CN112481695A - 一种氮化镓p型层的外延生长方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及半导体技术领域，具体涉及一种氮化镓P型层的外延生长方法，在InGaN/GaN多量子阱发光层之间插入生长掺杂p型AlGaN，作为新增的电子阻挡层，在P型AlGaN层与具有In掺杂的低温P型GaN层之间插入至少一层高温生长P型GaN层。与现有技术相比，本发明可以获得能带间隙值和能带偏移率,从而有效降低电子泄漏，提高空穴的注入率，这种外延结构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，发光效率会有明显的提高，LED亮度有较大提升，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，减少器件发热，降低结温，有利于制备高质量的GaN薄膜。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，具体涉及一种氮化镓P型层的外延生长方法。
背景技术
作为第三代宽禁带半导体材料，GaN不仅具有宽带隙(3.4eV)，而且还具有热导率大、电子饱和速率高、击穿场强大及热稳定性好等特性，因此在制备高温、高频、高压及大功率器件方面备受关注。镁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。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。
发明内容
为了克服上述技术缺陷的不足，本发明提供了一种氮化镓P型层的外延生长方法，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。
一种氮化镓P型层的外延生长方法，关键在于：在InGaN/GaN多量子阱发光层之间插入生长掺杂p型AlGaN，作为新增的电子阻挡层，在P型AlGaN层与具有In掺杂的低温P型GaN层之间插入至少一层高温生长P型GaN层；具体生长方法为：
(1)生长8个周期的浅量子垒阱结构InxGa1-XN(0.04<x<0.4)/GaN；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；
(2)生长一层掺杂P型AlxGayN或AlwGazN；
(3)生长5个周期的复合量子阱结构InyGa1-yN(x<y<1)/GaN，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；
(4)生长厚度为10-100nm的低温p型GaN层；
(5)生长一层掺杂P型AlxGayN或AlwGazN；
(6)生长厚度为5-20nm的高温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；
(7)生长厚度为10-100nm的低温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；
(8)生长厚度为10-18nm的变量掺杂层，生长温度为550-650℃。
优选的，所述掺杂P型AlxGayN或AlwGazN的生长温度为950℃，生长时间为10-12min，生长压力为150-500Torr，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为1480-13800，x取0.08-0.12，y取0.88-0.92，w取0.18-0.22，z取0.78-0.82，x+y＝1，w+z＝1。
优选的，所述变量掺杂层分三个阶段生长，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。
优选的，所述高温P型层由多个周期的超晶格结构组成，每个周期的超晶格结构均包括InGaN层和BGaN层，所述InGaN层的生长温度小于所述BGaN层的生长温度，所述InGaN层的生长压力大于所述BGaN层的生长压力。
优选的，所述低温P型层中P型掺杂剂的掺杂浓度低于所述高温P型层中P型掺杂剂的掺杂浓度。
优选的，以GaCl、GaCl3、三甲基铝(TMA1)、三甲基铟(TMIn)和NH3分别作为Ga、Al、In和N源。
优选的，以硅烷(SiH4)和二茂镁(CP2Mg)分别作为Si源和Mg源。
有益效果：与现有技术相比，本发明所提供的一种氮化镓P型层的外延生长方法，通过在有源区中间插入电子阻挡层可以有效地增加电子复合发光的几率，在电子阻挡层和低温p型GaN层插入一层高温p型GaN层可以有效减少位错密度并提高晶体质量,获得希望的能带间隙值和能带偏移率,从而有效降低电子泄漏,提高空穴的注入率，这种外延结构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，发光效率会有明显的提高，LED亮度有较大提升，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1017-1018cm-3，迁移率达到10cm2/v.s，掺杂效率达到3-5％，同时，可以减少器件发热，降低结温，有利于制备高质量的GaN薄膜，可在高效LED器件和太阳能电池等领域发挥重要作用。
具体实施方法
为使本领域技术人员更好的理解本发明的技术方案，下面结合具体实施方式对本发明作详细说明。
实施例1
本发明采用蓝宝石作为生长基底，采用GaCl、GaCl3、三甲基铝(TMAl)、三甲基铟(TMIn)和NH3硅烷(SiH4)和二茂镁(cp2mg)分别提供生长所需要的镓源，铟源，铝源，氮源，硅源和镁源，进行异质外延生长，运用HVPE技术来完成整个外延过程。在蓝宝石衬底上生长一层低温GaN或AlN，接着高温生长一层不掺杂的GaN或AlGaN，然后生长一层n型掺杂的GaN或AlGaN；接着生成本发明的关键，(1)生长8个周期的浅量子垒阱结构InxGa1-XN(0.04<x<0.4)/GaN，x＝0.04-0.15；其中，阱的厚度为2-3nm，生长温度为700℃，生长压力为100Torr，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为350-5000；(2)生长一层掺杂P型AlxGayN或AlwGazN，生长温度为950℃，生长时间为10-12min，生长压力为150Torr，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为1480-7400，x取0.08，y取0.92，w取0.18，z取0.82；(3)生长5个周期的复合量子阱结构InyGa1-yN(x<y<1)/GaN，阱中In的组份为10