CN102208503A - 一种发光二极管外延结构及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种发光二极管外延结构及其制造方法。该发光二极管外延结构顺序包括：外延衬底、LT-GaN成核层、高温非掺杂缓冲层、P-GaN层、P-AlGaN层、阻挡扩散层、MQW发光层、InGaN电流扩展层、N-ZnO层和表面粗化的ZnO层。其制造方法包括如下步骤：外延衬底预处理；生长成核层；生长缓冲层；生长P-GaN层；生长P-AlGaN层；生长阻挡扩散层；生长MQW发光层；生长InGaN电流扩展层；生长N-ZnO层；生长表面粗化的ZnO层。采用本发明制造方法得到的发光二极管外延结构，不仅能获得优异的电性和光学特性，提高了内量子效率和抗ESD能力，而且能够减少全反射造成损失的光，极大提高外量子效率，获得高亮度的发光二极管，大大促进LED行业的发展和可持续发展的目标。
Description
技术领域
本发明涉及半导体发光二极管技术领域，具体涉及一种发光二极管外延结构及其制造方法，特别涉及一种用N-ZnO替代N-GaN的发光二极管外延结构及其制造方法。
背景技术
自从上世纪90年代初GaN-LED（氮化镓发光二极体）商业化以来，从信号指示、交通信号灯、景观亮化、车用照明、背光光源到通用照明等，LED产品应用领域迅速扩大。
虽然GaN-LED的结构发展日趋成熟，相比AlGaInP系材料的成熟，GaN-LED P型材料的质量仅是勉强可以使用。再加上其如图1所示按顺序生长的外延结构（衬底（Substrate）/N-GaN/（InGaN/GaN）MQW/P-GaN的LED），及InGaN材料热稳定性不高的特性，使得传统的GaN-LED外延结构的P-GaN生长温度不能太高，因而难以获得高质量、良好电导率的P型材料层，从而影响器件的性能。
现在解决上述问题的办法是折中法，即选择P-GaN生长温度介于MQW和N-GaN之间的生长温度，以期获得质量较好的MQW且质量不太差的P-GaN。但是，采用该折中法制作的平面电极结构如图2所示，N电极在下，P电极在上，导致该LED结构受到反向ESD（Electro-Static discharge 静电释放）时，Mesa（平台）处的N电极通过的电流密度不均，从而会产生过高电场，造成ESD对靠近N电极的P/N击穿。实践证明这是引起此类GaN-LED发光效率较低、器件性能不够完美的主要原因，所以如何更进一步提升GaN-LED外延结构的质量，仍是人们重点研究的方向。
发明内容
本发明所要解决的技术问题之一是提供一种发光二极管外延结构，解决现有技术中MQW和P-GaN材料性能和电极结构不足以满足高性能应用领域需求的问题。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种发光二极管外延结构沟，包括外延衬底，以及顺序生长在外延衬底一侧的：LT-GaN成核层、高温非掺杂缓冲层、P-GaN层、P-AlGaN层、阻挡扩散层、MQW发光层、InGaN电流扩展层、N-ZnO层和表面粗化的ZnO层。
本发明所要解决的技术问题之二是相应的提供一种发光二极管外延结构的制造方法，解决现有技术中MQW和P-GaN材料性能和电极结构不足以满足高性能应用领域需求的问题。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种发光二极管外延结构的制造方法，包括如下步骤：
S1）、外延衬底预处理：对外延衬底进行热处理及预氮化；
S2）、生长成核层：在预处理后的外延衬底上一层LT-GaN或LT-AlN层，作为后续生长高质量U-GaN层或U-AlN层的成核层；
S3）、生长缓冲层：在成核层上生长一层U-GaN层或U-AlN层，作为后续生长高质量P-GaN层的缓冲层；
S4）、生长P-GaN层：在缓冲层上生长P-GaN层；
S5）、生长P-AlGaN层：在P-GaN层上生长P-AlGaN层；
S6）生长阻挡扩散层：在P-AlGaN层上生长U-GaN层；
S7）生长MQW发光层：在U-GaN层上生长MQW发光层；
S8）生长InGaN电流扩展层：在MQW发光层上生长InGaN电流扩展层；
S9）生长N-ZnO层：在InGaN电流扩展层上生长N-ZnO层作为LED的N型导电层；
