CN104157751B - P型层粗化的发光二极管led生长方法 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例提供一种P型层粗化的发光二极管LED生长方法，该方法包括：温度为520～560℃时，在衬底上通入金属源，金属源跟氨气发生反应形成缓冲层；温度升高至800～1000℃时，缓冲层形成一非掺杂层；温度升高至1000～1100℃时，在非掺杂层表面生长一层N型掺杂层；在N型掺杂层表面生长一量子阱层；在量子阱层表面生长一P型掺杂层；降低温度至500～700℃，在P型掺杂层表面通入金属源，形成金属源薄层；温度升高至700～800℃，金属源薄层分解形成金属小球，金属小球和V族气体反应，形成球状晶体。本发明可以避免对器件结构造成不良伤害，且对芯片工艺无特别影响。
Description
技术领域
本发明实施例涉及发光二极管(Lighting Emitting Diode，简称LED)的生长技术，尤其涉及一种P型层粗化的LED生长方法。
背景技术
以氮化镓(GaN)为代表的宽禁带材料，是继硅(Si)和砷化镓(GaAs)之后的第三代半导体材料，用来制作发光二极管(LED)、激光器、探测器、高频高功率晶体管等电子器件。
虽然GaN-LED生产已经比较成熟，且运用面越来越广泛，目前在景观照明，路灯照明，背光源，室内照明等多个领域有很好表现。同时概念LED应用，智能LED的运用正在逐步流行起来。但是随着LED的广泛应用，LED还需要解决如何提高光效,降低成本,降低芯片发热量,提高LED使用寿命等问题，而这些问题全部都受到LED外量子效率(EQE)较低的制约。LED的外量子效率取决于内量子效率(IQE)和光提取效率(LEE)的乘积，因此，提高外量子效率的方法大致可以从提高内量子效率和光的提取效率两方面入手。由于GaN的折射率为2.4，光的出射角仅有24.6度，因此，光的提取效率仅有4.5％。于是，图形化衬底(PSS)被用来改善LED的外量子效率，2010年前后PSS研究引起了科研机构的广泛关注。同时纳米压印技术(Nanoimprinting)，纳米网格技术(SiN)、纳米柱技术(TiN)、表面粗化技术等都曾被用用来改善LED的光提取效率。
尽管近年来这些技术的使用使得GaN-LED取得了显著的光电性能提升，但GaN外延技术还存在很多有待挖掘的问题，GaN的生长技术还有进一步提高的空间。尤其是，现有的GaN-LED生长技术，会对器件结构造成不良伤害，影响芯片工艺。
发明内容
本发明实施例提供一种P型层粗化的LED生长方法，避免对器件结构造成不良伤害，且对芯片工艺无特别影响。
第一方面，本发明实施例提供一种P型层粗化的发光二极管LED生长方法，所述方法包括如下步骤：
(1)温度为520～560℃时，在衬底上通入金属源，所述金属源跟氨气发生反应形成缓冲层；
(2)温度升高至800～1000℃时，所述缓冲层形成一非掺杂层；
(3)温度升高至1000～1100℃时，在所述非掺杂层表面生长一层N型掺杂层；
(4)在所述N型掺杂层表面生长一量子阱层；
(5)在所述量子阱层表面生长一P型掺杂层；
(6)降低温度至500～700℃，在所述P型掺杂层表面通入金属源，形成金属源薄层；
(7)温度升高至700～800℃，所述金属源薄层分解形成金属小球，所述金属小球和V族气体反应，形成球状晶体；其中，所述金属小球的大小和分布能够通过通入金属源的温度、流量和时间来控制。
在第一方面的第一种可能的实现方式中，所述缓冲层为以下任一一种或混合物：氮化镓；氮化铟；氮化铝。
在第一方面的第二种可能的实现方式中，所述衬底为以下任一一种：
蓝宝石；硅；碳化硅；玻璃；铜；镍。
在第一方面的第三种可能的实现方式中，所述非掺杂层的厚度为500～2000nm。
在第一方面的第四种可能的实现方式中，所述N型掺杂层的厚度为500～3500nm。
在第一方面的第五种可能的实现方式中，所述量子阱的周期数为2～20。
