專利名稱：LED芯片的P型GaN層的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種LED芯片的P型GaN層的制備方法。
背景技術(shù)：
氮化鎵(feiN)是制備紫外至可見光范圍內(nèi)光電子器件的理想材料，但由于P型 GaN(P-GaN)高阻難題，其器件結(jié)構(gòu)一直難以實現(xiàn)，直至上世紀(jì)90年代日本日亞公司有效解決了 P-GaN激活問題，GaN基發(fā)光二極管(LED)才得以迅速發(fā)展。P-GaN常用的P型摻雜劑為Mg，但是由于Mg具有很高的受主激活能、Mg在GaN 中低溶解度以及高補(bǔ)償?shù)葐栴}，使得Mg的活化效率很低，一般載流子濃度僅占摻雜濃度的 0. 1 % 1 %。目前LED器件中P-GaN層是通過在生長過程中，直接摻入Mg源而獲得的，空穴濃度僅為3 X IO17 5 X IO17CnT3。提高P-GaN有效空穴濃度，可降低LED器件工作電壓， 提高器件發(fā)光效率，是獲得高質(zhì)量的GaN基LED器件的關(guān)鍵。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于提供一種LED芯片的P型GaN層的制備方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)中 P-GaN層的有效空穴濃度不高導(dǎo)致的發(fā)光效率不高的技術(shù)問題。為解決上述技術(shù)問題，根據(jù)本發(fā)明提供了一種LED芯片的P型GaN層的制備方法， 包括步驟 a)向 MOCVD (Metal-organic Chemical Vapor D印osition 金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相沉積)反應(yīng)室里，通入H2，對反應(yīng)室進(jìn)行降壓，并加熱襯底；步驟b)降低反應(yīng)室的溫度，并加入NHjPTMGa，在上述襯底上生長緩沖層；步驟c)升高反應(yīng)室的溫度，并加入NH3和 TMGa，在上述緩沖層上生長UGaN層；以及步驟d)在上述uGaN層上生長摻雜P型GaN層，其中，步驟d)包括在所述UGaN層上執(zhí)行的以下處理步驟dl)生長摻銦和鎂的P型GaN層； 以及步驟業(yè))從上述摻銦和鎂的P型GaN層析出銦，形成摻鎂P型GaN層。進(jìn)一步地，重復(fù)多次上述步驟dl)和d2)。進(jìn)一步地，重復(fù)10 100次上述步驟dl)和d2)。進(jìn)一步地，在步驟a)中將上述反應(yīng)室壓力降至100 200mbar，將上述襯底加熱到 1000°C 1100°C，高溫處理 5min IOmin。進(jìn)一步地，在步驟b)中將溫度降至480°C 5501，在!12氣氛下，在上述襯底上生長緩沖層。進(jìn)一步地，在步驟c)中將溫度升高到1000 1100°C，生長不摻雜UGaN層。進(jìn)一步地，在步驟dl)中將溫度降到720 820°C，N2作為載氣在uGaN層上生長摻h和Mg的P型GaN層，其中h的摩爾組分含量大于0%且小于20%。進(jìn)一步地，在步驟d2)中H2作為載氣，將溫度升高到820 1020°C，保持^iin IOmin0本發(fā)明具有以下有益效果根據(jù)本發(fā)明的方法，h源的摻入，可提高M(jìn)g的摻雜濃度，同時降低Mg的激活能，從而提高空穴濃度。并且，由于h可完全析出，空穴濃度最高可達(dá)5.8X1018cm_3。比目前 LED器件中P型GaN層的空穴濃度高出一個數(shù)量級。除了上面所描述的目的、特征和優(yōu)點之外，本發(fā)明還有其它的目的、特征和優(yōu)點。 下面將參照圖，對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。