S10）生长表面粗化的ZnO层：在N-ZnO层上生长表面粗化的ZnO层，以提高外量子效率。
优选的技术方案中，步骤S1）中具体而言是：将衬底材料放入MOCVD反应炉内，保持温度为1050至1180摄氏度，压力为50至200毫巴，在H2气氛下进行表面清洁热处理0.5至30分钟；再将温度控制在500至600摄氏度，压力控制在50至800毫巴，通入NH3进行表面预氮化处理0.5至10分钟。
优选的技术方案中，步骤S2）中具体而言是：以H2作为载气，控制温度为500至600摄氏度，压力为200至800毫巴，通入NH3和TMGa（或TMAl），在外延衬底上生长厚度为18至40纳米的LT-GaN成核层（或LT-AlN成核层）。
优选的技术方案中，步骤S3）中具体而言是：以H2作为载气，控制温度为1050至1180摄氏度，压力为200至600毫巴，通入NH3、TMGa（或TMAl），在成核层上生长厚度为200至800）纳米的U-GaN或U-AlN缓冲层。
优选的技术方案中，步骤S4）中具体而言是：以H2作为载气，控制温度为1050 至 1180摄氏度，压力为50 至800毫巴，通入NH3、TMGa、Cp2Mg，在缓冲层上生长厚度为200至2000纳米的P-GaN层。
进一步优选的技术方案中，生长P-GaN层期间，还进行了中断生长在线退火处理，具体而言是：生长20至500纳米厚度的P-GaN层后，降低反应炉温度到650至950摄氏度，切换反应炉气氛为氮气，提高反应炉压力到50至800毫巴，保持NH3的通入，停止TMGa、Cp2Mg的通入，持续0.5至10分钟；然后恢复生长P-GaN层，如此反复循环2至50次。
优选的技术方案中，步骤S5）中具体而言是：以H2作为载气，控制温度为1050至1180摄氏度，压力为50至800毫巴，通入NH3、TMGa、TMAl、Cp2Mg，在P-GaN层上生长厚度为5至200纳米的P-AlGaN层。
进一步优选的技术方案中，生长P-AlGaN层期间，还进行了中断生长在线退火处理，具体而言是：生长5至20纳米厚度的P-AlGaN层后，降低反应炉温度到650 至 950摄氏度，切换反应炉气氛为氮气，提高反应炉压力到50至800毫巴，保持NH3的通入，停止TMGa、TMAl、Cp2Mg的通入，持续0.5 至10分钟；然后恢复生长P-AlGaN层，如此反复循环2至40次。
优选的技术方案中，步骤S6）中具体而言是：以H2作为载气，控制温度为1050 至 1180摄氏度，压力为50 至800毫巴，通入NH3和TMGa，在电子限制层上生长5至50纳米厚度的非掺杂GaN层作为阻挡扩散层。
优选的技术方案中，步骤S7）中具体而言是：以N2或H2作为载气，控制温度为700 至 900摄氏度，压力为100至600毫巴，通入NH3、TMGa（或TEGa）、TMIn、SiH4，在阻挡扩散层上生长3至12对量子阱InGaN/量子垒GaN，作为MQW发光层。
优选的技术方案中，步骤S8）中具体而言是：以N2作为载气，控制温度为700 至 900摄氏度，压力为50至800毫巴，通入NH3、TMGa（或TEGa）、TMIn、SiH4，在MQW发光层上生长5 至50纳米厚度的InGaN层作为电流扩展层。
优选的技术方案中，步骤S9）中具体而言是：将生长完电流扩展层的样品，放置在ZnO层生长设备中，在氩气气氛下，控制温度为350至700摄氏度，压力为5至400毫巴，通入O2、DEZn、TMGa，生长50至5000纳米厚度的N-ZnO层，作为N型导电层；所述ZnO层生长设备为MOCVD、MBE、PLD、Sputer设备中的一种。
优选的技术方案中，步骤S10）中具体而言是：在Ar气氛下，控制温度为350至 700摄氏度，压力为5至400毫巴，通入O2、DEZn、TMGa，生长50至5000纳米厚度的N-ZnO层，作为LED结构中的表面粗化的N型导电ZnO层。
本发明的有益效果是：
采用本发明采用发光二极管外延结构制造方法得到的一种发光二极管外延结构具有如下优点：
1）、能获得电学、光学性能优异的P-GaN材料；
20）、能获得高质量的P-AlGaN层，限制电子从MQW层向P层逃逸，提高了LED的发光辐射几率；
