一种具低阻的P型GaN外延层制备方法与流程

本发明属于LED外延技术生长领域，尤其涉及一种具低阻的P型GaN外延层制备方法。

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，虽然目前LED已经进入商业化生产阶段，但LED在技术上还面临诸多难题，如工作电压较高。

LED的工作电压高主要是由于LED中的pGaN电阻太大。GaN通常采用CP2Mg作为掺杂剂，然而由于Mg受主在GaN中的电离能较高，高达170meV，通常不到1%的Mg受主发生电离，产生空穴，因此p型GaN中的空穴浓度较低，有人提出提高p型GaN中的Mg掺杂浓度，以提高p型GaN中的空穴浓度。然而，实验发现p型GaN中的Mg受主浓度高于一定值后（通常为3-4 e19 cm-3），p型GaN中的H浓度不再跟随Mg杂质的增加而增加，这些过量的Mg杂质在p型GaN中形成反型畴，从而发生极性反转，导致p型GaN中能被活化的Mg杂质浓度，导电面积减少，因此p型GaN中的空穴浓度降低，迁移率减小，电阻增加。因此我们需严格控制p型GaN中的Mg杂质浓度，防止出现反型畴，从而导致p型GaN的空穴浓度减少，电阻增加。

实验研究发现Mg杂质存在“记忆效应”，在生长p型GaN刚通入CP₂Mg时，CP₂Mg会迅速与反应室中的氨气发生反应，生成一种络合物，从而造成p型GaN中的Mg掺杂量减少，随着CP₂Mg的继续通入，CP₂Mg与氨气反应生成的络合物增加，反应腔中氨气与CP₂Mg的反应减弱，因此P型GaN中的Mg掺杂量增加，容易出现Mg杂质在p型GaN中的过掺，降低p型GaN中的空穴浓度。

现有技术中一般无法考虑到这些因素，如专利201410580361.8所述，切换p-GaN的生长气氛来提高p-GaN中Mg的激活效率，专利201410090720.1中采用In掺杂的低温P型GaN层的方法，提高Mg受主的活化性能；专利201420339620.3中采用MgN-In 层，以提高p型GaN中的空穴浓度和迁移率。

但这些提高p型GaN中空穴浓度和迁移率的方法都比较复杂，而且效果有限或有其他负作用，如专利201410580361.8中提到的方法，要不停的开关阀门，同时由于p型GaN中Mg杂质的记忆效应和补偿作用，空穴浓度的提升依然有限，专利201410090720.1中采用低温p型InGaN的方法提供Mg受主的活化性能，会降低p型层的晶体质量，因此不利于降低p型GaN的电阻，提升p型GaN中的空穴浓度。

技术实现要素：

鉴于上述现有技术存在的缺陷，本发明的目的是提出一种具低阻的P型GaN外延层制备方法。

本发明的目的，将通过以下技术方案得以实现：

一种具低阻的P型GaN外延层制备方法，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 的掺杂源生长，包括如下步骤：

S1，在氢气气氛下高温处理衬底；

S2， 在处理的衬底表面依次生长缓冲层、非掺的GaN层、 n型GaN层、多量子阱有源区层和电子阻挡层；

S3，在电子阻挡层上生长P型GaN层；

S4，在P型GaN层上生长P型接触层；

在S1之前往反应室中预通Cp₂Mg，通入时间0-3600S，流量为0—4000 sccm并将反应室暴露在大气中生长MgO，当反应室侧壁覆盖MgO时，开始步骤S1，且在所述S3中p型GaN层生长前，往反应室内通入CP₂Mg掺杂剂，所述CP₂Mg掺杂剂的流量为0—4000 sccm，通入时间为60—300 S，且控制Mg和Ga的摩尔流量比为0.01—0.02，使p型GaN层中的Mg杂质浓度稳定在最佳值(3-4e19 cm^-3)。