構(gòu)成本申請的一部分的附圖用來提供對本發(fā)明的進(jìn)一步理解，本發(fā)明的示意性實施例及其說明用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對本發(fā)明的不當(dāng)限定。在附圖中圖1是根據(jù)本發(fā)明的LED芯片的P型GaN層的制備方法流程示意圖；圖2是本發(fā)明中外延生長P型GaN層高分辨X射線(002)面曲線圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明的LED芯片的P型GaN層的空穴濃度與Cp2Mg/TMGa摩爾比的關(guān)系圖；以及圖4是根據(jù)本發(fā)明的P型GaN層制得的LED芯片的波長與亮度的對應(yīng)關(guān)系圖。
具體實施例方式以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例進(jìn)行詳細(xì)說明，但是本發(fā)明可以由權(quán)利要求限定和覆蓋的多種不同方式實施。如圖1所示，根據(jù)本發(fā)明的LED芯片的P型GaN層的制備方法，包括步驟a)M0CVD 反應(yīng)室里，通入H2，對反應(yīng)室進(jìn)行降壓，并加熱襯底；步驟b)降低反應(yīng)室的溫度，并加入NH3 和TMGa，在上述襯底上生長緩沖層；步驟c)升高反應(yīng)室的溫度，并加入NH3和TMGa，在上述緩沖層上生長UGaN層；以及步驟d)在上述UGaN層上生長摻雜P型GaN層，其中，步驟d) 包括在所述UGaN層上執(zhí)行的以下處理步驟dl)生長摻銦和鎂的P型GaN層；以及步驟d2) 從上述摻銦和鎂的P型GaN層析出銦，形成摻鎂P型GaN層。In源的摻入，可提高M(jìn)g的摻雜濃度，同時降低Mg的激活能，從而提高空穴濃度。并且，由于可完全析出，空穴濃度可大大提高。優(yōu)選地，重復(fù)多次所述步驟dl)和業(yè))。更加優(yōu)選地，重復(fù)10 100次所述步驟 dl)和d2)。可按照需要反復(fù)多次上述步驟來達(dá)到理想的P型GaN層的空穴濃度。優(yōu)選地，在步驟a)中將上述反應(yīng)室壓力降至100 200mbar，將上述襯底加熱到 1000°C 1100°C，高溫處理 5min IOmin。優(yōu)選地，在步驟b)中將溫度降至480°C 550°C，在吐氣氛下，在所述襯底上生長緩沖層。優(yōu)選地，在步驟c)中將溫度升高到1000 1100°C，生長不摻雜uGaN層。優(yōu)選地，在步驟dl)中將溫度降到720 820°C，N2作為載氣在uGaN層上生長摻 In和Mg的P型GaN層，其中h的摩爾組分含量大于0%且小于20%。優(yōu)選地，在步驟d2)中H2作為載氣，將溫度升高到820 1020°C，保持^iin IOmin0以上各項條件均為順利進(jìn)行根據(jù)本發(fā)明的方法的優(yōu)選條件，以下將對此進(jìn)行詳述。本發(fā)明提供一種提高LED芯片的P-GaN層的空穴濃度的方法，運用MOCVD生長GaN外延層，采用高純吐或高純隊或吐和隊混合氣體作為載氣，高純NH3作為N源，金屬有機(jī)源三甲基鎵(TMGa)作為鎵源，三甲基銦(TMIn)作為銦源，P型摻雜劑為二茂鎂(Cp2Mg),襯底為圖型襯底或藍(lán)寶石襯底，反應(yīng)壓力在IOOmbar到800mbar之間。該方法在生長P_GaN:Mg(摻Mg的P型GaN層)時，摻入h源，優(yōu)化生長條件，獲得P-hxGaa_x)N:Mg層，改變反應(yīng)氣氛，高溫退火，將h析出，獲得P-GaN = Mg層，可有效提高空穴濃度。該方法包括以下步驟1、高溫預(yù)處理在MOCVD反應(yīng)室里，通入高純H2，將反應(yīng)室壓力降至100 200mbar，把襯底加熱到1000°C 1100°C，高溫處理5min IOmin ；2、生長緩沖層將溫度降至480°C 550°C，在吐氣氛下，在襯底上生長厚度為 20 40nm的低溫緩沖層，NH3流量為5 15升/分鐘，TMGa流量為2. 2 X IO"4 4. 