CN103824913B - 一种Mg掺杂P型GaN外延生长方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种Mg掺杂P型GaN外延生长方法,其二极管外延片结构从下向上的顺序依次为：衬底、中温GaN缓冲层、N型GaN层、浅量子阱、复合量子阱层、P型GaN层、P型AlGaN层、P型GaN层、P型接触层、P型变量掺杂层，在InGaN/GaN多量子阱发光层与P型AlGaN之间生长具有In掺杂的低温P型氮化镓层，接下生长的P型AlGaN层可将In完全析出，大大提高空穴浓度，同时在P型AlGaN层后低温生长P型氮化镓层，低温P型氮化镓层可抑制P型掺杂剂的扩散作用；本发明有效改善接触层后所带来的外观不足，改善了外貌形态，提高外观等级；同时提高了结晶质量，对电压的降低提供足够空间；另外、提高了Mg的活化性能，提高了空穴浓度，可以提高至1015‑1016cm‑3，迁移率达到10cm2/v.s，掺杂效率达到3‑5%。
Description
技术领域
本发明涉及半导体行业LED外延工艺制程技术领域，具体为一种Mg掺杂P型GaN外延生长方法。
背景技术
Mg的参杂一直以来都存在很多问题，如：空穴浓度较低、电阻率较高、晶体质量不好等。而变量掺杂通过对电学的、光学的、表面形貌分析表明,在保证晶体质量的前提条件下，此种变量掺杂方法明显提高了空穴浓度,降低了电阻率,提高空穴迁移率,取得较好的表面形貌。目前LED外延生长对于镁杂质的自补偿效应比较明显，通常掺镁的氮化镓基材料的空穴浓度只有1017-1018cm-3，迁移率还不到10cm2/v.s，掺杂效率只有0.1-1%，不能很好满足器件要求，即镁被单独作为P型掺杂剂时，难以获得高质量、高空穴浓度的P型氮化镓材料。现有技术不足：镁的活化效率低，掺杂效率低，空穴浓度不高，镁向多量子阱有源区中扩散，均对发光二极管产生严重影响。本专利所采取的In掺杂及低温生长P型GaN外延方法，可以生长高质量、高外观等级、高空穴浓度的P型氮化镓材料。
发明内容
本发明所解决的技术问题在于提供一种Mg掺杂P型GaN外延生长方法，以解决上述背景技术中的问题。
本发明所解决的技术问题采用以下技术方案来实现：一种Mg掺杂P型GaN外延生长方法,其二极管外延片结构从下向上的顺序依次为：衬底、中温GaN缓冲层、N型GaN层、浅量子阱、复合量子阱层、P型GaN层、P型AlGaN层、P型GaN层、P型接触层、P型变量掺杂层，在InGaN/GaN多量子阱发光层与P型AlGaN之间生长具有In掺杂的低温P型氮化镓层，接下生长的P型AlGaN层可将In完全析出，大大提高空穴浓度，同时在P型AlGaN层后低温生长P型氮化镓层，低温P型氮化镓层可抑制P型掺杂剂的扩散作用，其具体生长方法为：
（1）将衬底材料在氢气气氛里进行退火，清洁衬底表面，温度为1040-1180℃，然后进行氮化处理；
（2）中温缓冲层生长:在衬底氢化处理后结束后，将衬底温度升高至650-850℃，再次行热退火处理，退火时间为10-20min，退火之后，将温度调节至750-900℃，在Ⅴ/Ⅲ摩尔比为400-2800条件下外延生长厚度为0.6-1.5um间的高温不掺杂GaN，此生长过程中，生长压力为300-450Torr；
（3）N型层生长：中温缓冲层生长结束后，生长一层掺杂浓度稳定的N型层，厚度为1.2-4.2um，生长温度为1000-1200℃，生长压力为300-450Torr，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为400-2800；
（4）浅量子阱SW生长：由6-12个周期的InxGa1-XN(0.04<x<0.4)/GaN多量子阱组成，其中阱的厚度为2-5nm，生长温度为700-900℃，生长压力为100-600Torr，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为350-43000；
（5）复合量子阱层MQW生长：由3-15个周期的InyGa1-yN(x<y<1)/GaN多量子阱组成，阱中In的组份为10%-50%，阱的厚度为2-5nm，生长温度为720-820℃，生长压力为100-500Torr，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为350-4300，垒层厚度为10-15nm，生长温度为820-920℃，生长压力为100-500Torr，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为350-4300；
（6）P型层生长：发光层多量子阱层生长结束后，生长厚度为10-100nm的In掺杂p型GaN层，生长温度为620-820℃，生长时间为5-35min，生长压力为100-500Torr，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为300-5000，在生长P型层的过程中，N2作为载气；
（7）P型层生长：P型层生长结束后，生长厚度为16-35nm的p型AlGaN层，生长温度为950-1150℃，生长时间为9-12min，生长压力为150-500Torr，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为1480-13800，Al的组分为15%-25%；
（8）P型层生长：P型层生长结束后，生长厚度为100-800nm的p型GaN层，生长温度为850-950℃，生长时间为5-30min，生长压力为100-500Torr，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为350-4300；