％，阱的厚度为2-5nm，生长温度为720℃，生长压力为100Torr，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为350-1800，垒层厚度为10-15nm，生长温度为820℃，生长压力为100Torr，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为350-4300；(4)生长厚度为10-25nm的低温p型GaN层；(5)生长一层掺杂P型AlxGayN或AlwGazN，生长温度为950℃，生长时间为10-12min，生长压力为150Torr，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为1480-6000，x取0.08，y取0.92，w取0.18，z取0.82；(6)生长厚度为5-20nm的高温p型接触层，生长温度为850℃，生长时间为1-10min，生长压力为200Torr，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为1480-4500，所述高温P型层由多个周期的超晶格结构组成，每个周期的超晶格结构均包括InGaN层和BGaN层，所述InGaN层的生长温度小于所述BGaN层的生长温度，所述InGaN层的生长压力大于所述BGaN层的生长压力；(7)生长厚度为10-100nm的低温p型GaN层，生长温度为620℃，生长时间为5-35min，生长压力为100Torr，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为300-1200，所述低温P型层中P型掺杂剂的掺杂浓度低于所述高温P型层中P型掺杂剂的掺杂浓度；(8)生长厚度为10-18nm的变量掺杂层，生长温度为550℃，所述变量掺杂层分三个阶段生长，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1480-8200。
实施例2
本发明采用蓝宝石作为生长基底，采用GaCl、GaCl3、三甲基铝(TMAl)、三甲基铟(TMIn)和NH3硅烷(SiH4)和二茂镁(cp2mg)分别提供生长所需要的镓源，铟源，铝源，氮源，硅源和镁源，进行异质外延生长，运用HVPE技术来完成整个外延过程。在蓝宝石衬底上生长一层低温GaN或AlN，接着高温生长一层不掺杂的GaN或AlGaN，然后生长一层n型掺杂的GaN或AlGaN；接着生成本发明的关键，(1)生长8个周期的浅量子垒阱结构InxGa1-XN(0.04<x<0.4)/GaN，x＝0.28-0.4；其中，阱的厚度为2-5nm，生长温度为700-900℃，生长压力为600Torr，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为25900-43000；(2)生长一层掺杂P型AlxGayN或AlwGazN，生长温度为950℃，生长时间为10-12min，生长压力为500Torr，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为7400-13800，x取0.12，y取0.88，w取0.22，z取0.78；(3)生长5个周期的复合量子阱结构InyGa1-yN(x<y<1)/GaN，阱中In的组份为50％，阱的厚度为2-5nm，生长温度为820℃，生长压力为500Torr，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为1800-4300，垒层厚度为10-15nm，生长温度为920℃，生长压力为500Torr，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为350-4300；(4)生长厚度为25-100nm的低温p型GaN层；(5)生长一层掺杂P型AlxGayN或AlwGazN，生长温度为950℃，生长时间为10-12min，生长压力为500Torr，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为7400-13800，x取0.12，y取0.88，w取0.22，z取0.78；(6)生长厚度为5-20nm的高温p型接触层，生长温度为1050℃，生长时间为1-10min，生长压力为450Torr，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为4500-13800，所述高温P型层由多个周期的超晶格结构组成，每个周期的超晶格结构均包括InGaN层和BGaN层，所述InGaN层的生长温度小于所述BGaN层的生长温度，所述InGaN层的生长压力大于所述BGaN层的生长压力；(7)生长厚度为10-100nm的低温p型GaN层，生长温度为820℃，生长时间为5-35min，生长压力为500Torr，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为5000，所述低温P型层中P型掺杂剂的掺杂浓度低于所述高温P型层中P型掺杂剂的掺杂浓度；(8)生长厚度为10-18nm的变量掺杂层，生长温度为650℃，所述变量掺杂层分三个阶段生长，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8200-13800。
实施例3
本发明采用蓝宝石作为生长基底，采用GaCl、GaCl3、三甲基铝(TMAl)、三甲基铟(TMIn)和NH3硅烷(SiH4)和二茂镁(cp2mg)分别提供生长所需要的镓源，铟源，铝源，氮源，硅源和镁源，进行异质外延生长，运用HVPE技术来完成整个外延过程。