3）、能获得高质量的阻挡扩散层U-GaN，可以有效阻止Mg元素从P型层向MQW层扩散，不增加额外非辐射复合中心，且使器件MQW层的发光性能提高，同时提高了抗ESD能力；
4）、能保持InGaN/GaN MQW不发生如传统LED结构中，在生长P型材料时温度高于MQW层的生长温度而造成的InGaN质量变差，从而保持MQW的发光性能；
5）、能保持InGaN电流扩展层不发生因传统LED结构中，在生长P型材料时温度高于InGaN电流扩展层的生长温度造成InGaN质量变差，保持InGaN作为电子储蓄池和电子发射区的特性，提高了LED的饱和电流工作能力；
6）、N、P层材料的对倒，在芯片工艺制作时电极跟着对倒，避免了传统平面电极中的N电极电流密度过大，避免造成靠近N电极的P/N节处的ESD击穿，因而可以提高LED的ESD水平；
以上益处可使LED获得高的内量子效率。此外，利用N-ZnO与N-GaN相似的光电性能特性，除了可以取代N-GaN作为LED的N型层，而且利用N-ZnO的折射率与GaN、空气的差别可减少结构内部全反射损失及控制形貌生长形成具有光子晶体特性的粗糙表面形貌，使得其对光学的萃取效率达到更高，增加了LED的外量子效率。
因而应用本发明的采用N-ZnO替代N-GaN发光二极管的制造方法所制造的N-ZnO/MQW/P-GAN/Substrate结构的LED，具有高的内外量子效率和高的器件可靠性，可促进LED行业的长足发展，有利于实现环保节能和可持续发展的目标。
附图说明
图1是现有GaN-LED的外延结构示意图。
图2是现有GaN-LED芯片的平面电极结构示意图。
图3是本发明具体实施方式中发光二极管的外延结构示意图。
图4是本发明具体实施方式中发光二极管芯片的平面电极结构示意图。
下面将结合附图对本发明作进一步详述。
具体实施方式
本具体实施方式的目的是提供一种新型的发光二级管外延结构及其制造方法，该方法简而言之是用N-ZnO层去替代现有发光二极管外延结构中的N-GaN层，该方法制造出的LED外延结构如图3所示，其结构包括：顺序生长在外延衬底材料（Substrate层）的低温氮化镓（ LT-GaN）或氮化铝（AlN）成核层、高温非掺杂氮化镓或氮化铝缓冲层（U-GaN层或U-AlN层）、P型氮化镓层（P-GaN层）、P型氮化镓铝层（P-AlGaN层）、P层与发光层的阻挡扩散层（U-GaN Barrier space layer）、多量子阱发光层(MQW InGaN/GaN)、InGaN电流扩展层(n-InGaN层)、N型氧化锌（N-ZnO）层和表面粗化的N-ZnO层。
为获得上述LED外延结构，本发明大致思路为：
利用生长GaN材料的MOCVD（Metal-organic Chemieal Vapor DePosition，金属有机化合物化学气相淀积）设备，在外延衬底材料上逐步外延生长出LT-GaN（或LT-AlN）成核层、高温非掺杂GaN（或AlN）缓冲层、P-GaN层、P-AlGaN层、P层与发光层的阻挡扩散层、MQW发光层、InGaN电流扩展层；再利用MOCVD、MBE（Molecular Beam Epitaxy，分子束外延）、PLD（脉冲激光沉积）或Sputter（溅射）设备生长出N-ZnO层和表面粗化的ZnO层。
制备以上发光二极管外延结构的具体步骤为：
1、外延衬底预处理
外延衬底预处理：将衬底材料放入MOCVD反应炉内高温、H2（氢气）气氛下进行表面清洁处理，以及通入NH3（氨气）进行表面预氮化处理，为后续的GaN材料外延生长做准备。
本处具体而言，热处理是控制MOCVD生长炉子内的温度为1120摄氏度，压力为100毫巴，处理时间为10分钟；预氮化在处理温度是530度，压力650毫巴，氮化2分钟。
2、生长成核层
以H2作为载气、较低的温度和压力下，通入NH3（氨气）、TMGa（三甲基镓）或TMAl（三甲基铝），在外延衬底上生长一定厚度的LT-GaN或LT-AlN层，作为后续高质量GaN或AlN材料生长的成核层。
本处调整MOCVD炉内温度至530摄氏度、压力控制为650毫巴，生长厚度为30nm的LT-GaN或LT-AlN成核层。
3、生长缓冲层
以H2作为载气、较高的温度和压力下，通入NH3、TMGa（或TMAl），在之前生长出的成核层上生长一定厚度的U-GaN或U-AlN层，作为后续生长高质量P-GaN层的缓冲层。