在第一方面的第六种可能的实现方式中，所述P型掺杂层的厚度为0～500nm。
在第一方面的第七种可能的实现方式中，所述金属源为以下任一一种或组合：镓；铟；铝；镁。
在第一方面的第八种可能的实现方式中，所述金属源薄层的厚度为0～10nm。
在第一方面的第九种可能的实现方式中，所述球状晶体的大小为纳米级。
本发明实施例提供的P型层粗化的LED生长方法，本发明异于其他表面粗化的地方为，本发明不会对器件结构不造成不良伤害，在P型层结束之后直接生长形成，无需二次加工，且对芯片工艺无特别影响。同时本发明产生的表面粗糙颗粒为纳米级，此纳米级粗糙颗粒能够更加有效提高LED的出光效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的LED器件P型层表面金属源薄层示意图；
图2为本发明实施例提供的LED器件P型层表面球形状晶体形成示意图；
图3为本发明实施例提供的P型层粗化的LED生长方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图3为本发明实施例提供的P型层粗化的LED生长方法的流程图。如图3所示，所述方法包括：
301、温度为520～560℃时，在衬底上通入金属源，所述金属源跟氨气发生反应形成缓冲层；
当衬底材料(图2的201层)的表面温度升高到530℃左右时，通入金属源和氨气(NH3)反应3-5分钟，金属源和NH3在此温度下分解并发生化学反应，形成无定型的缓冲生长层。所述金属源反应物及缓冲层具有下列特性：能够在高温时分解成金属原子；金属原子能够和N原子发生反应，形成如图所示的无定型的GaN缓冲层；缓冲层的厚度可以为10～50nm。
302、温度升高至800～1000℃时，所述缓冲层形成一非掺杂层；
将反应室温度提高到800～1000℃，此时缓冲层进行分解聚合，形成均匀分布的成核岛，随后在此基础上压力维持在200～600托，通入三甲基镓和NH3，使晶核岛长大并合并，不掺入任何杂质形成未掺杂的GaN层此层厚度大概为500～2000nm，如图2的202层。
303、温度升高至1000～1100℃时，在所述非掺杂层表面生长一层N型掺杂层；
反应室继续升温至1000～1100℃，反应室压力控制在200～600托。在GaN的生长过程中掺入N型杂质，形成N型GaN，在5×1018cm-3～5×1019cm-3之间，此层的厚度可以为500～3500nm，如图2中203层。
304、在所述N型掺杂层表面生长一量子阱层；
在已经生长好的低掺N型GaN上生长量子阱层，量子阱采用GaN/InGaN多量子阱的结构，周期厚度为5～30nm(其中阱宽为2～5nm，垒宽为5～25nm)，其周期数为2～20；此量子阱层如图2中的204层，生长温度控制在700～900℃，反应室压力控制在100～650托。
305、在所述量子阱层表面生长一P型掺杂层；
在已生长好的205层多量子阱的结构上生长掺Mg的GaN层，此层的厚度为0～500nm，掺Mg浓度可以为1x1017～1x1020cm-3，此层为LED结构的P型GaN层，如图2中的205层，生长温度控制在800～1000℃，反应室压力控制在100～500托。
306、降低温度至500～700℃，在所述P型掺杂层表面通入金属源，形成金属源薄层；
307、温度升高至700～800℃，所述金属源薄层分解形成金属小球，所述金属小球和V族气体反应，形成球状晶体；其中，所述金属小球的大小和分布能够通过通入金属源的温度、流量和时间来控制。
温度降低至500～700℃，单独通入一种或多种金属源，形成0～10nm的金属源薄层；升高温度至700～800℃，金属源分解形成金属小球，随后通入NH3，金属小球跟NH3发生反应，形成纳米级球状晶体；因此球状晶体的大小为纳米级，故其在P形成表面出现使得器件能形成很好的粗化效果。并且可以通过控制金属源的厚度来精确控制球状晶体的大小，以便更好地实现器件结构设计。
