本发明涉及一种提高P型氮化镓掺杂浓度的外延方法。
背景技术：
被称为第三代半导体的GaN及其系列材料在光电子器件和微电子器件领域都有重要的应用价值。GaN材料和器件的研究都取得了重大进展，特别是GaN高亮度蓝、绿光发光二极管的商品化和长寿命蓝光激光器的研制成功，是GaN器件取得突破的重要标志。经过近十几年的发展，GaN基蓝光LED已成功实现商业化，在景观灯、背光源、照明灯领域都得到广泛应用。由于H原子的钝化作用，P型GaN曾经是制约GaN器件发展的一个关键因素，后来由于激活工艺尤其是快速热退火激活技术的发明，极大地推动了GaN材料和器件的发展。不过，虽然经过适当退火处理后的样品转化成了P型样品，但得到的空穴浓度仍然较低，典型值为2×1017cm-3，比掺杂浓度低2-3个数量级，这样会限制载流子浓度，从而降低LED的光电效率。杨志坚等人1.利用红外退火法制备P型GaN。通过实验条件的优化获得的Mg掺杂样品空穴浓度达到6.9×1018cm-3，二次离子质谱分析结果表明Mg掺杂水平为1020cm-3量级。激活率约7％。Hall测试及光荧光测试结果表面700℃至850℃是最佳的退火温度。2.利用快速退火法制备P型GaN。也可获得较好结果。该方法突出优点在于对Mg掺杂GaN的晶体质量影响较小，这可从X射线双晶衍射摇摆曲线的半高宽结果得知。3.采用自由电子激光辐照法制备P型GaN，使所用样品的空穴载流子浓度提高了一个量级。4.采用离子注入法制备P型GaN，该方法得到的P型GaN样品表面的空穴载流子浓度达8.28×1017cm-3。冉军学等在N2气氛下，950℃退火处理P型GaN后，空穴浓度达到5×1017cm-3以上，电阻率降到2.5Ω.cm。李彤等利用Delta掺杂技术制备p型GaN，生长过程复杂：采用delta掺杂生长500nm左右的p-GaN，p-GaN共包含340个周期，每个周期厚度1-2nm，单周期过程如下：1-2nm的非故意掺杂GaN，保持氨流量不变，同时关闭Ga源，如此保持一段时间(预通氨，pre-purge)再开通Mg源10s。电阻率、载流子浓度与迂移率分别为1.7Ω.cm、3.5×1017cm-3与10cm2/Vs。陈军峰等利用AlGaN/GaN超晶格结构提高GaN材料p型掺杂效果的方案，获得了电阻率为0.31Ω.cm、空穴浓度为4.36×1018cm-3的P型材料。刑艳辉等人利用生长停顿掺杂P型GaN，生长过程：100个周期的每生长0.5nm掺杂GaN停顿0.12min。生长之后热退火是在N2气氛下，750℃、30min进行。电阻率、载流子浓度与迂移率分别为3.0Ω.cm、3.29×1017cm-3与6cm2/Vs。
技术实现要素：
为了提升载流子的浓度，本发明提供了一种新的P层的外延生长方法，该方法可以改善LED外延生长的P层掺杂效率，提高Mg的掺杂浓度，提升载流子的浓度，增大复合发光效率，提升LED器件的光电转换效率。本发明的技术原理是：生长掺镁的GaN层时，明显增大载气(H2)与氨气的流量比(现有技术通常为3-4，本发明为设定为9.5-10.5)，其他环节可与现有技术相同。参考现有技术的其他环节，本发明的这种提高P型氮化镓掺杂浓度的外延生长方法，可包括(但不绝对限于)以下步骤：(1)在蓝宝石衬底上生长低温GaN层；(2)生长高温GaN层；(3)生长高温GaN掺杂硅烷n型层；(4)生长掺硅烷的n型AlGaN层；(5)生长若干周期的GaN/InGaN量子阱层；(6)生长掺杂镁的P型AlGaN层；(7)生长一层掺镁的GaN层，该步骤中载气H2与氨气的流量比为9.5-10.5；(8)在氮气氛围下，700-800℃退火20分钟。以上所称的“高温”、“低温”在本领域是具有明确意义的技术术语。本发明的有益效果如下：本发明使用的方法在生长LED的P型时，采用在气体总流量不变的情况下，增大载气(H2)与氨气的流量比，可以减少Mg-H键数量，即Mg的掺杂浓度会上升，增大P层的空穴浓度，同时减少N-H键和C掺杂量，最终提升器件的光电转换效率。与通常在生长完P型氮化镓后进行退火相比，该方法可以更有效的活化Mg掺杂。同时，可以降低P层氮化镓的接触电阻，提高器件的电学性能。附图说明图1为本发明LED的外延整体结构示意图。具体实施方式下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的描述：本发明运用金属有机化合物化学气相沉淀(MOCVD)外延生长技术，采用三甲基镓(TMGa)，三乙基镓(TEGa)，和三甲基铟(TMIn)，三甲基铝(TMAl)和氨气(NH3)硅烷(SiH4)和二茂镁(Cp2Mg)分别提供生长所需要的镓源，铟源，铝源和氮源，其中硅烷和镁源分别用于n层和p层的掺杂。