4 X IO"4 摩爾/分鐘，H2流量為60 100升/分鐘，反應(yīng)室壓力為500 750mbar ；3、生長UGaN層將溫度升高到1000 1100°C，生長1. 5 4微米的不摻雜uGaN 層，NH3流量為18 36升/分鐘，TMGa流量為6. 6 X 10_4 1. 32 X 10_5摩爾/分鐘，反應(yīng)室壓力為200 500mbar ；4、生長P-hxGa(1_x)N:Mg層將溫度降到720 820°C (T)，切換N2作為載氣，N2流量為40 70升/分鐘，反應(yīng)室壓力變?yōu)?00 500mbar，在uGaN層上生長P-hxGa(1_x)N:Mg 層，其中h的摩爾組分含量大于0%且小于20%，Cp2Mg/TMGa摩爾比為10_3 10_2，厚度 2 20nm ；5、P-GaNiMg層切換H2作為載氣，H2流量為40 70升/分鐘，NH3流量為18 36升/分鐘，將溫度升高到T+T1 (100 2000C )，恒溫4min IOmin ；6、步驟5禾Π 6重復(fù)η次，次數(shù)為10 40次；7、退火將溫度降至600 750°C，N2總流量為50 100升/分鐘，反應(yīng)室壓力為 400 800mbar，活化時間 10 30min。實施例11、高溫預(yù)處理在MOCVD反應(yīng)室里，通入高純H2，將反應(yīng)室壓力降至150mbar，把襯底加熱到1000°c 1100°C，高溫處理5min ；2、生長緩沖層將溫度降至530°C，在吐氣氛下，在襯底上生長厚度為25nm的低溫緩沖層，NH3流量為10升/分鐘，TMGa流量為3 X10-4摩爾/分鐘，H2流量為75升/分鐘， 反應(yīng)室壓力為600mbar ；3、生長UGaN層將溫度升高到1060°C，持續(xù)生長3微米的不摻雜uGaN層，NH3流量為30升/分鐘，TMGa流量為8X 10_4 1. 32X IO"5摩爾/分鐘，反應(yīng)室壓力為300mbar ；4、生長P-Inx(iaa_x)N:Mg層將溫度降到760 °C⑴，切換N2作為載氣，N2流量為70升/分鐘，NH3流量為20升/分鐘，反應(yīng)室壓力變?yōu)?00mbar，在uGaN層上生長 P-Inai8GEia82N = Mg層，其中In的摩爾組分含量為18%, Cp2Mg/TMGa摩爾比為2.5X10-3，厚度 8nm ；5、P-GaNiMg層切換H2作為載氣，H2流量為66升/分鐘，NH3流量為30升/分鐘，將溫度升高到920°C，恒溫IOmin ；6、步驟5和6重復(fù)η次，次數(shù)為30次；7、退火將溫度降至650°C，N2總流量為90升/分鐘，反應(yīng)室壓力為600mbar，活化時間20min。對由以上步驟獲得的樣品進(jìn)行測試分析，得到了如圖2所示X射線(002)面曲線圖，圖中只存在GaN的衍射峰，表明h已完全析出。圖3是根據(jù)本發(fā)明的LED芯片的P型GaN層的空穴濃度與Cp2Mg/TMGa摩爾比的關(guān)系圖。如圖3所示，在生長P型GaN層時，不同Cp2Mg/TMGa摩爾比下，所獲得的P型GaN 層的空穴濃度不同，上方的曲線(·)示出的是根據(jù)本發(fā)明的P型GaN層的空穴濃度，下方的曲線(■)示出的是常見LED芯片(即現(xiàn)有技術(shù))中P型GaN層的空穴濃度，從圖中可以看出，在相同的Cp2Mg/TMGa摩爾比下，根據(jù)本發(fā)明的P型GaN層的空穴濃度普遍比常見 LED器件(即現(xiàn)有技術(shù))中P型GaN層的空穴濃度高，常規(guī)的P型GaN層的空穴濃度最高為3. 5X 1017cm_3，而根據(jù)本發(fā)明的P型GaN層的空穴濃度最高可達(dá)5. 8X 1018cm_3，在同樣的 Cp2Mg/TMGa摩爾比條件下，采用本發(fā)明所獲得的P型GaN層的空穴濃度比常規(guī)方法中的P 型GaN層的空穴濃度高出一個數(shù)量級。圖4是利用本發(fā)明的P型GaN層生長方法，取代常見LED芯片的P型GaN層，制得的LED芯片的波長與亮度的對應(yīng)關(guān)系圖。