CN102136529A - 一种发光二极管外延生长方法 - Google Patents

Abstract

一种发光二极管外延生长方法，其特征在于：在多量子阱的制备过程中，在两个相邻量子阱的生长过程间加入一个高温退火步骤，具体为前一量子阱的量子垒形成后，以高于量子垒生长温度50℃以上的温度对前一量子阱的量子阱层进行退火，然后再按常规温度生长后一量子阱的量子阱层。在多量子阱生长过程中引入热处理过程，通过热退火过程改善晶格生长过程中的应变，从而提高GaN材料的生长质量，不但可以改善其ESD性能，此外，还能提高器件发光效率,改善器件综合性能，如器件良品率、可靠性等参数。

Description

一种发光二极管外延生长方法

技术领域

本发明属于发光二极管领域，具体涉及一种改进抗ESD和提高反向击穿能力、提高晶体质量、改善器件产业化成品率的外延生长技术。

背景技术

近年来，由于发光二级管的发光效率和器件制备技术得到不断的提升，而被应用到照明、背光灯、显示屏、指示灯等领域，同时，人们对其性能又提出了更高的要求，尤其是抗静电(ESD)能力。由于发光二极管在制造、运输、搬运等过程中不可避免的产生静电，因此发光二极管抗静电能力是决定其是否在应用之前被损坏的关键因素。

目前，改善发光二级管抗ESD能力的通用方法是将LED与齐纳二极管整合一起，这样会增加LED的使用成本及占用体积。提高LED本身抗ESD能力是推广其大规模应用的最有效方法，而决定LED本身抗ESD能力的主要因素是外延层尤其是有源区的晶体质量。由于蓝光LED的量子阱含In成分，当升高温度提高其晶体质量时，会导致In的挥发，从而限制了多量子阱区域的生长温度；而当生长温度较低时，外延质量较差，抗ESD能力也会下降，成为解决器件稳定性和产业化成品率的难点之一。图1为外延结构示意图。

中国发明专利“一种提高氮化镓基LED芯片抗静电能力的外延片生长方法”CN200710051864.6提供一种氮化镓基LED外延片的生长方法，在p-GaN层中形成电流释放通道，并对生长的外延薄膜进行一次降温、升温退火处理以消除部分累计应力，改善了p-GaN外延层的晶体质量，因此提高了GaN基LED芯片抗ESD能力。该专利的优点在于：实现了在保证小芯片良好的抗ESD良品率的前提下有效提高大芯片抗ESD良品率的GaN基LED外延片的制备。按常规芯片工艺制作成320×320μm²芯片，其反向2000V ESD良品率为92.7％；1×1mm²的大芯片反向1000V ESD良品率为75.8％。

但是方法的问题在于，它还是只能在较小的芯片上显示其良好的效果，当芯片较大比如800×800μm²芯片或1100×1100μm²芯片时，或者有图形衬底时，其反向ESD良品率就难有大的改善。

发明内容

本发明的目的是：提出一种新的发光二极管外延生长方法，提高外延材料的晶体质量，改善其抗ESD和反向击穿能力，并提高器件发光效率以及器件可靠性。同现有技术中国专利CN200710051864.6相比，本发明的差别在于：在多量子阱生长过程中引入热处理过程，此发明改善ESD的主要机理在于，在过程中通过热退火过程改善晶格生长过程中的应变，从而提高GaN材料的生长质量，不但可以改善其ESD性能，此外，还能提高器件发光效率，改善器件综合性能，如器件良品率、可靠性等参数。

本发明的技术方案是：一种发光二极管外延生长方法，其特征在于：在多量子阱的制备过程中，在两个相邻量子阱的生长过程间加入一个高温退火步骤，具体为前一量子阱的量子垒形成后，以高于量子垒生长温度50℃以上的温度对前一量子阱的量子阱层进行退火，然后再按常规温度生长后一量子阱的量子阱层。

如上所述的发光二极管外延生长方法，其特征在于：对多个相邻量子阱间加入高温退火步骤，退火温度相同或者不同。

如上所述的发光二极管外延生长方法，其特征在于：量子阱的数目i为2≤i≤100。

如上所述的发光二极管外延生长方法，其特征在于：量子阱的组成为Al_yIn_xGa_1-x-yN(0＜x≤1，0≤y＜1)，量子垒的组成为Al_aIn_bGa_1-a-bN(0＜a≤1，0≤b＜1)；

过渡层的组成为Al_yIn_xGa_1-x-yN(0≤x≤1，0≤y≤1，0≤x+y＜1)；

u型氮化镓层为未掺杂Al_yIn_xGa_1-x-yN(0≤x≤1，0≤y≤1，0≤x+y＜1)半导体层；

n型氮化镓层为n型掺杂Al_yIn_xGa_1-x-yN(0≤x≤1，0≤y≤1，0≤x+y＜1)半导体层，掺杂元素为Si，掺杂浓度为1×10¹⁸/cm³～5×10²²/cm³；

p型氮化镓层为p型掺杂In_xGa_1-xN(0＜x≤1)半导体层，掺杂元素为Be、Mg，掺杂浓度为5×10¹⁷/cm³～9×10²³/cm³。

技术效果：本发明制作方便。相对传统外延生长技术，能提高外延材料的晶体质量，改善其抗ESD和反向击穿能力。同现有技术中国专利CN200710051864.6相比，本发明的差别在于：在多量子阱生长过程中引入热处理过程，本方法可以有效的消除多量子阱中的应力和晶体缺陷，特别是对大芯片同样能显著改善其性能。

