CN103904169A - 一种led外延结构的生长方法及其设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及LED制备技术领域，这种LED外延结构的生长方法包括步骤Ⅰ：在第一反应腔中，在生长有第一半导体层的基底上生长量子阱层；然后在所述量子阱层上生长用于防止所述量子阱层受污染的隔离层。步骤Ⅱ：将所述生长有隔离层的基底通过转移通道转移到第二反应腔中，刻蚀隔离层后生长第二半导体层。本发明还提供这种外延结构生长设备，包括样品台以及用于所述样品台从一反应腔转移至另一反应腔的转移通道，所述转移通道充有保护气体，且控制所述保护气体压强不高于所述任一反应腔内的压强。本发明能提高量子阱层的稳定性能，大大加强LED的产品质量。
Description
技术领域
本发明涉及发光二极管技术领域，具体涉及一种多反应室生长不同生长层工艺的LED外延结构的制作及转移方法。
背景技术
现有技术中，LED外延片的第一半导体层、量子阱层、第二半导体层通常在同一反应腔中沉积完成，因为不同层中的参杂物质不相同，所述第一半导体层、量子阱层、第二半导体层都在同一反应中沉积完成是，所述第一半导体层、量子阱层、第二半导体层之间很容易发生交叉污染；为解决LED外延片的第一半导体层、量子阱层、第二半导体层之间的交叉污染为题，现有技术中提出了将LED外延片的第一半导体层、量子阱层、第二半导体层分别在三个反应腔中沉积形成，这就需要使得生长有第一半导体层或生长有量子阱层的基底在不同反应腔之间转移。由于需要在不同的反应腔中转移后，所述第一半导体层或所述量子阱层容易在一个反应腔到另一反应腔中的转移过程中受到污染，尤其是使得量子阱层会受到污染。其污染主要是现有的传输通道中虽然已设置为近真空的状态，但通常仍然会存在有水气或氧气，如此氧原子可能进入到量子阱层中，会使量子阱层受到损害，导致发光效率降低。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种LED外延结构的生长方法以及其生长设备。
步骤Ⅰ：在第一反应腔中，在生长有第一半导体层的基底上生长量子阱层；然后在所述量子阱层上生长用于防止所述量子阱层受污染的隔离层。
步骤Ⅱ：将所述生长有隔离层的基底通过转移通道转移到第二反应腔中，刻蚀隔离层后生长第二半导体层。
优选地，所述转移通道填充有保护气体，
优选地，所述转移通道与所述任一反应腔连通时，所述保护气体压强不高于所述任一反应腔内的压强。
优选地，所述保护气体压强为20～40千帕。
优选地，所述保护气体为N2和/或NH3。
优选地，所述转移通道的工作温度为400~600℃。
优选地，所述隔离层的材质与所述量子垒的材质一致，所述步骤Ⅰ中隔离层的生长厚度为1~3个量子垒厚度。隔离层的设置能保证量子阱层免受污染。
优选地，所述步骤Ⅱ中的隔离层被完全刻蚀。
优选地，所述量子阱层的材质是InGaN/GaN、InAlGaN/GaN、InGaN/AlGaN或InAlGaN/AlGaN；所述第一半导体层的材质是n型GaN；所述第二半导体层的材质是p型GaN。
优选地，所述隔离层的材质是无掺杂的GaN。
优选地，所述基底与所述第一半导体层之间还包括缓冲层；所述缓冲层的材质是多晶GaN。
本发明还提供这种LED外延结构生长设备，其包括第一反应腔、第二反应腔和连接所述第一反应腔与所述第二反应腔的转移通道，所述第一反应腔用于在生长有第一半导体层的基底上生长量子阱层；并用于在所述量子阱层上生长用于防止所述量子阱层受污染的隔离层；所述第二反应腔用于刻蚀隔离层后生长第二半导体层。
优选地，所述生长设备还包括与所述转移通道连接的保护气体源，所述保护气体源用于向所述转移通道填充保护气体。
优选地，当所述转移通道与所述任一反应腔连通时，保护气体压强不高于所述任一反应腔内的压强。
其中，所述生长设备还包括与所述转移通道连接的气体压强控制器，所述气体压强控制器用于控制所述保护气体压强为20～40千帕。
优选地，所述保护气体为N2和/或NH3。