如图1所示，可利用现有的MOCVD技术设备，以蓝宝石作为生长的衬底，在上面生长低温GaN层，然后生长高温GaN层，然后接着生长高温GaN掺杂硅烷n型层，然后生长掺硅烷的n型AlGaN层，然后接着生长几个周期的GaN/InGaN量子阱层，再生长掺杂镁的P型AlGaN层，最后生长一层掺镁的GaN层，而后氮气氛围下退火。本发明的基本环节与现有技术大体相同，关键就在于其中生长掺镁GaN时载气(H2)与氨气的流量比的调整(其他步骤的具体条件也都可以保留不变)。在生长掺镁GaN时将载气(H2)与氨气的流量比由常规的3-4大幅提升至9.5-10.5，可以减少Mg-H键数量，即Mg的掺杂浓度会上升，增大P层的空穴浓度，同时减少N-H键和C掺杂量，最终提升器件的光电转换效率。实施例一：1.将蓝宝石衬底特殊清洗处理后，放入MOCVD设备在1100℃烘烤10分钟。2.降温到550℃生长一层厚度20nm的低温GaN层，生长压力为400torr。3.升温到1020℃生长一层高温厚度1μm的未掺杂GaN层，生长压力为300torr。4.温度1030℃生长一层高温掺杂SiH4的n型GaN层，压力200torr。5.在温度1030℃生长一层20nm的n型AlGaN层，压力200torr。6.在氮气氛围下，在400torr，850℃生长一层12nmGaN或AlGaN和750℃生长一层3nm的InGaN的量子垒阱结构，生长8个周期。7.温度升至950℃，150torr，生长一层p型AlGaN层，厚度20nm。8.在900℃，200torr下，增大(较前一环节阶跃变化)载气H2与NH3的流量比至10，生长一层掺镁GaN层，厚度200nm(气体总流量不变，即NH3流量相对降低，需要加长生长时间，厚度达到与现有技术一致)。9.在氮气氛围下，退火20分钟。以上整体外延生长过程结束，即制得LED外延片。经实验，该方法得到的P型GaN样品表面的空穴载流子浓度达3.4×1019cm-3，电阻率为0.21Ω.cm。实施例二：1.将蓝宝石衬底特殊清洗处理后，放入MOCVD设备在1100℃烘烤10分钟。2.降温到550℃生长一层厚度20nm的低温GaN层，生长压力为400torr。3.升温到1030℃生长一层高温厚度1.5μm的未掺杂GaN层，生长压力为300torr。4.温度1050℃生长一层高温掺杂SiH4的n型GaN层，压力200torr。5.在温度1050℃生长一层20nm的n型AlGaN层，压力200torr。6.在氮气氛围下，在400torr，850℃生长一层12nmGaN或AlGaN和750℃生长一层3nm的InGaN的量子垒阱结构，生长8个周期。7.温度升至950℃，150torr，生长一层p型AlGaN层，厚度20nm。8.在900℃，200torr下，增大(较前一环节阶跃变化)载气H2与NH3的流量比至9.5，生长一层掺镁GaN层，厚度200nm(气体总流量不变，即NH3流量相对降低，需要加长生长时间，厚度达到与现有技术一致)。9.在氮气氛围下，退火20分钟。以上整体外延生长过程结束，即制得LED外延片。经实验，该方法得到的P型GaN样品表面的空穴载流子浓度达2.1×1019cm-3，电阻率为0.28Ω.cm。实施例三：1.将蓝宝石衬底特殊清洗处理后，放入MOCVD设备在1100℃烘烤10分钟。2.降温到550℃生长一层厚度20nm的低温GaN层，生长压力为400torr。3.升温到1030℃生长一层高温厚度1μm的未掺杂GaN层，生长压力为300torr。4.温度1050℃生长一层高温掺杂SiH4的n型GaN层，压力200torr。5.在温度1050℃生长一层30nm的n型AlGaN层，压力200torr。6.在氮气氛围下，在400torr，800℃生长一层12nmGaN或AlGaN和700℃生长一层3nm的InGaN的量子垒阱结构，生长10个周期。7.温度升至950℃，150torr，生长一层p型AlGaN层，厚度30nm。8.在900℃，200torr下，增大(较前一环节阶跃变化)载气H2与NH3的流量比至10.5，生长一层掺镁GaN层，厚度200nm(气体总流量不变，即NH3流量相对降低，需要加长生长时间，厚度达到与现有技术一致)。9.在氮气氛围下，退火20分钟。以上整体外延生长过程结束，即制得LED外延片。经实验，该方法得到的P型GaN样品表面的空穴载流子浓度达4.2×1019cm-3，电阻率为0.17Ω.cm。需要强调的是，以上实施例中给出了能够达到最佳技术效果的具体参数，但这些温度、厚度、压力等具体参数大部分均是参照现有技术所做的常规选择，不应视为对本发明权利要求保护范围的限制。说明书中阐述了本发明技术改进的原理，本领域技术人员应当能够认识到在基本方案下对各具体参数做适度的调整仍然能够基本实现本发明的目的。