CN102227008A - LED芯片的P型GaN层的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种LED芯片的P型GaN层的制备方法，包括：步骤a)向MOCVD反应室里，通入H₂，对反应室进行降压，并加热衬底；步骤b)降低反应室的温度，并加入NH₃和TMGa，在上述衬底上生长缓冲层；步骤c)升高反应室的温度，并加入NH₃和TMGa，在上述缓冲层上生长uGaN层；以及步骤d)在上述uGaN层上生长掺杂P型GaN层，其中，步骤d)包括在所述uGaN层上执行的以下处理：步骤d1)生长掺铟和镁的P型GaN层；以及步骤d2)从上述掺铟和镁的P型GaN层析出铟，形成掺镁P型GaN层。采用根据本发明的LED芯片的P型GaN层的制备方法，可制得P型GaN层的空穴浓度高的LED芯片。

Description

LED芯片的P型GaN层的制备方法

技术领域

本发明涉及一种LED芯片的P型GaN层的制备方法。

背景技术

氮化镓(GaN)是制备紫外至可见光范围内光电子器件的理想材料，但由于P型GaN(P-GaN)高阻难题，其器件结构一直难以实现，直至上世纪90年代日本日亚公司有效解决了P-GaN激活问题，GaN基发光二极管(LED)才得以迅速发展。

P-GaN常用的P型掺杂剂为Mg，但是由于Mg具有很高的受主激活能、Mg在GaN中低溶解度以及高补偿等问题，使得Mg的活化效率很低，一般载流子浓度仅占掺杂浓度的0.1％～1％。目前LED器件中P-GaN层是通过在生长过程中，直接掺入Mg源而获得的，空穴浓度仅为3×10¹⁷～5×10¹⁷cm^-3。提高P-GaN有效空穴浓度，可降低LED器件工作电压，提高器件发光效率，是获得高质量的GaN基LED器件的关键。

发明内容

本发明目的在于提供一种LED芯片的P型GaN层的制备方法，以解决现有技术中P-GaN层的有效空穴浓度不高导致的发光效率不高的技术问题。

为解决上述技术问题，根据本发明提供了一种LED芯片的P型GaN层的制备方法，包括：步骤a)向MOCVD(Metal-organic Chemical Vapor Deposition：金属有机化合物化学气相沉积)反应室里，通入H₂，对反应室进行降压，并加热衬底；步骤b)降低反应室的温度，并加入NH₃和TMGa，在上述衬底上生长缓冲层；步骤c)升高反应室的温度，并加入NH₃和TMGa，在上述缓冲层上生长uGaN层；以及步骤d)在上述uGaN层上生长掺杂P型GaN层，其中，步骤d)包括在所述uGaN层上执行的以下处理：步骤d1)生长掺铟和镁的P型GaN层；以及步骤d2)从上述掺铟和镁的P型GaN层析出铟，形成掺镁P型GaN层。

进一步地，重复多次上述步骤d1)和d2)。

进一步地，重复10～100次上述步骤d1)和d2)。

进一步地，在步骤a)中将上述反应室压力降至100～200mbar，将上述衬底加热到1000℃～1100℃，高温处理5min～10min。

进一步地，在步骤b)中将温度降至480℃～550℃，在H₂气氛下，在上述衬底上生长缓冲层。

进一步地，在步骤c)中将温度升高到1000～1100℃，生长不掺杂uGaN层。

进一步地，在步骤d1)中将温度降到720～820℃，N₂作为载气在uGaN层上生长掺In和Mg的P型GaN层，其中In的摩尔组分含量大于0％且小于20％。

进一步地，在步骤d2)中H₂作为载气，将温度升高到820～1020℃，保持4min～10min。

本发明具有以下有益效果：

根据本发明的方法，In源的掺入，可提高Mg的掺杂浓度，同时降低Mg的激活能，从而提高空穴浓度。并且，由于In可完全析出，空穴浓度最高可达5.8×10¹⁸cm^-3。比目前LED器件中P型GaN层的空穴浓度高出一个数量级。

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是根据本发明的LED芯片的P型GaN层的制备方法流程示意图；

图2是本发明中外延生长P型GaN层高分辨X射线(002)面曲线图；

图3是根据本发明的LED芯片的P型GaN层的空穴浓度与Cp₂Mg/TMGa摩尔比的关系图；以及

图4是根据本发明的P型GaN层制得的LED芯片的波长与亮度的对应关系图。

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，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