本处具体在温度1100摄氏度，压力控制为400毫巴，生长厚度为600nm的U-GaN或U-AlN缓冲层。
4、生长P-GaN层
以H2作为载气、较高的温度和压力下，通入NH3、TMGa、Cp2Mg（二茂镁），在高温非掺杂GaN或AlN缓冲层上生长一定厚度的P-GaN层。
生长P-GaN层期间为了提高P-GaN层的电导率，进行中断生长在线退火处理，作为LED结构中的P型导电层。中断生长在线退火处理过程是，生长一定厚度的P-GaN后，降低反应炉温度，切换反应炉气氛为氮气（ N2），提高反应炉压力，保持NH3的通入，停止TMGa、Cp2Mg的通入，持续一定时间。生长P-GaN和在线退火处理反复循环数次。
本步骤中P-GaN层生长参数是：温度1100摄氏度，压力控制为150毫巴，生长厚度为1um的高温P-GaN层。
在线退火处理参数是：温度750度，压力500毫巴，退火时间持续3分钟，每生长0.2um的P-GaN后中断生长在线退火一次，一共5次。
5、生长电子限制层
以H2作为载气、较高的温度和压力下，通入NH3、TMGa、TMAl、Cp2Mg，在P-GaN层上生长一定厚度的P-AlGaN层，作为电子限制层。
在生长完P-AlGaN层后，进行中断生长在线退火处理，以提高P-AlGaN的电导率，作为LED结构中的电子限制层。中断生长在线退火处理过程是，在生长完P-AlGaN层后，降低反应炉温度，切换反应炉气氛为氮气，提高反应炉压力，保持NH3的通入，停止TMGa、TMAl、Cp2Mg的通入，持续一定时间。
本处具体在温度1100摄氏度，压力控制为100毫巴，生长厚度为10nm的高温P-AlGaN层。在线退火处理参数是：温度750度，压力500毫巴，退火时间持续3分钟。
6、生长阻挡扩散层
以H2作为载气、较高的温度和压力下，通入NH3、TMGa，在P- AlGaN 层上生长一定厚度的非掺杂GaN层，作为LED结构中P层材料与发光层MQW的阻挡扩散层，防止Mg（镁）元素向MQW扩散。
本处具体在温度1100摄氏度，压力控制为400毫巴，生长厚度为15nm的高温P层与发光层的阻挡扩散层。
7、生长MQW发光层
以N2或H2作为载气、较低的温度和压力下，通入NH3、TMGa或TEGa（三乙基镓）、TMIn（三甲基铟）、SiH4（硅烷，或称四氢化硅），在P层与发光层的阻挡扩散层上生长数对量子阱InGaN/量子垒GaN，作为LED结构中MQW发光层。
本处生长的InGaN量子阱在N2作载气，温度750摄氏度；生长的GaN量子垒以H2作载气，温度850摄氏度，两者的生长均压力控制为400毫巴，生长量子阱厚度为2.5nm，生长量子垒厚度为8nm；生长量子阱和量子垒的对数为6对。
8、生长InGaN电流扩展层
以N2作为载气，较低的温度和压力下，通入NH3、TMGa或TEGa、TMIn、SiH4,在MQW发光层上生长一定厚度的InGaN，作为LED结构中的电流扩展层。
本处生长是在温度为800摄氏度，压力为400毫巴下，生长厚度为10nm的InGaN电流扩展层。
9、生长N-ZnO层
在生长完InGaN电流扩展层后，取出样品，放置在另外生长ZnO材料的MOCVD或MBE或PLD或Sputer设备中，在Ar（氩气）气氛，较低的温度和压力下，通入O2、DEZn（二乙基锌）、TMGa，生长一定厚度的N-ZnO层，作为LED结构中的N型导电层。
本处生长是选择MOCVD生长设备，在温度为500摄氏度，压力为50毫巴下，通入O2、DEZn（二乙基锌）、TMGa，生长厚度为250nm的N-ZnO层。
10、生长表面粗化的ZnO层
在Ar气氛，较低的温度和压力下，通入O2、DEZn、TMGa，生长一定厚度的N-ZnO作为LED结构中的表面粗化的n型导电ZnO层。
本处生长是选择MOCVD生长设备，在温度为400摄氏度，压力为20毫巴下，通入O2、DEZn、TMGa，生长厚度为200nm，表面粗糙的圆冠纳米柱状N-ZnO层。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种发光二极管外延结构，其特征在于，该发光二极管外延结构包括外延衬底，以及顺序生长在外延衬底一侧的：LT-GaN成核层、高温非掺杂缓冲层、P-GaN层、P-AlGaN层、阻挡扩散层、MQW发光层、InGaN电流扩展层、N-ZnO层和表面粗化的ZnO层。
