：
鑑於上述現有技術存在的缺陷，本發明的目的是提出一種具低阻的P型GaN外延層製備方法。
本發明的目的，將通過以下技術方案得以實現：
一種具低阻的P型GaN外延層製備方法，採用MOCVD 技術，利用NH3、TMGa 或TEGa、TMIn、TMAl 分別作為N 源、Ga 源、In 源和Al 源，使用Cp2Mg 和SiH4 作為Mg 和Si 的摻雜源生長，包括如下步驟：
S1，在氫氣氣氛下高溫處理襯底；
S2， 在處理的襯底表面依次生長緩衝層、非摻的GaN層、 n型GaN層、多量子阱有源區層和電子阻擋層；
S3，在電子阻擋層上生長P型GaN層；
S4，在P型GaN層上生長P型接觸層；
在S1之前往反應室中預通Cp2Mg，通入時間0-3600S，流量為0—4000 sccm並將反應室暴露在大氣中生長MgO，當反應室側壁覆蓋MgO時，開始步驟S1，且在所述S3中p型GaN層生長前，往反應室內通入CP2Mg摻雜劑，所述CP2Mg摻雜劑的流量為0—4000 sccm，通入時間為60—300 S，且控制Mg和Ga的摩爾流量比為0.01—0.02，使p型GaN層中的Mg雜質濃度穩定在最佳值(3-4e19 cm-3)。
優選地，所述襯底為藍寶石，SiC襯底、Si襯底、GaN襯底或尖晶石襯底。
優選地，所述S3中P型GaN的生長溫度為800-1200℃，生長壓力為50—1000 mbar，厚度為0.01—1 um。
本發明的原理是：剛往反應室中通入CP2Mg時，大部分CP2Mg會吸附在反應室的內壁，不參與反應，從而使p型GaN中的Mg摻雜量減少，隨著CP2Mg的繼續通入，反應室的內壁逐漸吸附滿CP2Mg，此時的CP2Mg幾乎全部摻雜到p型GaN中，p型GaN中的Mg摻雜量逐漸增加。因此P型GaN中的Mg摻雜濃度逐漸上升，然後慢慢趨於穩定。根據上述分析，前期P型GaN中由於反應室內壁對CP2Mg的吸附，Mg的摻雜濃度較小，空穴濃度較低；後期p型GaN中，由於Mg受主雜質摻雜效率增加，導致Mg摻雜濃度較高而出現反型疇，Mg的有效摻雜濃度較低，空穴濃度較低，因此p型GaN空穴濃度較低，電阻較大。
基於以上問題，因此在生長之前往反應室中預通Cp2Mg，並將反應室暴露在大氣中，生長MgO，減少了生長時反應室內壁對CP2Mg的吸附，之後生長p-GaN前，再 往反應室中預先通入60-300 s的CP2Mg，以填補反應室對CP2Mg的吸附，從而保證p型GaN中的Mg受主雜質濃度穩定在最佳值3-4e19 cm-3。避免了由於摻雜濃度過低導致Mg受主摻雜濃度不夠，或摻雜濃度過高導致Mg雜質的補償效應。因此本發明保證了p型GaN中的空穴濃度和遷移率，降低p型GaN的電阻，降低LED的工作電壓。
以下便結合實施例附圖，對本發明的具體實施方式作進一步的詳述，以使本發明技術方案更易於理解、掌握。
附圖說明
圖1是本發明的外延結構示意圖。
圖2分別為現有技術和本發明技術生長的P型GaN中的Mg摻雜濃度對比曲線圖。
具體實施方式
本發明提供了一種具低阻的P型GaN外延層製備方法，本方法採用MOCVD設備進行外延生長，使用NH3、TMGa/TEGa、TMIn、TMAl分別作為N、Ga、In、Al源。
如圖1所示，所述外延層包括襯底1，低溫緩衝層2，非摻雜GaN層3，n型GaN層4，若干層多量子阱有源層，p型電子阻擋層7，p型GaN層8和p型接觸層9。每個所述多量子阱有源層包括至少一層InGaN量子阱層5和壘層6。一般為達到實際的發光需求，採用3-20個InGaN/GaN多量子阱有源層。
以上所述的外延結構製備方法，具體包括如下步驟：
S1，在氫氣氣氛下高溫處理襯底；
S2， 在處理的襯底表面依次生長緩衝層、非摻的GaN層、 n型GaN層、多量子阱有源區層和電子阻擋層；
S3，在電子阻擋層上生長P型GaN層，其生長溫度為800-1200℃，生長壓力為50-1000 mbar，厚度為0.01-1 um；
S4，在P型GaN層上生長P型接觸層。本申請中的結構層生長工藝方法與現有技術相類似，在此不再贅述，與現有技術不同的是，在S1之前往反應室中預通Cp2Mg，通入時間0-3600S，流量為0—4000 sccm，由於往反應室中預通CP2Mg，CP2Mg將會吸附在反應室的側壁。將反應室暴露在大氣中，Mg與大氣中的氧氣反應，生長MgO，當反應室側壁完全覆蓋MgO時，開始步驟S1，由於MgO吸附在反應室的內壁，減少了在後續外延生長時反應室內壁對Cp2Mg的吸附。
且在所述S3中p型GaN層生長前，往反應室內通入CP2Mg摻雜劑，所述CP2Mg摻雜劑的流量為0—4000 sccm，通入時間為60—300S，控制Mg和Ga的摩爾流量比為0.01—0.02，以使p型GaN層中的Mg雜質濃度穩定在最佳值(3—4e19 cm-3)。
圖2所示分別為現有技術和本發明技術生長的P型GaN中的Mg摻雜濃度對比曲線圖，數據顯示，現有技術生長P型GaN中的Mg摻雜濃度，由表面向裡(與生長時方向相反)，Mg的摻雜濃度逐漸降低，從5.75e19 cm-3逐漸減少到2.75e19 cm-3。
在本發明技術中，Mg的摻雜濃度維持在4e19 cm-3左右，幾乎不變，Hall測試數據顯示，採用現有生長技術，P型GaN中的空穴濃度約為1.5e17 cm-3；而本發明技術生長的P型GaN，其空穴濃度高達3e17 cm-3，約提高了2倍，因此採用本發明技術，可大幅增加p型GaN的電導率，降低P型GaN中的電阻，降低LED的電壓。
本發明尚有多種實施方式，凡採用等同變換或者等效變換而形成的所有技術方案，均落在本發明的保護範圍之內。