（9）P型层生长：P型层生长结束后，生长厚度为5-20nm的p型接触层，生长温度为850-1050℃，生长时间为1-10min，生长压力为200-450Torr，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为1480-13800；
（10）P型变量掺杂层生长，P型层生长结束后，生长厚度为10-18nm的变量掺杂层，生长温度为550-650℃，分三个阶段生长，第一阶段：压力为550-600Torr,流量为400-450sccm/min；第二阶段：压力为300-400Torr,流量为240-260sccm/min；第三阶段：压力为150-200Torr,流量为350-500sccm/min，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为1480-13800；
（11）外延生长结束后，将反应室的温度降至400-700℃，采用纯氮气氛围进行退火处理5-10min，随后降至室温，外延制程结束。
所述衬底、中温GaN缓冲层、N型GaN层、浅量子阱、复合量子阱层、P型GaN层、P型AlGaN层、P型GaN层、P型接触层、P型变量掺杂层以三甲基镓（TMGa），三乙基镓(TEGa)、三甲基铝（TMAl）、三甲基铟（TMIn）和氨气（NH3）分别作为Ga、Al、In和N源。
所述衬底、中温GaN缓冲层、N型GaN层、浅量子阱、复合量子阱层、P型GaN层、P型AlGaN层、P型GaN层、P型接触层、P型变量掺杂层以硅烷（SiH4）和二茂镁（CP2Mg）分别作为N、P型掺杂剂。
所述衬底为蓝宝石，单晶硅。
与已公开技术相比，本发明存在以下优点：本发明有效改善接触层后所带来的外观不足，改善了外貌形态，提高外观等级；同时提高了结晶质量，对电压的降低提供足够空间；另外、提高了Mg的活化性能，提高了空穴浓度，可以提高至1015-1016cm-3，迁移率达到10cm2/v.s，掺杂效率达到3-5%。
具体实施方式
为了使本发明的技术手段、创作特征、工作流程、使用方法达成目的与功效易于明白了解，下面将结合本发明实施例，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，都属于本发明保护的范围。
实施例1
一种Mg掺杂P型GaN外延生长方法,其二极管外延片结构从下向上的顺序依次为：衬底、中温GaN缓冲层、N型GaN层、浅量子阱、复合量子阱层、P型GaN层、P型AlGaN层、P型GaN层、P型接触层、P型变量掺杂层，其具体生长方法为：
（1）将衬底材料在氢气气氛里进行退火，清洁衬底表面，温度为1040℃，然后进行氮化处理；
（2）中温缓冲层生长:在衬底氢化处理后结束后，将衬底温度升高至650℃，再次行热退火处理，退火时间为10min，退火之后，将温度调节至750℃，在Ⅴ/Ⅲ摩尔比为400条件下外延生长厚度为0.6um间的高温不掺杂GaN，此生长过程中，生长压力为300Torr；
（3）N型层生长：中温缓冲层生长结束后，生长一层掺杂浓度稳定的N型层，厚度为1.2um，生长温度为1000℃，生长压力为300Torr，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为400；
（4）浅量子阱SW生长：由6个周期的InxGa1-XN(0.04<x<0.4)/GaN多量子阱组成，其中阱的厚度为2nm，生长温度为700℃，生长压力为100Torr，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为350；
（5）复合量子阱层MQW生长：由3个周期的InyGa1-yN(x<y<1)/GaN多量子阱组成，阱中In的组份为10%，阱的厚度为2nm，生长温度为720℃，生长压力为100Torr，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为350，垒层厚度为10nm，生长温度为820℃，生长压力为100Torr，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为350；
（6）P型层生长：发光层多量子阱层生长结束后，生长厚度为10nm的In掺杂p型GaN层，生长温度为620℃，生长时间为5min，生长压力为100Torr，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为300，在生长P型层的过程中，N2作为载气；
（7）P型层生长：P型层生长结束后，生长厚度为16nm的p型AlGaN层，生长温度为950℃，生长时间为9min，生长压力为150Torr，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为1480，Al的组分为15%；
（8）P型层生长：P型层生长结束后，生长厚度为100nm的p型GaN层，生长温度为850℃，生长时间为5min，生长压力为100Torr，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为350；
（9）P型层生长：P型层生长结束后，生长厚度为5nm的p型接触层，生长温度为850℃，生长时间为1min，生长压力为200Torr，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为1480；
