复合P型GaN层的LED外延结构及其制备方法与流程

本发明涉及半导体照明
技术领域：
，特别地，涉及一种复合P型GaN层的LED外延结构及其制备方法。
背景技术：
：GaN发光二极管(LED)作为一种高效、环保和绿色新型固态照明光源，具有体积小、重量轻、寿命长、可靠性高及使用功耗低等特性被广泛应用于户外显示屏、车灯、交通信号灯、景观照明、背光源等领域。制作GaN器件均涉及到掺杂问题，GaN掺Si可以很容易实现n型，电子浓度达到1015～1020cm3，室温迁移率超过300cm2/V·s。但P型掺Mg会在生产过程中出现很多问题，空穴浓度只有1017～1018cm3，迁移率不到10cm2/V·s，掺杂效率只有0.1％～1％，不能很好满足器件要求。一般认为阻碍GaN器件发展的主要因素：一是H原子对Mg的钝化作用，二是Mg自身较高的离化能，三是高背景施主浓度的自补偿效应。H原子对Mg的钝化作用曾经是制约P型GaN掺杂的技术难题，快速热退火激活P型GAN层技术成功突破了该技术难题。所以，用MOCVD技术生长的P型GaN时，一方面降低受主Mg原子具有很高的受主激活能，另一方面高掺Mg时，降低P型GaN存在本征施主自补偿效应。成为如何提高P型GAN层GaN结构的空穴浓度，是提高LED器件发光效率的关键，也是目前研究GaN基LED芯片又一个重要的课题。技术实现要素：本发明目的在于提供一种复合P型GaN层的LED外延结构及其制备方法，以解决P型GAN层GaN结构的空穴浓度不高的技术问题。为实现上述目的，本发明提供了一种复合P型GaN层的LED外延结构的制备方法，依次包括处理衬底、生长缓冲层、生长u型GaN层、生长n型GaN层、生长MQW有源层、生长电子阻挡层、生长P型GaN层步骤，其中，生长P型GaN层步骤具体包括以下步骤：B1、反应室压力为400-700mbar，温度为1000-1070℃，N2气氛下，在电子阻挡层上生长低Mg掺杂浓度的第一P型GaN层，B2、反应室压力不变，温度为1070-1140℃，H2和N2混合气氛下，在步骤B1所得的第一P型GaN层上，生长Mg和Si共掺杂的P型GaN作为第二P型GaN层，B3、反应室压力为200-400mbar，温度和气氛不变，在步骤B2所得的第二P型GaN层上，生长高Mg掺杂浓度的P型GaN作为第三P型GaN层。优选的，生长电子阻挡层步骤具体包括以下步骤：A1、生长温度为860-920℃，在MQW有源层上生长掺Mg的P型AlGaN层，作为势垒层；A2、保持温度不变，在P型AlGaN层上生长In型GaN层作为势阱层；步骤A1和A2周期性重复。优选的，所述P型AlGaN/InGaN超晶格电子阻挡层Mg浓度高于所述第一P型GaN层中Mg的浓度，与所述第二P型GaN层中Mg的浓度相近。优选的，所述第一P型GaN层中Mg的浓度小于所述第二P型GaN层中Mg的浓度；所述第二P型GaN层中Mg的浓度小于所述第三P型GaN层中Mg的浓度。优选的，步骤B2中，受主Mg的掺杂浓度是2.5×1020～5×1020atoms/cm3，施主的Si掺杂浓度是1.5×1016～5×1016atoms/cm3。优选的，步骤B1中，通入摩尔浓度为5.17×107mol/min-5.17×106mol/min的Cp2Mg源作为Mg掺杂源；步骤B2中，通入摩尔浓度为1.14×105mol/min-1.97×105mol/min的Cp2Mg源作为Mg掺杂源，同时通入流量为0.01-0.15ml/min浓度为200ppm的SiH4作为Si掺杂源；步骤B3中，通入摩尔浓度为8.8×106mol/min-1.29×105mol/min的Cp2Mg源作为Mg掺杂源。优选的，所述P型AlGaN/InGaN超晶格电子阻挡层中Mg的浓度为7×1019～1.5×1020atoms/cm3；所述P型AlGaN/InGaN超晶格电子阻挡层厚度为40～80nm。优选的，所述步骤A1和A2重复次数为4-8次。