2.一种发光二极管外延结构的制造方法，包括如下步骤：
S1）、外延衬底预处理：对外延衬底进行热处理及预氮化；
S2）、生长成核层：在预处理后的外延衬底上一层LT-GaN或LT-AlN层，作为后续生长高质量U-GaN层或U-AlN层的成核层；
S3）、生长缓冲层：在成核层上生长一层U-GaN层或U-AlN层，作为后续生长高质量P-GaN层的缓冲层；
S4）、生长P-GaN层：在缓冲层上生长P-GaN层；
S5）、生长P-AlGaN层：在P-GaN层上生长P-AlGaN层；
S6）生长阻挡扩散层：在P-AlGaN层上生长U-GaN层；
S7）生长MQW发光层：在U-GaN层上生长MQW发光层；
S8）生长InGaN电流扩展层：在MQW发光层上生长InGaN电流扩展层；
S9）生长N-ZnO层：在InGaN电流扩展层上生长N-ZnO层作为LED的N型导电层；
S10）生长表面粗化的ZnO层：在N-ZnO层上生长表面粗化的ZnO层，以提高外量子效率。
3.如权利要求2所述的一种发光二极管外延结构的制造方法，其特征在于，步骤S4）中具体而言是：以H2作为载气，控制温度为1050 至 1180摄氏度，压力为50 至800毫巴，通入NH3、TMGa、Cp2Mg，在缓冲层上生长厚度为200至2000纳米的P-GaN层。
4.如权利要求1-3任意一项所述的一种发光二极管外延结构的制造方法，其特征在于，生长P-GaN层期间，还进行了中断生长在线退火处理，具体而言是：生长20至500纳米厚度的P-GaN层后，降低反应炉温度到650至950摄氏度，切换反应炉气氛为氮气，提高反应炉压力到50至800毫巴，保持NH3的通入，停止TMGa、Cp2Mg的通入，持续0.5至10分钟；然后恢复生长P-GaN层，如此反复循环2至50次。
5.如权利要求2所述的一种发光二极管外延结构的制造方法，其特征在于，步骤S5）中具体而言是：以H2作为载气，控制温度为1050至1180摄氏度，压力为50至800毫巴，通入NH3、TMGa、TMAl、Cp2Mg，在P-GaN层上生长厚度为5至200纳米的P-AlGaN层。
6.如权利要求8所述的一种发光二极管外延结构的制造方法，其特征在于，生长P-AlGaN层期间，还进行了中断生长在线退火处理，具体而言是：生长5至20纳米厚度的P-AlGaN层后，降低反应炉温度到650 至 950摄氏度，切换反应炉气氛为氮气，提高反应炉压力到50至800毫巴，保持NH3的通入，停止TMGa、TMAl、Cp2Mg的通入，持续0.5 至10分钟；然后恢复生长P-AlGaN层，如此反复循环2至40次。
7. 如权利要求2所述的一种发光二极管外延结构的制造方法，其特征在于，步骤S6）中具体而言是：以H2作为载气，控制温度为1050 至 1180摄氏度，压力为50 至800毫巴，通入NH3和TMGa，在电子限制层上生长5至50纳米厚度的非掺杂GaN层作为阻挡扩散层。
8.如权利要求2所述的一种发光二极管外延结构的制造方法，其特征在于，步骤S8）中具体而言是：以N2作为载气，控制温度为700 至 900摄氏度，压力为50至800毫巴，通入NH3、TMGa（或TEGa）、TMIn、SiH4，在MQW发光层上生长5 至50纳米厚度的InGaN层作为电流扩展层。
9.如权利要求2所述的一种发光二极管外延结构的制造方法，其特征在于，步骤S9）中具体而言是：将生长完电流扩展层的样品，放置在ZnO层生长设备中，在氩气气氛下，控制温度为350至700摄氏度，压力为5至400毫巴，通入O2、DEZn、TMGa，生长50至5000纳米厚度的N-ZnO层，作为N型导电层；所述ZnO层生长设备为MOCVD、MBE、PLD、Sputer设备中的一种。
10.如权利要求2所述的一种发光二极管外延结构的制造方法，其特征在于，步骤S10）中具体而言是：在Ar气氛下，控制温度为350至 700摄氏度，压力为5至400毫巴，通入O2、DEZn、TMGa，生长50至5000纳米厚度的N-ZnO层，作为LED结构中的表面粗化的N型导电ZnO层。
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