（10）P型变量掺杂层生长，P型层生长结束后，生长厚度为10nm的变量掺杂层，生长温度为550℃，分三个阶段生长，第一阶段：压力为550Torr,流量为400sccm/min；第二阶段：压力为300Torr,流量为240sccm/min；第三阶段：压力为150Torr,流量为350sccm/min，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为1480；
（11）外延生长结束后，将反应室的温度降至400℃，采用纯氮气氛围进行退火处理5min，随后降至室温，外延制程结束。
本实施例中以三甲基镓（TMGa），三乙基镓(TEGa)、三甲基铝（TMAl）、三甲基铟（TMIn）和氨气（NH3）分别作为Ga、Al、In和N源，以硅烷（SiH4）和二茂镁（CP2Mg）分别作为N、P型掺杂剂，以蓝宝石作为衬底。
实施例2
一种Mg掺杂P型GaN外延生长方法,其二极管外延片结构从下向上的顺序依次为：衬底、中温GaN缓冲层、N型GaN层、浅量子阱、复合量子阱层、P型GaN层、P型AlGaN层、P型GaN层、P型接触层、P型变量掺杂层，其具体生长方法为：
（1）将衬底材料在氢气气氛里进行退火，清洁衬底表面，温度为1180℃，然后进行氮化处理；
（2）中温缓冲层生长:在衬底氢化处理后结束后，将衬底温度升高至850℃，再次行热退火处理，退火时间为20min，退火之后，将温度调节至900℃，在Ⅴ/Ⅲ摩尔比为2800条件下外延生长厚度为1.5um间的高温不掺杂GaN，此生长过程中，生长压力为450Torr；
（3）N型层生长：中温缓冲层生长结束后，生长一层掺杂浓度稳定的N型层，厚度为4.2um，生长温度为1200℃，生长压力为450Torr，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为2800；
（4）浅量子阱SW生长：由12个周期的InxGa1-XN(0.04<x<0.4)/GaN多量子阱组成，其中阱的厚度为5nm，生长温度为900℃，生长压力为600Torr，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为43000；
（5）复合量子阱层MQW生长：由15个周期的InyGa1-yN(x<y<1)/GaN多量子阱组成，阱中In的组份为50%，阱的厚度为5nm，生长温度为820℃，生长压力为500Torr，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为4300，垒层厚度为15nm，生长温度为920℃，生长压力为500Torr，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为4300；
（6）P型层生长：发光层多量子阱层生长结束后，生长厚度为100nm的In掺杂p型GaN层，生长温度为820℃，生长时间为35min，生长压力为500Torr，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为5000，在生长P型层的过程中，N2作为载气；
（7）P型层生长：P型层生长结束后，生长厚度为35nm的p型AlGaN层，生长温度为1150℃，生长时间为12min，生长压力为500Torr，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为13800，Al的组分为25%；
（8）P型层生长：P型层生长结束后，生长厚度为800nm的p型GaN层，生长温度为950℃，生长时间为30min，生长压力为500Torr，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为4300；
（9）P型层生长：P型层生长结束后，生长厚度为20nm的p型接触层，生长温度为1050℃，生长时间为10min，生长压力为450Torr，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为13800；
（10）P型变量掺杂层生长，P型层生长结束后，生长厚度为18nm的变量掺杂层，生长温度为650℃，分三个阶段生长，第一阶段：压力为600Torr,流量为450sccm/min；第二阶段：压力为400Torr,流量为260sccm/min；第三阶段：压力为200Torr,流量为500sccm/min，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为13800；
（11）外延生长结束后，将反应室的温度降至700℃，采用纯氮气氛围进行退火处理10min，随后降至室温，外延制程结束。
本实施例中以三甲基镓（TMGa），三乙基镓(TEGa)、三甲基铝（TMAl）、三甲基铟（TMIn）和氨气（NH3）分别作为Ga、Al、In和N源，以硅烷（SiH4）和二茂镁（CP2Mg）分别作为N、P型掺杂剂，以单晶硅作为衬底。
实施例3
一种Mg掺杂P型GaN外延生长方法,其二极管外延片结构从下向上的顺序依次为：衬底、中温GaN缓冲层、N型GaN层、浅量子阱、复合量子阱层、P型GaN层、P型AlGaN层、P型GaN层、P型接触层、P型变量掺杂层，其具体生长方法为：
（1）将衬底材料在氢气气氛里进行退火，清洁衬底表面，温度为1090℃，然后进行氮化处理；
（2）中温缓冲层生长:在衬底氢化处理后结束后，将衬底温度升高至680℃，再次行热退火处理，退火时间为15min，退火之后，将温度调节至800℃，在Ⅴ/Ⅲ摩尔比为800条件下外延生长厚度为0.9um间的高温不掺杂GaN，此生长过程中，生长压力为350Torr；