在蓝宝石衬底上生长一层低温GaN或AlN，接着高温生长一层不掺杂的GaN或AlGaN，然后生长一层n型掺杂的GaN或AlGaN；接着生成本发明的关键，(1)生长8个周期的浅量子垒阱结构InxGa1-XN(0.04<x<0.4)/GaN,x＝0.15-0.28；其中，阱的厚度为2-5nm，生长温度为800℃，生长压力为350Torr，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为3500-15000；(2)生长一层掺杂P型AlxGayN或AlwGazN，生长温度为950℃，生长时间为10-12min，生长压力为450Torr，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为5000-10000，x取0.1，y取0.9，w取0.2，z取0.8；(3)生长5个周期的复合量子阱结构InyGa1-yN(x<y<1)/GaN，阱中In的组份为35％，阱的厚度为2-5nm，生长温度为780℃，生长压力为200Torr，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为1500-3500，垒层厚度为10-15nm，生长温度为900℃，生长压力为300Torr，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为350-4300；(4)生长厚度为25-50nm的低温p型GaN层；(5)生长一层掺杂P型AlxGayN或AlwGazN，生长温度为950℃，生长时间为10-12min，生长压力为450Torr，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为5000-8000，x取0.1，y取0.9，w取0.2，z取0.8；(6)生长厚度为5-20nm的高温p型接触层，生长温度为950℃，生长时间为1-10min，生长压力为350Torr，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为7000-10000，所述高温P型层由多个周期的超晶格结构组成，每个周期的超晶格结构均包括InGaN层和BGaN层，所述InGaN层的生长温度小于所述BGaN层的生长温度，所述InGaN层的生长压力大于所述BGaN层的生长压力；(7)生长厚度为10-100nm的低温p型GaN层，生长温度为720℃，生长时间为5-35min，生长压力为400Torr，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为2500-4000，所述低温P型层中P型掺杂剂的掺杂浓度低于所述高温P型层中P型掺杂剂的掺杂浓度；(8)生长厚度为10-18nm的变量掺杂层，生长温度为600℃，所述变量掺杂层分三个阶段生长，第一阶段：压力为580Torr，流量为420sccm/min；第二阶段：压力为350Torr,流量为250sccm/min；第三阶段：压力为170Torr，流量为400sccm/min，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为7000-11800。
将本实施例制备的GaN薄膜用于制备光电探测器：
根据常规的MOCVD的生长方法制备4片样品1，根据常规的HVPE的生长方法制备4片样品2，根据实施例3提供的方法制备4片样品3；在相同的条件下测试外延片的XRD102面。测试结果如表1所示：
由表1可以看出，样品3的XRD102面数值变小，表明本发明提供的方法制作的样品材料缺陷少，外延层的晶体质量明显变好。
将样品1-3在相同的前工艺条件下镀ITO层，相同的条件下镀Cr/Pt/Au电极，相同的条件下镀保护层SiO2，然后在相同的条件下将样品研磨切割成762μm*762μm的芯片颗粒，在相同的封装工艺下，封装成白光LED。进行光电性能测试：在同一台LED点测机在驱动电流350mA条件下测试样品1-3的光电性能。见表2。
由表2可以看出，本发明提供的方法制作的样品LED光电性能更好，亮度高、电压低、漏电流小、抗静电能力好，这得益于本发明提供的方法减少外延材料生长缺陷，提高了外延层晶体质量。
最后需要说明，上述描述仅为本发明的优选实施例，本领域的技术人员在本发明的启示下，在不违背本发明宗旨及权利要求的前提下，可以做出多种类似的表示，这样的变换均落入本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种氮化镓P型层的外延生长方法，其特征在于：在InGaN/GaN多量子阱发光层之间插入生长掺杂p型AlGaN，作为新增的电子阻挡层，在P型AlGaN层与具有In掺杂的低温P型GaN层之间插入至少一层高温生长P型GaN层；具体生长方法为：
(1)生长8个周期的浅量子垒阱结构InxGa1-XN(0.04<x<0.4)/GaN；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；
(2)生长一层掺杂P型AlxGayN或AlwGazN；
(3)生长5个周期的复合量子阱结构InyGa1-yN(x<y<1)/GaN，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；
(4)生长厚度为10-100nm的低温p型GaN层；
(5)生长一层掺杂P型AlxGayN或AlwGazN；
(6)生长厚度为5-20nm的高温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；
(7)生长厚度为10-100nm的低温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；
(8)生长厚度为10-18nm的变量掺杂层，生长温度为550-650℃。
2.根据权利要求1所述的一种氮化镓P型层的外延生长方法，其特征在于：所述掺杂P型AlxGayN或AlwGazN的生长温度为950℃，生长时间为10-12min，生长压力为150-500Torr，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为1480-13800，x取0.08-0.12，y取0.88-0.92，w取0.18-0.22，z取0.78-0.82，x+y＝1，w+z＝1。
3.根据权利要求1所述的一种氮化镓P型层的外延生长方法，其特征在于：所述变量掺杂层分三个阶段生长，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。
4.根据权利要求1所述的一种氮化镓P型层的外延生长方法，其特征在于：所述高温P型层由多个周期的超晶格结构组成，每个周期的超晶格结构均包括InGaN层和BGaN层，所述InGaN层的生长温度小于所述BGaN层的生长温度，所述InGaN层的生长压力大于所述BGaN层的生长压力。
5.根据权利要求1所述的一种氮化镓P型层的外延生长方法，其特征在于：所述低温P型层中P型掺杂剂的掺杂浓度低于所述高温P型层中P型掺杂剂的掺杂浓度。
6.根据权利要求1所述的一种氮化镓P型层的外延生长方法，其特征在于：以GaCl、GaCl3、三甲基铝(TMAl)、三甲基铟(TMIn)和NH3分别作为Ga、Al、In和N源。
7.根据权利要求1所述的一种氮化镓P型层的外延生长方法，其特征在于：以硅烷(SiH4)和二茂镁(CP2Mg)分别作为Si源和Mg源。
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