根据上述的制备方法制得的LED外延结构，依次包括衬底、缓冲层、u型GaN层、n型GaN层、MQW有源层、电子阻挡层、P型GaN层，其中，P型GaN层具体依次包括：第一P型GaN层，厚度为40～80nm，Mg的浓度为8×1018～1.5×1019atoms/cm3；第二P型GaN层，厚度为30～70nm，Mg的浓度为7×1019～1×1020atoms/cm3；第三P型GaN层，厚度为4-10nm，Mg的浓度为2.5×1020～5×1020atoms/cm3。优选的，所述P型AlGaN/InGaN超晶格电子阻挡层中，单个周期所述P型AlGaN势垒层的厚度为2.8-5nm，单个周期所述P型InGaN势阱层厚度为2.5-4nm。本发明具有以下有益效果：本发明提供一种新型P型GaN结构的制备方法及其LED外延结构，这种P型GaN层结构通过同时掺入n型和P型掺杂剂的共掺方法，即在P型GaN层同时掺入Si和Mg，Si和Mg共掺可以起到两个作用：1)增加掺杂剂的溶解度(降低掺杂剂的形成能)来抑制自补偿效应；2)降低受主能级来提升激活率；通过在P型GaN层掺入Si施主提高费米能级，同时提升了N空位形成能，让Mg-VN复合体不容易产生，从而起到很好的抑制P型GaN层的自补偿效应，达到提升空穴浓度，最终提升GaN器件的发光效率和电性的目的。具体的说，高掺Mg浓度P型AlGaN/InGaN超晶格电子阻挡层、P型AlGaN势垒层阻碍空穴逃逸和P型InGaN势阱层将束缚空穴和来提高P型AlGaN/InGaN超晶格电子阻挡层的空穴浓度，从而达到提高发光效率目的。通过第二P型GaN层高掺受主Mg和低掺施主Si的共掺，通过共掺Mg和Si提高第二P型层费米能级，同时提升了N空位形成能，让Mg-VN复合体不容易产生，从而起到很好的抑制P型GaN层的自补偿效应，提升P型层空穴浓度。另外，适量Si掺杂降低了该P型层电阻；从而起到提升发光效率和降低GaN器件电压目的。另外，高掺P型AlGaN/InGaN超晶格电子阻挡层，低掺第一P型GaN层，Mg和Si共掺第二P型GaN层三层组成U型掺杂结构，一方面低掺P型GaN层空穴迁移率较大，为空穴扩散提供助力，提高空穴迁移率，从而提高发光效率；另一方面高掺P型AlGaN/InGaN超晶格电子阻挡层和Mg和Si共掺第二P型GaN层跟低掺第一P型GaN层组成P型电容式结构，对高压静电的冲击起到了分散、缓冲的作用，从而提高GaN基LED器件的抗静电能力。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示出了现有的LED外延片的剖面结构示意图；图2示出了本发明实施例与常见P型GaN层亮度对比图；图3示出了本发明实施例与常见P型GaN层电压对比图。其中，1、衬底，2、缓冲层，3、u型GaN层，4、n型GaN层，5、MQW有源层，6、电子阻挡层，7、第一P型GaN层，8、第二P型GaN层，9、第三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。为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。在本发明中术语P型GaN层是指掺杂Mg或掺杂Al或同时掺杂Mg和Al后形成的GaN层；术语N型GaN层是指掺杂Si后形成的GaN层；术语U型GaN层是指未掺杂的GaN层。参见图1，一种复合P型GaN层的LED外延结构的制备方法，运用MOCVD生长GaN外延层，采用高纯H2或高纯N2或H2和N2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，P型掺杂剂为二茂镁(Cp2Mg)，衬底为图型衬底或蓝宝石衬底，反应压力在100mbar到850mbar之间。