（3）N型层生长：中温缓冲层生长结束后，生长一层掺杂浓度稳定的N型层，厚度为1.8um，生长温度为1100℃，生长压力为350Torr，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为800；
（4）浅量子阱SW生长：由8个周期的InxGa1-XN(0.04<x<0.4)/GaN多量子阱组成，其中阱的厚度为3nm，生长温度为800℃，生长压力为500Torr，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为430；
（5）复合量子阱层MQW生长：由10个周期的InyGa1-yN(x<y<1)/GaN多量子阱组成，阱中In的组份为40%，阱的厚度为4nm，生长温度为750℃，生长压力为400Torr，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为430，垒层厚度为12nm，生长温度为880℃，生长压力为300Torr，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为4200；
（6）P型层生长：发光层多量子阱层生长结束后，生长厚度为50nm的In掺杂p型GaN层，生长温度为720℃，生长时间为30min，生长压力为300Torr，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为4000，在生长P型层的过程中，N2作为载气；
（7）P型层生长：P型层生长结束后，生长厚度为20nm的p型AlGaN层，生长温度为1000℃，生长时间为10min，生长压力为300Torr，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为12800，Al的组分为20%；
（8）P型层生长：P型层生长结束后，生长厚度为600nm的p型GaN层，生长温度为900℃，生长时间为20min，生长压力为300Torr，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为430；
（9）P型层生长：P型层生长结束后，生长厚度为15nm的p型接触层，生长温度为950℃，生长时间为8min，生长压力为350Torr，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为10800；
（10）P型变量掺杂层生长，P型层生长结束后，生长厚度为15nm的变量掺杂层，生长温度为600℃，分三个阶段生长，第一阶段：压力为580Torr,流量为420sccm/min；第二阶段：压力为380Torr,流量为250sccm/min；第三阶段：压力为180Torr,流量为400sccm/min，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为10000；
（11）外延生长结束后，将反应室的温度降至550℃，采用纯氮气氛围进行退火处理8min，随后降至室温，外延制程结束。
本实施例中以三甲基镓（TMGa），三乙基镓(TEGa)、三甲基铝（TMAl）、三甲基铟（TMIn）和氨气（NH3）分别作为Ga、Al、In和N源，以硅烷（SiH4）和二茂镁（CP2Mg）分别作为N、P型掺杂剂，以单晶硅作为衬底。
本发明有效改善接触层后所带来的外观不足，改善了外貌形态，提高外观等级；同时提高了结晶质量，对电压的降低提供足够空间；另外、提高了Mg的活化性能，提高了空穴浓度，可以提高至1015-1016cm-3，迁移率达到10cm2/v.s，掺杂效率达到3-5%。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明的要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (4)
1.一种Mg掺杂P型GaN外延生长方法,其二极管外延片结构从下向上的顺序依次为：衬底、中温GaN缓冲层、N型GaN层、浅量子阱、复合量子阱层、P型GaN层、P型AlGaN层、P型GaN层、P型接触层、IN掺杂的低温P-GAN层，其特征在于：在InGaN/GaN多量子阱发光层与P型AlGaN之间生长具有In掺杂的低温P型氮化镓层，接下生长的P型AlGaN层可将In完全析出，大大提高空穴浓度，同时在P型AlGaN层后低温生长P型氮化镓层，低温P型氮化镓层可抑制P型掺杂剂的扩散作用，其具体生长方法为：
(1)将衬底材料在氢气气氛里进行退火，清洁衬底表面，温度为1040-1180℃，然后进行氮化处理；
(2)中温缓冲层生长:在衬底氢化处理后结束后，将衬底温度升高至650-850℃，再次行热退火处理，退火时间为10-20min，退火之后，将温度调节至750-900℃，在Ⅴ/Ⅲ摩尔比为400-2800条件下外延生长厚度为0.6-1.5um间的高温不掺杂GaN，此生长过程中，生长压力为300-450Torr；
(3)N型层生长：中温缓冲层生长结束后，生长一层掺杂浓度稳定的N型层，厚度为1.2-4.2um，生长温度为1000-1200℃，生长压力为300-450Torr，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为400-2800；