优选地，所述衬底为蓝宝石，SiC衬底、Si衬底、GaN衬底或尖晶石衬底。

优选地，所述S3中P型GaN的生长温度为800-1200℃，生长压力为50—1000 mbar，厚度为0.01—1 um。

本发明的原理是：刚往反应室中通入CP₂Mg时，大部分CP₂Mg会吸附在反应室的内壁，不参与反应，从而使p型GaN中的Mg掺杂量减少，随着CP₂Mg的继续通入，反应室的内壁逐渐吸附满CP₂Mg，此时的CP₂Mg几乎全部掺杂到p型GaN中，p型GaN中的Mg掺杂量逐渐增加。因此P型GaN中的Mg掺杂浓度逐渐上升，然后慢慢趋于稳定。根据上述分析，前期P型GaN中由于反应室内壁对CP₂Mg的吸附，Mg的掺杂浓度较小，空穴浓度较低；后期p型GaN中，由于Mg受主杂质掺杂效率增加，导致Mg掺杂浓度较高而出现反型畴，Mg的有效掺杂浓度较低，空穴浓度较低，因此p型GaN空穴浓度较低，电阻较大。

基于以上问题，因此在生长之前往反应室中预通Cp₂Mg，并将反应室暴露在大气中，生长MgO，减少了生长时反应室内壁对CP₂Mg的吸附，之后生长p-GaN前，再 往反应室中预先通入60-300 s的CP₂Mg，以填补反应室对CP₂Mg的吸附，从而保证p型GaN中的Mg受主杂质浓度稳定在最佳值3-4e19 cm-3。避免了由于掺杂浓度过低导致Mg受主掺杂浓度不够，或掺杂浓度过高导致Mg杂质的补偿效应。因此本发明保证了p型GaN中的空穴浓度和迁移率，降低p型GaN的电阻，降低LED的工作电压。

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是本发明的外延结构示意图。

图2分别为现有技术和本发明技术生长的P型GaN中的Mg掺杂浓度对比曲线图。

具体实施方式

本发明提供了一种具低阻的P型GaN外延层制备方法，本方法采用MOCVD设备进行外延生长，使用NH₃、TMGa/TEGa、TMIn、TMAl分别作为N、Ga、In、Al源。

如图1所示，所述外延层包括衬底1，低温缓冲层2，非掺杂GaN层3，n型GaN层4，若干层多量子阱有源层，p型电子阻挡层7，p型GaN层8和p型接触层9。每个所述多量子阱有源层包括至少一层InGaN量子阱层5和垒层6。一般为达到实际的发光需求，采用3-20个InGaN/GaN多量子阱有源层。

以上所述的外延结构制备方法，具体包括如下步骤：

S1，在氢气气氛下高温处理衬底；

S2， 在处理的衬底表面依次生长缓冲层、非掺的GaN层、 n型GaN层、多量子阱有源区层和电子阻挡层；

S3，在电子阻挡层上生长P型GaN层，其生长温度为800-1200℃，生长压力为50-1000 mbar，厚度为0.01-1 um；

S4，在P型GaN层上生长P型接触层。本申请中的结构层生长工艺方法与现有技术相类似，在此不再赘述，与现有技术不同的是，在S1之前往反应室中预通Cp₂Mg，通入时间0-3600S，流量为0—4000 sccm，由于往反应室中预通CP₂Mg，CP₂Mg将会吸附在反应室的侧壁。将反应室暴露在大气中，Mg与大气中的氧气反应，生长MgO，当反应室侧壁完全覆盖MgO时，开始步骤S1，由于MgO吸附在反应室的内壁，减少了在后续外延生长时反应室内壁对Cp₂Mg的吸附。

且在所述S3中p型GaN层生长前，往反应室内通入CP₂Mg掺杂剂，所述CP₂Mg掺杂剂的流量为0—4000 sccm，通入时间为60—300S，控制Mg和Ga的摩尔流量比为0.01—0.02，以使p型GaN层中的Mg杂质浓度稳定在最佳值(3—4e19 cm^-3)。

图2所示分别为现有技术和本发明技术生长的P型GaN中的Mg掺杂浓度对比曲线图，数据显示，现有技术生长P型GaN中的Mg掺杂浓度，由表面向里(与生长时方向相反)，Mg的掺杂浓度逐渐降低，从5.75e19 cm^-3逐渐减少到2.75e19 cm^-3。

在本发明技术中，Mg的掺杂浓度维持在4e19 cm^-3左右，几乎不变，Hall测试数据显示，采用现有生长技术，P型GaN中的空穴浓度约为1.5e17 cm^-3；而本发明技术生长的P型GaN，其空穴浓度高达3e17 cm^-3，约提高了2倍，因此采用本发明技术，可大幅增加p型GaN的电导率，降低P型GaN中的电阻，降低LED的电压。

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。