如图1所示，根据本发明的LED芯片的P型GaN层的制备方法，包括：步骤a)MOCVD反应室里，通入H₂，对反应室进行降压，并加热衬底；步骤b)降低反应室的温度，并加入NH₃和TMGa，在上述衬底上生长缓冲层；步骤c)升高反应室的温度，并加入NH₃和TMGa，在上述缓冲层上生长uGaN层；以及步骤d)在上述uGaN层上生长掺杂P型GaN层，其中，步骤d)包括在所述uGaN层上执行的以下处理：步骤d1)生长掺铟和镁的P型GaN层；以及步骤d2)从上述掺铟和镁的P型GaN层析出铟，形成掺镁P型GaN层。In源的掺入，可提高Mg的掺杂浓度，同时降低Mg的激活能，从而提高空穴浓度。并且，由于In可完全析出，空穴浓度可大大提高。

优选地，重复多次所述步骤d1)和d2)。更加优选地，重复10～100次所述步骤d1)和d2)。可按照需要反复多次上述步骤来达到理想的P型GaN层的空穴浓度。

优选地，在步骤a)中将上述反应室压力降至100～200mbar，将上述衬底加热到1000℃～1100℃，高温处理5min～10min。

优选地，在步骤b)中将温度降至480℃～550℃，在H₂气氛下，在所述衬底上生长缓冲层。

优选地，在步骤c)中将温度升高到1000～1100℃，生长不掺杂uGaN层。

优选地，在步骤d1)中将温度降到720～820℃，N₂作为载气在uGaN层上生长掺In和Mg的P型GaN层，其中In的摩尔组分含量大于0％且小于20％。

优选地，在步骤d2)中H₂作为载气，将温度升高到820～1020℃，保持4min～10min。

以上各项条件均为顺利进行根据本发明的方法的优选条件，以下将对此进行详述。

本发明提供一种提高LED芯片的P-GaN层的空穴浓度的方法，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800mbar之间。

该方法在生长P-GaN:Mg(掺Mg的P型GaN层)时，掺入In源，优化生长条件，获得P-In_xGa_(1-x)N:Mg层，改变反应气氛，高温退火，将In析出，获得P-GaN:Mg层，可有效提高空穴浓度。该方法包括以下步骤：

1、高温预处理：在MOCVD反应室里，通入高纯H₂，将反应室压力降至100～200mbar，把衬底加热到1000℃～1100℃，高温处理5min～10min；

2、生长缓冲层：将温度降至480℃～550℃，在H₂气氛下，在衬底上生长厚度为20～40nm的低温缓冲层，NH₃流量为5～15升/分钟，TMGa流量为2.2×10^-4～4.4×10^-4摩尔/分钟，H₂流量为60～100升/分钟，反应室压力为500～750mbar；

3、生长uGaN层：将温度升高到1000～1100℃，生长1.5～4微米的不掺杂uGaN层，NH₃流量为18～36升/分钟，TMGa流量为6.6×10^-4～1.32×10^-5摩尔/分钟，反应室压力为200～500mbar；

4、生长P-In_xGa_(1-x)N:Mg层：将温度降到720～820℃(T)，切换N₂作为载气，N₂流量为40～70升/分钟，反应室压力变为300～500mbar，在uGaN层上生长P-In_xGa_(1-x)N:Mg层，其中In的摩尔组分含量大于0％且小于20％，Cp₂Mg/TMGa摩尔比为10^-3～10^-2，厚度2～20nm；

5、P-GaN:Mg层：切换H₂作为载气，H₂流量为40～70升/分钟，NH₃流量为18～36升/分钟，将温度升高到T+T1(100～200℃)，恒温4min～10min；

6、步骤5和6重复n次，次数为10～40次；

7、退火：将温度降至600～750℃，N₂总流量为50～100升/分钟，反应室压力为400～800mbar，活化时间10～30min。

实施例1

1、高温预处理：在MOCVD反应室里，通入高纯H₂，将反应室压力降至150mbar，把衬底加热到1000℃～1100℃，高温处理5min；

2、生长缓冲层：将温度降至530℃，在H₂气氛下，在衬底上生长厚度为25nm的低温缓冲层，NH₃流量为10升/分钟，TMGa流量为3×10^-4摩尔/分钟，H₂流量为75升/分钟，反应室压力为600mbar；