该方法包括以下步骤：1、衬底1处理：将温度升至1230-1280℃，将衬底处理4-8min；2、生长缓冲层2：将温度降至520-590℃，在H2气氛下，在上述衬底生长20-35nm厚的缓冲层；3、生长u型GaN层3：将反应室温度升至1160-1280℃，在H2气氛下，在上述的缓冲层上生长2-3.5μm厚的u型GaN层；4、生长n型GaN层4：将反应室温度升至1240-1290℃，反应室压力为500-650mbar，在H2气氛下，在上述的u型GaN层上生长2-3.5μm厚的n型GaN层，Si的掺杂浓度为8×1018～1.5×1019atoms/cm3；5、生长MQW有源层5：将反应室温度降至800-970℃，在N2气氛下，在上述的n型GaN层上生长MQW有源层；MQW有源层是由InGaN阱层和GaN垒层周期性叠加生长组成的多量子阱结构，其中In型GaN层厚度为2-3.5nm，GaN厚度为8-13nm，叠加的循环周期数为11-18个；6、生长P型AlGaN/InGaN超晶格电子阻挡层6:将反应室温度升至860-950℃，在N2气氛下，通入摩尔浓度为1.03×105-1.86×105mol/min的Cp2Mg源作为Mg掺杂源，在上述的MQW有源层上生长P型AlGaN/InGaN超晶格电子阻挡层；7、生长第一P型GaN层7：将反应室温度升至1000-1070℃，在N2气氛下，反应室压力为400-700mbar，通入摩尔浓度为5.17×107mol/min-5.17×106mol/min的Cp2Mg源作为Mg掺杂源，在上述的MQW有源层上生长40-80nm厚第一P型GaN层；8、生长第二P型GaN层8：将反应室温度升至1070-1140℃，反应室压力为400-700mbar，在H2和N2混合气氛下，通入摩尔浓度为1.14×105mol/min-1.97×105mol/min的Cp2Mg源作为Mg掺杂源，同时通入流量为0.01-0.15ml/min浓度为200ppm的SiH4作为Si掺杂源；在上述的第一P型GaN层上生长30-70nm厚的第二P型GaN层；9、生长第三P型GaN层9：保持反应室温度不变，反应室压力为200-400mbar，在H2和N2混合气氛下，通入摩尔浓度为8.8×106mol/min-1.29×105mol/min的Cp2Mg源作为Mg掺杂源；在上述的第二P型GaN层上生长4-10nm厚的第三P型GaN层；10、生长接触层：将反应室温度降至750-820℃，反应室压力为100-300mbar，在N2气氛下，在上述的第三P型GaN层上生长3-6nm厚的InGaN接触层；11、退火：将温度降至600～750℃，反应室压力为300-500mbar，在N2气氛下，活化时间5～20min。实施例1本实施例的具体步骤如下：1、衬底处理：将温度升至1230-1250℃，将衬底处理4-8min；2、生长缓冲层：将温度降至520-550℃，在H2气氛下，在上述衬底生长20-25nm厚的缓冲层；3、生长u型GaN层：将反应室温度升至1160-1180℃，在H2气氛下，在上述的缓冲层上生长3-3.5μm厚的u型GaN层；4、生长n型GaN层：将反应室温度升至1240-1260℃，反应室压力为550-600mbar，在H2气氛下，在上述的u型GaN层上生长3-3.5μm厚的n型GaN层，Si的掺杂浓度为8×1018～1.1×1019atoms/cm3；5、生长MQW有源层：将反应室温度降至900-970℃，在N2气氛下，在上述的n型GaN层上生长MQW有源层；MQW有源层是由InGaN阱层和GaN垒层周期性叠加生长组成的多量子阱结构，其中In型GaN层厚度为2-2.5nm，GaN厚度为9-11nm，叠加的循环周期数为11-18个；6、生长P型AlGaN/InGaN超晶格电子阻挡层:将反应室温度升至860-900℃，在N2气氛下，通入摩尔浓度为1.1×105-1.55×105mol/min的Cp2Mg源作为Mg掺杂源，在上述的MQW有源层上生长P型AlGaN/InGaN超晶格电子阻挡层；7、生长第一P型GaN层：将反应室温度升至1000-1040℃，在N2气氛下，反应室压力为400-700mbar，通入摩尔浓度为5.17×107mol/min-3.17×108mol/min的Cp2Mg源作为Mg掺杂源，在上述的MQW有源层上生长40-60nm厚第一P型GaN层；8、生长第二P型GaN层：将反应室温度升至1070-1140℃，反应室压力为600-700mbar，在H2和N2混合气氛下，通入摩尔浓度为1.14×105mol/min-1.67×105mol/min的Cp2Mg源作为Mg掺杂源，同时通入流量为0.08-0.11