专利名称：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(feiN)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 X IO17 5 X IO17CnT3。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 D印osition 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NHjPTMGa，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dl)生长掺铟和镁的P型GaN层； 以及步骤业)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dl)和d2)。进一步地，重复10 100次上述步骤dl)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°C 1100°C，高温处理 5min IOmin。进一步地，在步骤b)中将温度降至480°C 5501，在!12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°C，生长不掺杂UGaN层。进一步地，在步骤dl)中将温度降到720 820°C，N2作为载气在uGaN层上生长掺h和Mg的P型GaN层，其中h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°C，保持^iin IOmin0本发明具有以下有益效果根据本发明的方法，h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h可完全析出，空穴浓度最高可达5.8X1018cm_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。
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。
具体实施例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)M0CVD 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dl)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dl)和业)。更加优选地，重复10 100次所述步骤 dl)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°C 1100°C，高温处理 5min IOmin。优选地，在步骤b)中将温度降至480°C 550°C，在吐气氛下，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°C，生长不掺杂uGaN层。优选地，在步骤dl)中将温度降到720 820°C，N2作为载气在uGaN层上生长掺 In和Mg的P型GaN层，其中h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°C，保持^iin IOmin0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，采用高纯吐或高纯队或吐和队混合气体作为载气，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IOOmbar到800mbar之间。该方法在生长P_GaN:Mg(掺Mg的P型GaN层)时，掺入h源，优化生长条件，获得P-hxGaa_x)N:Mg层，改变反应气氛，高温退火，将h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°C 1100°C，高温处理5min IOmin ；2、生长缓冲层将温度降至480°C 550°C，在吐气氛下，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 X IO"4 4. 4 X IO"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°C，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 X 10_4 1. 32 X 10_5摩尔/分钟，反应室压力为200 500mbar ；4、生长P-hxGa(1_x)N:Mg层将温度降到720 820°C (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-hxGa(1_x)N:Mg 层，其中h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-GaNiMg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 2000C )，恒温4min IOmin ；6、步骤5禾Π 6重复η次，次数为10 40次；7、退火将温度降至600 750°C，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11、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°c 1100°C，高温处理5min ；2、生长缓冲层将温度降至530°C，在吐气氛下，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 X10-4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°C，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8X 10_4 1. 32X IO"5摩尔/分钟，反应室压力为300mbar ；4、生长P-Inx(iaa_x)N:Mg层将温度降到760 °C⑴，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-Inai8GEia82N = Mg层，其中In的摩尔组分含量为18%, Cp2Mg/TMGa摩尔比为2.5X10-3，厚度 8nm ；5、P-GaNiMg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°C，恒温IOmin ；6、步骤5和6重复η次，次数为30次；7、退火将温度降至650°C，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h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. 5X 1017cm_3，而根据本发明的P型GaN层的空穴浓度最高可达5. 8X 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。
权利要求
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dl)生长掺h和Mg的P型GaN层；以及步骤d2)从所述掺h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dl)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dl)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°C~ 1100°C，保持5min IOmin0
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°C 550°C， 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°C，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dl)中将温度降到720 820°C， 将N2作为载气在uGaN层上生长掺h和Mg的P型GaN层，其中h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，在步骤业)中将H2作为载气，将温度升高到 820 1020°C，保持 4min lOmin。
全文摘要
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。
文档编号C23C16/34GK102227008SQ201110129769
公开日2011年10月26日 申请日期2011年5月18日 优先权日2011年5月18日
发明者徐迪, 梁智勇, 苗振林 申请人:湘能华磊光电股份有限公司