上方的曲線(▲)示出的是采用根據(jù)本發(fā)明的P 型GaN層的LED芯片的亮度，下方的曲線(*)示出的是常見LED芯片(即現(xiàn)有技術(shù))的亮度，從圖中可以看出，采用本發(fā)明的P型GaN層所獲得的LED芯片與常規(guī)的LED芯片相比亮度提高了約9%。其中，采用根據(jù)本發(fā)明的P型GaN層制得的LED芯片尺寸為15mil*8mil。以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種LED芯片的P型GaN層的制備方法，包括步驟a)向MOCVD反應(yīng)室里，通入H2,對所述反應(yīng)室進(jìn)行降壓，并加熱襯底；步驟b)降低所述反應(yīng)室的溫度，并加入NH3和TMGa，在襯底上生長緩沖層；步驟c)升高所述反應(yīng)室的溫度，并加入NH3和TMGa，在所述緩沖層上生長uGaN層；以及步驟d)在所述uGaN層上生長摻雜P型GaN層， 其特征在于，步驟d)包括在所述uGaN層上執(zhí)行的以下處理 步驟dl)生長摻h和Mg的P型GaN層；以及步驟d2)從所述摻h和Mg的P型GaN層析出In，形成摻Mg的P型GaN層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，重復(fù)多次所述步驟dl)和d2)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，重復(fù)10 100次所述步驟dl)和d2)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在步驟a)中將所述反應(yīng)室壓力降至 100 200mbar，將所述襯底加熱到1000°C~ 1100°C，保持5min IOmin0
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在步驟b)中將溫度降至480°C 550°C， 在H2氣氛下，在所述襯底上生長緩沖層。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在步驟c)中將溫度升高到1000 1100°C，生長不摻雜uGaN層。
7 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在步驟dl)中將溫度降到720 820°C， 將N2作為載氣在uGaN層上生長摻h和Mg的P型GaN層，其中h的摩爾組分含量大于0% 且小于20%.
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在步驟業(yè))中將H2作為載氣，將溫度升高到 820 1020°C，保持 4min lOmin。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種LED芯片的P型GaN層的制備方法，包括步驟a)向MOCVD反應(yīng)室里，通入H2，對反應(yīng)室進(jìn)行降壓，并加熱襯底；步驟b)降低反應(yīng)室的溫度，并加入NH3和TMGa，在上述襯底上生長緩沖層；步驟c)升高反應(yīng)室的溫度，并加入NH3和TMGa，在上述緩沖層上生長uGaN層；以及步驟d)在上述uGaN層上生長摻雜P型GaN層，其中，步驟d)包括在所述uGaN層上執(zhí)行的以下處理步驟d1)生長摻銦和鎂的P型GaN層；以及步驟d2)從上述摻銦和鎂的P型GaN層析出銦，形成摻鎂P型GaN層。采用根據(jù)本發(fā)明的LED芯片的P型GaN層的制備方法，可制得P型GaN層的空穴濃度高的LED芯片。
文檔編號C23C16/34GK102227008SQ201110129769
公開日2011年10月26日 申請日期2011年5月18日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月18日
發(fā)明者徐迪, 梁智勇, 苗振林 申請人:湘能華磊光電股份有限公司