ml/min浓度为200ppm的SiH4作为Si掺杂源；在上述的第一P型GaN层上生长40-50nm厚的第二P型GaN层；9、生长第三P型GaN层，保持反应室温度不变，反应室压力为200-400mbar，在H2和N2混合气氛下，通入摩尔浓度为8.8×106mol/min-1.05×107mol/min的Cp2Mg源作为Mg掺杂源；在上述的第二P型GaN层上生长6-8nm厚的第三P型GaN层；10、生长接触层：将反应室温度降至780-820℃，反应室压力为100-300mbar，在N2气氛下，在上述的第三P型GaN层上生长3-6nm厚的InGaN接触层；11、退火：将温度降至600～750℃，反应室压力为300-500mbar，在N2气氛下，活化时间5～20min。对比实施例1本对比实施例的具体步骤如下：1、衬底处理：将温度升至1230-1250℃，将衬底处理4-8min；2、生长缓冲层：将温度降至520-550℃，在H2气氛下，在上述衬底生长20-25nm厚的缓冲层；3、生长u型GaN层：将反应室温度升至1160-1180℃，在H2气氛下，在上述的缓冲层上生长3-3.5μm厚的u型GaN层；4、生长n型GaN层：将反应室温度升至1240-1260℃，反应室压力为550-600mbar，在H2气氛下，在上述的u型GaN层上生长3-3.5μm厚的n型GaN层，Si的掺杂浓度为8×1018～1.1×1019atoms/cm3；5、生长MQW有源层：将反应室温度降至900-970℃，在N2气氛下，在上述的n型GaN层上生长MQW有源层；MQW有源层是由InGaN阱层和GaN垒层周期性叠加生长组成的多量子阱结构，其中In型GaN层厚度为2-2.5nm，GaN厚度为9-11nm，叠加的循环周期数为11-18个；6、生长P型AlGaN/InGaN超晶格电子阻挡层:将反应室温度升至860-900℃，在N2气氛下，通入摩尔浓度为1.1×105-1.55×105mol/min的Cp2Mg源作为Mg掺杂源，在上述的MQW有源层上生长P型AlGaN/InGaN超晶格电子阻挡层；7、生长第一P型GaN层：将反应室温度升至1000-1040℃，在N2气氛下，反应室压力为400-700mbar，通入摩尔浓度为5.17×107mol/min-3.17×108mol/min的Cp2Mg源作为Mg掺杂源，在上述的MQW有源层上生长40-60nm厚第一P型GaN层；8、生长第二P型GaN层：将反应室温度升至1070-1140℃，反应室压力为600-700mbar，在H2和N2混合气氛下，通入摩尔浓度为1.14×105mol/min-1.67×105mol/min的Cp2Mg源作为Mg掺杂源；在上述的第一P型GaN层上生长40-50nm厚的第二P型GaN层；9、生长第三P型GaN层，保持反应室温度不变，反应室压力为200-400mbar，在H2和N2混合气氛下，通入摩尔浓度为8.8×106mol/min-1.05×107mol/min的Cp2Mg源作为Mg掺杂源；在上述的第二P型GaN层上生长6-8nm厚的第三P型GaN层；10、生长接触层：将反应室温度降至780-820℃，反应室压力为100-300mbar，在N2气氛下，在上述的第三P型GaN层上生长3-6nm厚的InGaN接触层；11、退火：将温度降至600～750℃，反应室压力为300-500mbar，在N2气氛下，活化时间5～20min。测试：将实施例1、对比例1得到的产品制成25mil×25mil的芯片，并进行性能测试。测试结构请见表1。表1LOP(mw)VF(V)IRESD(2000V)对比例1119.53.1480.013194.6％实施例1121.33.0950.014296.4％从表1可以看出，实施例1得到的芯片的亮度(LOP)和电压(VF1)均优于对比例1得到的芯片。因此，可以推断采用本发明提供复合P型GaN层的LED外延结构的制备方法生长的LED芯片的光电性能更加优越，安全性能更高。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。当前第1页1 2 3