P型GaN层及LED外延结构的制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及半导体发光器件技术领域，尤其涉及一种P型GaN层及LED外延结构 的制备方法。
【背景技术】
[0002] GaN材料具有带隙宽（Eg = 3.39 eV)、发光效率高、寿命长等特点，成为制备蓝白 光发光二极管（LED)的最优选材料，被誉为第三代半导体材料。由于GaN和衬底材料间的晶 格常数和热膨胀系数相差较大(如GaN和蓝宝石衬底间晶格常数相差16%)，因此GaN外延薄 膜中存在的位错密度很大，通常为IO 8~10 cm 2,未掺杂GaN材料的室温背景载流子（电 子）浓度高达IO17Cm 3,显示出η型电导，掺Si可以很容易获得η型，电子浓度达到IO19~ 10 2°cm 3的GaN材料，但想获得空穴浓度高的ρ型GaN材料非常困难。
[0003] 1991 年，S. Nakamura等发明了快速热退火法（Rapid Thermal Annealing RTA)，成 功获得了 P型GaN材料。其工艺是将掺Mg的GaN置于N2气氛中，在700~800°C下退火， 得到P型GaN材料的典型数据为：电阻率1~2 Ω cm，掺杂浓度6 X IO19Cm 3，空穴浓度（3~ 5)1017cm3。Neugebauer等研究了 RTA的激活机理，认为需要必要的能量断开Mg-H键，受主 Mg被激活，因此空穴浓度大大提高。
[0004] 但是经过退火后，也只能打开少部分的Mg-H键，当Mg掺杂浓度达到IO19~ 10 2°cm 3,也只有0. 1~1%的Mg得到活化，其空穴浓度只能达到IO17~10 lscm 3,而η型GaN 材料的电子浓度可达到1〇19~10 2°cm 3。ρ型GaN材料的掺杂问题，在很大程度上阻碍了 LED 光电性能的进一步提升。
[0005] 另一方面，利用MOCVD技术生长GaN材料时，通常用NH3作为N源。而N-H的键能 较大，所以一般认为是在典型的外延生长温度（900~1050°C )，才有助于获得高质量的GaN 材料。然而，在这样的温度下，有一部分GaN会逆向分解，产生氮空位。氮空位的产生，会使 得本征的GaN偏向于η型，更不利于空穴浓度的提升。
[0006] 因此，针对上述技术问题，有必要提供一种P型GaN层及LED外延结构的制备方 法。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的在于提供一种P型GaN层及LED外延结构的制备方法。
[0008] 为了实现上述目的，本发明实施例提供的技术方案如下： 一种P型GaN层的制备方法，所述方法包括： 501、 提供一基底，并放入反应室内，保持反应室内温度在650~800°C之间； 502、 反应室中充入NH3分压在10%~30%之间的N源，再通入过量的MO源直至富余的MO 源吸附在基底表面，所述MO源包括Ga源和Mg源； 503、 保持MO源关闭，增加 N源中NH3分压至30%~70%与吸附在基底表面的富余MO反 应，生长P型GaN层； S04、保持MO源和N源关闭，反应室内保持N2气氛10~30秒，使Mg在退火过程中活化。
[0009] 作为本发明的进一步改进，所述方法还包括： 重复执行步骤S02至S04,循环10~100次，形成20~300nm厚度的p型GaN层。
[0010] 作为本发明的进一步改进，一次循环中生长p型GaN层的厚度为]~5nm。
[0011] 作为本发明的进一步改进，步骤S02中所述N源为NH3、N2混合气体。
[0012] 作为本发明的进一步改进，NH3、N2混合气体中NH 3分压为20%。
[0013] 作为本发明的进一步改进，步骤S03中所述N源为NH3、N2混合气体。
[0014] 作为本发明的进一步改进，NH3、N2混合气体中NH 3分压为50%。
[0015] 作为本发明的进一步改进，所述MO源为TMGa、Cp2Mg。
[0016] -种LED外延结构的制备方法，所述方法包括： 51、 提供一衬底； 52、 在衬底上生长GaN缓冲层； 53、 在GaN缓冲层上生长本征GaN层； 54、 在本征GaN层上生长η型GaN层； 55、 在η型GaN层上生长低温InGaN/GaN量子阱层； 56、 在低温InGaN/GaN量子阱层上生长电子阻挡层； 57、 在电子阻挡层上生长P型GaN层，具体包括： 501、 提供一基底，并放入反应室内，保持反应室内温度在650~800°C之间； 502、 反应室中充入NH3分压在10%~30%之间的N源，再通入过量的MO源直至富余的MO 源吸附在基底表面，所述MO源包括Ga源和Mg源； 503、 保持MO源关闭，增加 N源中NH3分压至30%~70%与吸附在基底表面的富余MO反 应，生长P型GaN层； 504、 保持MO源和N源关闭，反应室内保持N2气氛10~30秒，使Mg在退火过程中活化； 58、 在p型GaN层上生长η型InGaN接触层。