优选地，所述生长设备还包括与所述转移通道连接的温度控制器，所述温度控制器用于控制所述转移通道的工作温度为400~600℃。
有益效果：本发明提供的LED外延结构的生长方法，在独立反应腔制作量子阱层的基础上，引入隔离层的生长和刻蚀步骤，使量子阱层从一个反应腔通过所述转移通道转移到另一反应腔的过程中具有隔离层的保护而免受污染。同时对转移通道的进行保护气体的填充以及温度控制，更进一步加强了转移过程对量子阱层的保护，有效稳定及提高量子阱层的性能。
附图说明
图1是一种LED外延结构示意图。
图2是本发明实施例的LED外延结构生长设备示意图。
图3是本发明另一实施例的LED外延结构生长设备示意图。
具体实施方式
下面，将结合附图对本发明作详细说明。
如图1所示，其展示了一种LED外延结构，其包括依次层叠的基底1、缓冲层2、第一半导体层3、量子阱层4、第二半导体层5。其中，所述基底1优选的为蓝宝石衬底，所述缓冲层2为多晶GaN、所述第一半导体层3为n型GaN、量子阱层4为InGaN/GaN量子阱、第二半导体层5为p型GaN。
下面，结合图2所示，介绍这种LED外延结构的生长方法及设备，为了配合该工艺方法的实施，本实施例对LED外延结构生长设备作出改进。这种生长设备至少包括第一反应腔10、第二反应腔20和连接所述第一反应腔10与所述第二反应腔20的转移通道8，所述第一反应腔10用于在生长有第一半导体层3的基底1上生长量子阱层4；并用于在所述量子阱层4上生长用于防止所述量子阱层4受污染的隔离层6；所述第二反应腔20用于刻蚀隔离层6后生长第二半导体层5。
其中，所述LED外延结构的生长设备还包括分别与所述转移通道8连接的保护气体源、气压控制器以及温度控制器；所述保护气体源用于向所述转移通道8填充保护气体；所述生长设备还包括与所述转移通道8连接的气体压强控制器，所述气体压强控制器用于控制所述保护气体压强为20～40千帕；所述温度控制器用于控制所述转移通道8的工作温度为400~600℃。
这种LED外延结构的生长方法，包括如下步骤：
步骤Ⅰ：在第一反应腔10中，在生长有缓冲层2、第一半导体层3的基底1上生长量子阱层4；然后在所述量子阱层4上生长用于防止量子阱层4受污染的隔离层6。
其中，本实施例的LED外延结构的基底1、缓冲层2和第一半导体层3的制作过程是：控制第一反应腔10炉温在530℃左右,在蓝宝石基底1上生长一层300A厚的GaN缓冲层2，此为非晶缓冲层。然后炉温升至1150℃，将非晶缓冲层通过高温形成多晶GaN缓冲层2，整个反应过程约需30～120min。生长完成后可以在同一反应腔内继续生长所述第一半导体层3。本实施例中是在第一反应腔10中，将炉温控制至1160℃，生长GaN的同时掺Si(浓度5~108/cm3)，反应时间约为1小时；以形成N型GaN层，所述N型GaN层为第一半导体层3。
接下来在生长有第一半导体层3的基底1上生长量子阱层4，其中所述量子阱层4为量子阱层。首先是将炉温降至750℃，先长一层厚度为1.5nm~3nm厚度的InGaN，从而形成量子阱；接着生长一层厚度为8nm~20nm的GaN，从而形成量子垒；连续数次InGaN、GaN交替生长后形成所述量子阱层，整个量子阱层厚度为60nm~200nm。通过调整掺In的浓度可调整波长，反应用时约80min。
量子阱层4生长完毕后控制炉温不高于850℃，在量子阱层4上生长3~4个量子垒厚（27~36nm）的无掺杂GaN，形成所述隔离层6。隔离层6的引入一方面它就是一个保护层，能防止第二半导体层5的P型GaN中Mg扩散到量子阱层4的量子阱中。同样地，量子阱层4转移过程中，隔离层6树立了一道保护墙，外部的污染物（例如水气和氧气中的氧原子）难透过隔离层进去，破坏量子阱层。
步骤Ⅱ：将所述生长有隔离层6的基底1通过转移通道8转移到第二反应腔20中，刻蚀隔离层6后生长第二半导体层5。
其中，
为配合基底1从第一反应腔10转移至第二反应腔20内，所述转移通道8填充有保护气体；当所述转移通道8与所述任一反应腔连通时，保护气体压强不高于所述任一反应腔内的压强。