本发明实施例通过直接在P型表面利用炉内生长模式，直接生长所得。其中：图1为本发明实施例提供的LED器件P型层表面金属源薄层示意图，101为衬底材料；102非掺杂层，103为N型掺杂层，104为量子阱结构层，105为P型层，106为表面金属薄层；图2为明实施例提供的LED器件P型层表面球形状晶体形成示意图，201为衬底材料；202非掺杂层，203为N型掺杂层，204为量子阱结构层，205为P型层，206为表面金属薄层。
以上所述衬底可以是蓝宝石、图形化蓝宝石(PSS)、Si、SiC、ZnO、玻璃、铜等其中一种。
所述缓冲层可以是氮化镓(GaN)、氮化铟(InN)、氮化铝(AlN)的其中一种或混合物。
所述LED的外延可以是金属有机化学气相沉积(M℃VD)、分子束外延(MBE)、氢化物气相外延(HVPE)。
所述P型层表面通入的金属源可以是镓，铟，铝，镁等有机金属源的一种或多种。
所述P型层表面形成的球形状晶体的大小为纳米级，且其大小和分布可控。
本发明实施例提供的一种P型层粗化的LED生长方法具有以下突出优点：
(1)新型P型层粗化不会对后面的芯片制程产生影响，能够保证器件的电学性能稳定；
(2)新型P型层粗化球形状晶体为纳米级，能够更加有效提高光提取效率；
(3)新型P型层粗化形状晶体的大小和分布可控；
(4)新型P型层粗化可以应用在所有LED结构中；
(5)新型P型层表面粗化方法简单易行，容易实现产业化。
本发明实施例的基本原理是在正常LED的P型层表面均匀地铺一层一定厚度的金属源(如图1的106层)。此金属源在一定的温度下发生分解反应，会在P型层表面形成金属颗粒状小球。此金属颗粒状小球能够在一定温度下与V族源气体反应，形成球形状晶体，量子阱发出的光提供在这些表面球形状晶体上形成折射，能有效提升光的提取性能。本发明实施例的中，生长设备可以是以下任意一种：金属有机化学气相沉积设备(MOCVD)、分子束外延设备(MBE)、氢化物气相外延设备(HVPE)。
本发明提供的P型层粗化的LED生长方法，本发明异于其他表面粗化的地方为，本发明不会对器件结构不造成不良伤害，在P型层结束之后直接生长形成，无需二次加工，且对芯片工艺无特别影响。同时本发明产生的表面粗糙颗粒为纳米级，此纳米级粗糙颗粒能够更加有效提高LED的出光效率。
具体实施例一：
P型层粗化的GaN蓝光LED(采用GaN球状晶体作为粗化介质)
1、在维易科M℃VD K465I机台上，使用图形蓝宝石衬底，当衬底材料(图2201层)的表面温度升高到530℃左右时，保持生长压力为500托。通入三甲基镓(60ml/min)和氨气(NH3)50l/min反应3分钟，三甲基镓和NH3在此温度下分解并发生化学反应，形成无定型的缓冲生长层，此层的厚度为20nm。
2、将反应室温度提高到1000℃，此时缓冲层进行分解聚合，形成均匀分布的成核岛，随后在此基础上压力维持在500托，通入三甲基镓(200ml/min)和NH350l/min反应30分钟。此生长过程能使晶核岛长大并合并，不掺入任何杂质形成未掺杂的GaN层此层厚度大概为1000nm，降低压力至200托，继续生长30分钟，形成无掺杂的GaN层2000nm，如图2的202层。
3、反应室继续升温至1020℃，反应室压力控制在200托，通入三甲基镓(300ml/min)和NH360l/min反应45分钟。在GaN的生长过程中掺入N型杂质硅(Si)，掺杂浓度为9×1018cm-3。此层的厚度为1500nm，如图2的203层。
4、在已经生长好的N型GaN上生长量子阱层，量子阱采用GaN/InGaN多量子阱的结构。将反应室温度降至840℃，压力调为200托，通入氮气、三乙基镓(360ml/min)氨气，在氮气气氛下生长GaN量子垒，掺入Si杂质，掺杂浓度为1×1018cm-3。生长时间为3分钟，厚度为12nm；继续将反应室温度降至760℃，压力维持在300托，通入氮气、三乙基镓(120ml/min)、三甲基铟(400ml/min)和氨气，在氮气气氛下生长InGaN量子阱，生长时间为2分钟，厚度为3nm，In含量约为10％；以上两步循环生长6个周期，形成6个周期的GaN/InGaN量子阱结构，如图2的204层。
