[发明专利]一种具有p层特殊掺杂结构的外延生长方法

说明书

技术领域

本发明属于光电器件材料制备和结构设计技术领域，具体涉及一种LED外延掺杂生长方法及其外延片结构。

背景技术

Ⅲ族氮化物半导体材料以其优异的特性正在发挥着越来越广泛的作用，具有禁带宽度大、电子漂移饱和速度高、介电常数小、导热性能好等特点,非常适合于制作抗辐射、高频、大功率和高密度集成的电子器件;利用其特有的禁带宽度,还可以制作蓝、绿光和紫外光的发光器件和光探测器件。经过近十几年的发展，GaN基蓝光LED已成功实现商业化，在景观灯、背光源、照明灯领域都得到广泛应用。

随着Ⅲ族氮化物器件研究和应用的深入，GaN基光电器件对材料性能提出了更高的要求。对于LED器件，为了提升增强量子效率、降低非发光复合、减少缺陷对光子的吸收，需要有高结晶质量、低缺陷密度材料的外延技术和高性能的p型掺杂技术，尤其是p层的掺杂技术，一直以来都是制约LED商业化应用和提升发光效率的技术瓶颈。

目前LED的p层都采用在GaN中掺入镁元素，通过退火来激活镁受主，但是由于镁的激活能较高，电离率低，难以产生高的载流子浓度，且受生长条件影响大，掺杂过程容易产生缺陷降低材料的质量。所以作为LED器件生长过程中的关键，改善p层的掺杂效率，降低受主的激活能，优化p层材料的晶体质量，提升载流子浓度被越来越多的研究和关注。

发明内容

为了解决现有技术存在的问题，本发明提供一种新的LED外延生长方法，具有p层特殊掺杂结构，能够很好地改善p层材料的晶体质量，减少缺陷的产生，还可以提升载流子的浓度，增大复合发光效率，提升LED器件的光电转换效率；同时由于其p层的电导率的改善和面缺陷的减少，很大程度改善了LED器件的可靠性。

本发明的基本方案如下：

该外延生长方法，包括以下步骤：

（1）在蓝宝石衬底上生长低温GaN层；

（2）生长高温GaN层；

（3）生长高温GaN掺杂硅烷n型层；

（4）生长掺硅烷的n型AlGaN层；

（5）生长多个周期的GaN/InGaN量子阱层；

（6）生长掺杂镁的p型AlGaN层；

（7）生长多个GaN/AlGaN周期结构的超晶格层；

（8）掺镁的GaN层，作为接触层；

（9）最后在氮气氛围下退火；

其中，步骤（7）的多个GaN/AlGaN周期结构的超晶格层中，GaN层双掺杂镁和硅烷，AlGaN层除了掺杂镁和硅烷元素外，还采用氨气delta掺杂。

以上所称的“高温”、“低温”在本领域是具有明确意义的技术术语。

基于上述基本方案，本发明还做如下优化限定：

在步骤（7）进行GaN层、AlGaN层双掺杂镁和硅烷的过程中，掺杂镁元素与硅元素的摩尔比为10:1-15：1。

步骤（7）总共生长10-20个周期的GaN/AlGaN超晶格层，每个周期的GaN层和AlGaN层厚度均小于2nm。

步骤（7）中的每个周期，在950℃生长GaN层，然后升温至1000℃生长AlGaN层。

步骤（7）中的每个周期进行生长AlGaN层,是控制CP2Mg和SiH4的流量不变，NH3脉冲式通入，周期性地通入5s,再关闭3s，直到生长完该AlGaN层，即控制这个周期的AlGaN层厚度在2nm以下。

相应的，按照上述方法制得的LED外延片结构，主要包括依次生长的以下各层：

蓝宝石衬底；

低温GaN层；

高温GaN层；

高温GaN掺杂硅烷n型层；

掺硅烷的n型AlGaN层；

多个周期的GaN/InGaN量子阱层；

掺杂镁的p型AlGaN层；

多个GaN/AlGaN周期结构的超晶格层；

掺镁的GaN层，作为接触层；

在所述多个GaN/AlGaN周期结构的超晶格层中，GaN层双掺杂镁和硅烷，AlGaN层除了掺杂镁和硅元素外，还以氨气delta掺杂方式掺加氮元素。

在所述多个GaN/AlGaN周期结构的超晶格层中，掺杂镁元素与硅元素的摩尔比优选10:1-15：1。

优选确定为总共10-20个周期的GaN/AlGaN超晶格层，每个周期的GaN层和AlGaN层厚度均小于2nm。

本发明的有益效果如下：