针对具体实施例中，保护气体的种类、实际压强及通道温度均可以有所调整。例如，在本实施例中，转移通道8通过阀门（图中未示出）分别与第一反应腔10及第二反应腔20连接。为保持转移通道8与两反应腔内气压平衡，在阀门开启进行转移前，需要先通入保护气体，优选地，所述通入到转移通道8中气体的压力，使得在所述第一反应腔10与所述转移通道8之间的阀门开启时，转移通道8中的气体不会流入到第一反应腔10中，造成对第一反应腔10的污染。转移过程中，关闭阀门，保持转移通道8中的保护气体气压，同时控制转移通道8温度。从程序和生产来说，转移的时候温度越高越好（以隔离层的生长温度为上限大约为850℃左右），因为当基底1被转移到所述第二反应腔20后仍需要将所述基底1加热到一个较高的温度以沉积薄膜，但是从安全和硬件设计难度和硬件材质要求高低来说，这个温度越低越好。因此，本实施方式中，所述转移通道8内的温度优选控制在400~600℃内；在本实施对转移通道8中可以设置有加热器（图中未示出）对转移通道8进行加热，例如所述加热器可以是红外灯或发热电阻。当基底1逐渐接近第二反应腔20，同理，开启阀门时，控制转移通道8内的气压不高于第二反应腔20的气压。
本实施例的保护气体采用了氨气（NH3）及氮气（N2）。在较高温度下（500℃以上）防止GaN被腐蚀的保护气体较佳为NH3，N2这时候起的作用不是很大。但在较低温度下（500℃以下），随着温度的降低，NH3起保护作用越来越弱，而N2起的保护作用是基本固定的，在这个整个温度段随温度改变不大。故如果在高温下转移，也就是500℃以上，这个时候一定或者说最好加NH3，也就是在转移的通道中要通NH3，但是通NH3对硬件的抗腐蚀要求比较高，并且对通道的真空密封性要求很高。在实际转移过程中，可以根据隔离层5具体材质的性质而确定合适的加热温度和保护气体。
在本实施例中，隔离层5为无掺杂GaN，控制转移通道8的加热温度为500℃以上，采用NH3为保护气体，控制气体压强为20~40千帕；当所述转移通道8的加热温度为500℃以内时，采用N2为保护气体，控制气体压强为20~40千帕。
待基底1从第一反应腔10转移到第二反应腔20中，关闭阀门。在所述第二反应腔20中，首先是要对加厚的隔离层6进行必要的刻蚀。在本实施例中控制第二反应腔温度为1000℃，通入N2对所述隔离层6进行腐蚀。为更佳地控制刻蚀速度，可以在通入的N2的同时通入NH3，即通入N2和NH3的混合气体，其中所述混合气体的流量为50sccm，控制所述第二反应腔20内的压力为30千帕，处理时间为3分钟，完全腐蚀掉GaN，由于N2环境下GaN分解速率过快外延层表面不平整，NH3可以减缓GaN分解，同时使得外延层表面平整。在其他实施例中，也可以根据需要刻蚀余下很薄的一层隔离层6。
隔离层6处理完毕后便可以进行第二半导体层5的制作。可以将炉温升至1020℃，生长GaN的同时掺Mg（浓度5E19/cm3），反应时间约20min。保持炉温在1020℃，长生GaN的同时掺Mg（浓度1E20/cm3），生长50nm掺Mg的GaN，反应需时间约2min。最后炉温降至700℃，加热20min，激活Mg的导电性。第二半导体层5对硬件的漂移产生贡献不是很大，同时对漂移相对来说也不是很敏感。
最后，待第二半导体层5生长完毕，降温，完成完整的LED外延结构。
在其他实施例中基底1、缓冲层2和第一半导体层3可以分别在独立的反应腔中生长，如图3所示，缓冲层2、第一半导体层3分别在第三反应腔30、第四反应腔40中生长形成的。在各个反应腔之间均设有转移通道8，所述转移通道8与第一反应腔10与所述第二反应腔20之间的转移通道8相同；所述转移通道8与第一反应腔10与所述第二反应腔20之间的转移通道8不相同，转移通道8中可以是处于真空状况。
在其他实施例中，LED外延结构还可以采用其他材料制作，例如量子阱层还可以是InAlGaN/GaN、InGaN/AlGaN或InAlGaN/AlGaN形成的量子阱层。所述隔离层的材质与量子垒的材质一致，根据量子阱层中的量子垒层作出调整。