本发明改变器件的抗ESD能力从器件晶体生长质量的源头出发，因而对于器件除ESD性能的其他综合性能的改善均具有意义。测试数据表明：本发明可有效提高其ESD检测(@人体模式2000V)良率30％，达到78％，发光效率提高5％，1000hr持续老化测试老化性能提高2.5％(以上数据均基于图形衬底制备的大功率LED芯片测试所得，因而相关数据的实现具有更高的难度)。

附图说明

图1外延结构示意图。

图2传统外延生长温度示意图

图3实施例1外延生长温度示意图

图4实施例2外延生长温度示意图

具体实施方式

图1中标记的说明：衬底1，过渡层2，u-型层3，n-型层4，多量子阱5，量子阱51，量子垒52，p-型层6。

传统外延生长温度示意图如图2所示。

实施例1：一个退火步骤

图3为本发明实施例1外延生长温度示意图。先在MOCVD反应炉中将衬底在1200℃进行烘烤，除去衬底表面异物。在550℃，沉积25nm过渡层Al_yIn_xGa_1-x-yN(0≤x≤1，0≤y≤1，0≤x+y＜1)(Buffer层)，再将温度升高到1100℃，依次进行2.5μmu型层Al_yIn_xGa_1-x-yN(0≤x≤1，0≤y≤1，0≤x+y＜1)(u-GaN)、2.5μmn型层Al_yIn_xGa_1-x-yN(0≤x≤1，0≤y≤1，0≤x+y＜1)(n-GaN)的制备，在750℃和810℃下分别生长i个周期的量子阱(Well)与垒(Barrier)，在900℃下，沉积250nm的Mg掺杂p型层。图3是在生长完第j个量子垒后(0≤j≤i)，在反应炉N₂保护下，960℃退火10min。这样有利于提高前j个量子阱的晶体质量，同时量子垒又可以抑制阱中In的挥发，可极大地提高器件抗ESD能力及反向工作电压。测试数据表明：对于800×800μm²芯片到1100×1100μm²的大芯片，本发明可有效提高其ESD检测(@人体模式2000V)良率30％，达到78％，发光效率提高5％(从110流明提高到116-118流明)，1000hr持续老化测试老化性能提高2.5％(以上数据均基于图形衬底制备的大功率LED芯片测试所得，因而相关数据的实现具有更高的难度)。

实施例：2个退火步骤

如图4所示，实现方法同实施例1，不同的是在6个量子阱的中做2次退火处理，分别在第2/3，第4/5对量子阱间进行。

实施例3：多个退火步骤

如图4所示，实现方法同实施例1，不同的是在10个量子阱的中做3次退火处理，分别在第2/3，第4/5，第7/8对量子阱间进行。

Claims (5)

1.一种发光二极管外延生长方法，其特征在于：在多量子阱的制备过程中，在两个相邻量子阱的生长过程间加入一个高温退火步骤，具体为前一量子阱的量子垒形成后，以高于量子垒生长温度50℃以上的温度对前一量子阱的量子阱层进行退火，然后再按常规温度生长后一量子阱的量子阱层。

2.如权利要求1所述的发光二极管外延生长方法，其特征在于：对多个相邻量子阱间加入高温退火步骤，退火温度相同或者不同。

3.如权利要求1或2所述的发光二极管外延生长方法，其特征在于：量子阱的数目i为2≤i≤100。

4.如权利要求1或2所述的发光二极管外延生长方法，其特征在于：量子阱的组成为Al_yIn_xGa_1-x-yN(0＜x≤1，0≤y＜1)，量子垒的组成为Al_aIn_bGa_1-a-bN(0＜a≤1，0≤b＜1)；

过渡层的组成为Al_yIn_xGa_1-x-yN(0≤x≤1，0≤y≤1，0≤x+y＜1)；

u型氮化镓层为未掺杂Al_yIn_xGa_1-x-yN(0≤x≤1，0≤y≤1，0≤x+y＜1)半导体层；

n型氮化镓层为n型掺杂Al_yIn_xGa_1-x-yN(0≤x≤1，0≤y≤1，0≤x+y＜1)半导体层，掺杂元素为Si，掺杂浓度为1×10¹⁸/cm³～5×10²²/cm³；

p型氮化镓层为p型掺杂In_xGa_1-xN(0＜x≤1)半导体层，掺杂元素为Be、Mg，掺杂浓度为5×10¹⁷/cm³～9×10²³/cm³。

5.如权利要3所述的发光二极管外延生长方法，其特征在于：量子阱的组成为Al_yIn_xGa_1-x-yN(0＜x≤1，0≤y＜1)，量子垒的组成为Al_aIn_bGa_1-a-bN(0＜a≤1，0≤b＜1)；

过渡层的组成为Al_yIn_xGa_1-x-yN(0≤x≤1，0≤y≤1，0≤x+y＜1)；

u型氮化镓层为未掺杂Al_yIn_xGa_1-x-yN(0≤x≤1，0≤y≤1，0≤x+y＜1)半导体层；

n型氮化镓层为n型掺杂Al_yIn_xGa_1-x-yN(0≤x≤1，0≤y≤1，0≤x+y＜1)半导体层，掺杂元素为Si，掺杂浓度为1×10¹⁸/cm³～5×10²²/cm³；

p型氮化镓层为p型掺杂In_xGa_1-xN(0＜x≤1)半导体层，掺杂元素为Be、Mg，掺杂浓度为5×10¹⁷/cm³～9×10²³/cm³。

Images