3、生长uGaN层：将温度升高到1060℃，持续生长3微米的不掺杂uGaN层，NH₃流量为30升/分钟，TMGa流量为8×10^-4～1.32×10^-5摩尔/分钟，反应室压力为300mbar；

4、生长P-In_xGa_(1-x)N:Mg层：将温度降到760℃(T)，切换N₂作为载气，N₂流量为70升/分钟，NH₃流量为20升/分钟，反应室压力变为400mbar，在uGaN层上生长P-In_0.18Ga_0.82N:Mg层，其中In的摩尔组分含量为18％，Cp₂Mg/TMGa摩尔比为2.5×10^-3，厚度8nm；

5、P-GaN:Mg层：切换H₂作为载气，H₂流量为66升/分钟，NH₃流量为30升/分钟，将温度升高到920℃，恒温10min；

6、步骤5和6重复n次，次数为30次；

7、退火：将温度降至650℃，N₂总流量为90升/分钟，反应室压力为600mbar，活化时间20min。

对由以上步骤获得的样品进行测试分析，得到了如图2所示X射线(002)面曲线图，图中只存在GaN的衍射峰，表明In已完全析出。

图3是根据本发明的LED芯片的P型GaN层的空穴浓度与Cp₂Mg/TMGa摩尔比的关系图。

如图3所示，在生长P型GaN层时，不同Cp₂Mg/TMGa摩尔比下，所获得的P型GaN层的空穴浓度不同，上方的曲线(●)示出的是根据本发明的P型GaN层的空穴浓度，下方的曲线(■)示出的是常见LED芯片(即现有技术)中P型GaN层的空穴浓度，从图中可以看出，在相同的Cp₂Mg/TMGa摩尔比下，根据本发明的P型GaN层的空穴浓度普遍比常见LED器件(即现有技术)中P型GaN层的空穴浓度高，常规的P型GaN层的空穴浓度最高为3.5×10¹⁷cm^-3，而根据本发明的P型GaN层的空穴浓度最高可达5.8×10¹⁸cm^-3，在同样的Cp₂Mg/TMGa摩尔比条件下，采用本发明所获得的P型GaN层的空穴浓度比常规方法中的P型GaN层的空穴浓度高出一个数量级。

图4是利用本发明的P型GaN层生长方法，取代常见LED芯片的P型GaN层，制得的LED芯片的波长与亮度的对应关系图。上方的曲线(▲)示出的是采用根据本发明的P型GaN层的LED芯片的亮度，下方的曲线(*)示出的是常见LED芯片(即现有技术)的亮度，从图中可以看出，采用本发明的P型GaN层所获得的LED芯片与常规的LED芯片相比亮度提高了约9％。其中，采用根据本发明的P型GaN层制得的LED芯片尺寸为15mil*8mil。

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。

Claims (8)

1.一种LED芯片的P型GaN层的制备方法，包括：

步骤a)向MOCVD反应室里，通入H₂，对所述反应室进行降压，并加热衬底；

步骤b)降低所述反应室的温度，并加入NH₃和TMGa，在衬底上生长缓冲层；

步骤c)升高所述反应室的温度，并加入NH₃和TMGa，在所述缓冲层上生长uGaN层；以及

步骤d)在所述uGaN层上生长掺杂P型GaN层，

其特征在于，步骤d)包括在所述uGaN层上执行的以下处理：

步骤d1)生长掺In和Mg的P型GaN层；以及

步骤d2)从所述掺In和Mg的P型GaN层析出In，形成掺Mg的P型GaN层。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，重复多次所述步骤d1)和d2)。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，重复10～100次所述步骤d1)和d2)。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤a)中将所述反应室压力降至100～200mbar，将所述衬底加热到1000℃～1100℃，保持5min～10min。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤b)中将温度降至480℃～550℃，在H₂气氛下，在所述衬底上生长缓冲层。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤c)中将温度升高到1000～1100℃，生长不掺杂uGaN层。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤d1)中将温度降到720～820℃，将N₂作为载气在uGaN层上生长掺In和Mg的P型GaN层，其中In的摩尔组分含量大于0％且小于20％。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤d2)中将H₂作为载气，将温度升高到820～1020℃，保持4min～10min。

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