通过独立的反应腔生长外延层，不但可以使对硬件漂移最敏感的量子阱层4更加稳定，提供LED的产品质量，也可以根据各个反应腔的特征，重新选择合适的材质和检测系统，甚至重新进行差异化设计，使得温度、反应气体流量等更为准备可靠，更有利于硬件的维护和生长的精确控制，达到延长机器整体寿命的目的。另外，在量子阱层的转移过程中，加入隔离层及保护气体，进一步保证了量子阱层的量子阱不失效，确保量子阱层良好的稳定性。通过对反应腔之间的转移通道进行改进，充入保护气体以及温度配合，进一步保证了量子阱层在转移过程中免受污染。
Claims (17)
1.一种LED外延结构的生长方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤Ⅰ：在第一反应腔中，在生长有第一半导体层的基底上生长量子阱层；然后在所述量子阱层上生长用于防止所述量子阱层受污染的隔离层。
步骤Ⅱ：将所述生长有隔离层的基底通过转移通道转移到第二反应腔中，刻蚀隔离层后生长第二半导体层。
2.根据权利要求1所述LED外延结构的生长方法，其特征在于，所述转移通道填充有保护气体。
3.根据权利要求2所述LED外延结构的生长方法，其特征在于，当所述转移通道与所述任一反应腔连通时，保护气体压强不高于所述任一反应腔内的压强。
4.根据权利要求2所述LED外延结构的生长方法，其特征在于，所述保护气体压强为20～40千帕。
5.根据权利要求2或3或4所述LED外延结构的生长方法，其特征在于，所述保护气体为N2和/或NH3。
6.根据权利要求5所述LED外延结构的生长方法，其特征在于，所述转移通道的工作温度为400~600℃。
7.根据权利要求1所述LED外延结构的生长方法，其特征在于，所述步骤Ⅰ中所述隔离层的材质与量子垒的材质一致；所述隔离层的生长厚度为1~3个量子垒厚度。
8.根据权利要求1所述LED外延结构的生长方法，其特征在于，所述步骤Ⅱ中的隔离层被完全刻蚀。
9.根据权利要求1所述LED外延结构的生长方法，其特征在于，所述量子阱层是InGaN/GaN、InAlGaN/GaN、InGaN/AlGaN或InAlGaN/AlGaN量子阱层；所述第一半导体层的材质是n型GaN；所述第二半导体层的材质是p型GaN。
10.根据权利要求9所述LED外延结构的生长方法，其特征在于，所述隔离层的材质是无掺杂的GaN。
11.根据权利要求9所述LED外延结构的生长方法，其特征在于，所述基底与所述第一半导体层之间还包括缓冲层；所述缓冲层的材质是多晶GaN。
12.一种LED外延结构生长设备，其包括第一反应腔、第二反应腔和连接所述第一反应腔与所述第二反应腔的转移通道，其特征在于：所述第一反应腔用于在生长有第一半导体层的基底上生长量子阱层；并用于在所述量子阱层上生长用于防止所述量子阱层受污染的隔离层；所述第二反应腔用于刻蚀隔离层后生长第二半导体层。
13.根据权利要求12所述LED外延结构生长设备，其特征在于，所述生长设备还包括与所述转移通道连接的保护气体源，所述保护气体源用于向所述转移通道填充保护气体。
14.根据权利要求13所述LED外延结构生长设备，其特征在于，当所述转移通道与所述任一反应腔连通时，保护气体压强不高于所述任一反应腔内的压强。
15.根据权利要求13所述LED外延结构生长设备，其特征在于，所所述生长设备还包括与所述转移通道连接的气体压强控制器，所述气体压强控制器用于控制所述保护气体压强为20～40千帕。
16.根据权利要求13或14或15所述LED外延结构生长设备，其特征在于，所述保护气体为N2和/或NH3。
17.根据权利要求13或14所述LED外延结构生长设备，其特征在于，所述生长设备还包括与所述转移通道连接的温度控制器，所述温度控制器用于控制所述转移通道的工作温度为400~600℃。
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2012
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