(4)浅量子阱SW生长：由6-12个周期的InxGa1-XN(0.04<x<0.4)/GaN多量子阱组成，其中阱的厚度为2-5nm，生长温度为700-900℃，生长压力为100-600Torr，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为350-43000；
(5)复合量子阱层MQW生长：由3-15个周期的InyGa1-yN(x<y<1)/GaN多量子阱组成，阱中In的组份为10％-50％，阱的厚度为2-5nm，生长温度为720-820℃，生长压力为100-500Torr，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为350-4300，垒层厚度为10-15nm，生长温度为820-920℃，生长压力为100-500Torr，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为350-4300；
(6)P型层生长：发光层多量子阱层生长结束后，生长厚度为10-100nm的In掺杂p型GaN层，生长温度为620-820℃，生长时间为5-35min，生长压力为100-500Torr，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为300-5000，在生长P型层的过程中，N2作为载气；
(7)P型层生长：P型层生长结束后，生长厚度为16-35nm的p型AlGaN层，生长温度为950-1150℃，生长时间为9-12min，生长压力为150-500Torr，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为1480-13800，Al的组分为15％-25％；
(8)P型层生长：P型层生长结束后，生长厚度为100-800nm的p型GaN层，生长温度为850-950℃，生长时间为5-30min，生长压力为100-500Torr，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为350-4300；
(9)P型层生长：P型层生长结束后，生长厚度为5-20nm的p型接触层，生长温度为850-1050℃，生长时间为1-10min，生长压力为200-450Torr，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为1480-13800；
(10)IN掺杂的低温P-GAN层生长，P型层生长结束后，生长厚度为10-18nm的变量掺杂层，生长温度为550-650℃，分三个阶段生长，第一阶段：压力为550-600Torr,流量为400-450sccm/min；第二阶段：压力为300-400Torr,流量为240-260sccm/min；第三阶段：压力为150-200Torr,流量为350-500sccm/min，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为1480-13800；
(11)外延生长结束后，将反应室的温度降至400-700℃，采用纯氮气氛围进行退火处理5-10min，随后降至室温，外延制程结束。
2.根据权利要求1所述的一种Mg掺杂P型GaN外延生长方法，其特征在于：所述衬底、中温GaN缓冲层、N型GaN层、浅量子阱、复合量子阱层、P型GaN层、P型AlGaN层、P型GaN层、P型接触层、IN掺杂的低温P-GAN层以三甲基镓(TMGa)，三乙基镓(TEGa)、三甲基铝(TMAl)、三甲基铟(TMIn)和氨气(NH3)分别作为Ga、Al、In和N源。
3.根据权利要求1所述的一种Mg掺杂P型GaN外延生长方法，其特征在于：所述衬底、中温GaN缓冲层、N型GaN层、浅量子阱、复合量子阱层、P型GaN层、P型AlGaN层、P型GaN层、P型接触层、IN掺杂的低温P-GAN层以硅烷(SiH4)和二茂镁(CP2Mg)分别作为N、P型掺杂剂。
4.根据权利要求1所述的一种Mg掺杂P型GaN外延生长方法，其特征在于：所述衬底为蓝宝石，单晶硅。
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Date of cancellation: 20171205 Granted publication date: 20160824 Pledgee: CITIC Bank Hefei branch Pledgor: Hefei Rainbow Blu-ray Technology Co.,Ltd. Registration number: 2016340000130 |
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| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20210308 Address after: Room 110-7, building 3, 290 Xingci 1st Road, Hangzhou Bay New District, Ningbo City, Zhejiang Province, 315336 Patentee after: Ningbo anxinmei Semiconductor Co.,Ltd. Address before: 230012 Hefei City, Anhui, New Station Industrial Park Patentee before: HEFEI IRICO EPILIGHT TECHNOLOGY Co.,Ltd. |