[0017] 作为本发明的进一步改进，所述步骤S7还包括： 重复执行步骤S02至S04,循环10~100次，形成20~300nm厚度的ρ型GaN层。
[0018] 本发明的有益效果是： 本发明P型GaN层采用MO源间歇式通入，順3高低分压循环的低温生长模式，采用间歇 式的生长方式可以节约MO源消耗，提高掺杂浓度，还能够避免过多的順3与TMGa，Cp 2Mg等 MO源发生气相预反应，在650~800°C的低温下，可减少氮空位的产生，大幅提升了 P型GaN 层中的空穴浓度，此外，每生长几个纳米的P型GaN层就进行分级退火，更有利于提升Mg的 活化效率。
【具体实施方式】
[0019] 为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将对本发明实施 例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施 例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性 劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
[0020] 本发明公开了一种P型GaN层的制备方法，所述方法包括： 501、 提供一基底，并放入反应室内，保持反应室内温度在650~800°C之间，在 650~800°C的低温下，可减少氮空位的产生； 502、 反应室中充入NH3分压在10%~30%之间的N源，再通入过量的MO源直至富余的MO 源吸附在基底表面，所述MO源为TMGa、Cp2Mg ; 低分压的順3能够避免过多的NH 3与MO源发生气相预反应，导致实际掺杂效率反而变 低； 503、 保持MO源关闭，增加 N源中NH3分压至30%~70%与吸附在基底表面的富余MO反 应，生长P型GaN层； 由于在低温下，N-H不容易断裂，NH3裂解效率低，提高NH3的分压，才能获得高质量的 GaN晶体； 504、 保持MO源和N源关闭，反应室内保持N2气氛10~30秒，打断p型GaN层中的Mg-H， 使Mg在退火过程中活化。
[0021] 重复执行步骤S02至S04,循环10~100次，形成20~300nm厚度的p型GaN层；控 制生长时间和MO源的流量使得一次循环中生长p型GaN层的厚度为l~5nm。
[0022] 步骤S02中所述N源优选为NH3分压为20%的NH 3、N2混合气体。
[0023] 步骤S03中所述N源优选为NH3分压为50%的NH 3、N2混合气体。
[0024] 本发明还提供了一种LED外延结构的制备方法，所述方法包括： 51、 提供一衬底； 52、 在衬底上生长GaN缓冲层； 53、 在GaN缓冲层上生长本征GaN层； 54、 在本征GaN层上生长η型GaN层； 55、 在η型GaN层上生长低温InGaN/GaN量子阱层； 56、 在低温InGaN/GaN量子阱层上生长电子阻挡层； 57、 在电子阻挡层上生长P型GaN层，具体包括： 501、 提供一基底，并放入反应室内，保持反应室内温度在650~800°C之间； 502、 反应室中充入NH3分压在10%~30%之间的N源，再通入过量的MO源直至富余的MO 源吸附在基底表面，所述MO源包括Ga源和Mg源； 503、 保持MO源关闭，增加 N源中NH3分压至30%~70%与吸附在基底表面的富余MO反 应，生长P型GaN层； 504、 保持MO源和N源关闭，反应室内保持N2气氛10~30秒，使Mg在退火过程中活化； 58、 在p型GaN层上生长η型InGaN接触层。
[0025] 所述步骤S7还包括： 重复执行步骤S02至S04,循环10~100次，形成20~300nm厚度的ρ型GaN层。
[0026] 步骤S02中优选为向反应室内充入NH3分压为20%的N源。
[0027] 为方便说明本发明与现有技术的区别，以下提供样品A、样品B以及样品C、样品D 的详细制备方法以及测试结果对比，其中，样品A为使用本发明方法制备的ρ型GaN层，样 品B为使用现有技术制备的ρ型GaN层，样品C为包括使用本发明方法制备的LED外延结 构的LED芯片，样品D为包括使用现有技术制备的LED外延结构的LED芯片。
[0028] 样品A的具体制备方法如下： 1)在蓝宝石衬底上生长4um的非故意掺杂GaN层。然后将反应室内温度控制在700°C， 順3分压为20%，1分压为80%，然后通入了]\?^ 3008(3〇11，0口2]\% 20008(3〇1160秒