5、将温度升至900℃，压力调为200托，通入氮气、三乙基镓(360ml/min)和氨气，掺入Mg杂质，Mg的掺杂浓度为1×1019cm-3。生长时间为10分钟，此层为LED结构的P型GaN层，如图2的205层。
6、将温度降低至600℃，压力为200托，通入氮气，三乙基镓(120ml/min)1分钟；在此基础上将温度升高至750℃，通入NH3，由此在P型层表面形成GaN的球状晶体，此晶体的大小约为200nm，如图2的206层。
7、对此LED进行退火处理，显微镜可观察到表面呈粗糙状。芯片加工成1mm2大小的芯片，通入350mA的电流，发光波长约460nm，正向电压为3.05V，发光效率为180lm/W，且抗静电能力在人体模式下4000V通过率为98％。
具体实施例二：
P型层粗化的GaN蓝光LED(采用AlN球状晶体作为粗化介质)
1、在维易科M℃VD K465I机台上，使用图形蓝宝石衬底，当衬底材料(图2的201层)的表面温度升高到530℃左右时，保持生长压力为500托。通入三甲基镓(60ml/min)和氨气(NH3)50l/min反应3分钟，三甲基镓和NH3在此温度下分解并发生化学反应，形成无定型的缓冲生长层，此层的厚度为20nm。
2、将反应室温度提高到1000℃，此时缓冲层进行分解聚合，形成均匀分布的成核岛，随后在此基础上压力维持在500托，通入三甲基镓(200ml/min)和NH350l/min反应30分钟。此生长过程能使晶核岛长大并合并，不掺入任何杂质形成未掺杂的GaN层此层厚度大概为1000nm，降低压力至200托，继续生长30分钟，形成无掺杂的GaN层2000nm，如图2的202层。
3、反应室继续升温至1020℃，反应室压力控制在200托，通入三甲基镓(300ml/min)和NH360l/min反应45分钟。在GaN的生长过程中掺入N型杂质硅(Si)，掺杂浓度为9×1018cm-3。此层的厚度为1500nm，如图2的203层。
4、在已经生长好的N型GaN上生长量子阱层，量子阱采用GaN/InGaN多量子阱的结构。将反应室温度降至840℃，压力调为200托，通入氮气、三乙基镓(360ml/min)氨气，在氮气气氛下生长GaN量子垒，掺入Si杂质，掺杂浓度为1×1018cm-3。生长时间为3分钟，厚度为12nm；继续将反应室温度降至760℃，压力维持在300托，通入氮气、三乙基镓(120ml/min)、三甲基铟(400ml/min)和氨气，在氮气气氛下生长InGaN量子阱，生长时间为2分钟，厚度为3nm，In含量约为10％；以上两步循环生长6个周期，形成6个周期的GaN/InGaN量子阱结构，如图2的204层。
5、将温度升至900℃，压力调为200托，通入氮气、三乙基镓(360ml/min)和氨气，掺入Mg杂质，Mg的掺杂浓度为1×1019cm-3。生长时间为10分钟，此层为205 P型GaN层，如图2的205层。
6、将温度降低至650℃，压力为200托，通入氮气，三甲基铝(50ml/min)2分钟；在此基础上将温度升高至800℃，通入NH3，由此在P型层表面形成AlN的球状晶体，此晶体的大小约为150nm，如图2的206层。
7、对此LED进行退火处理，显微镜可观察到表面呈粗糙状。芯片加工成1mm2大小的芯片，通入350mA的电流，发光波长约460nm，正向电压为3.05V，发光效率为180lm/W，且抗静电能力在人体模式下4000V通过率为98％。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (7)
1.一种P型层粗化的发光二极管LED生长方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)温度为520～560℃时，在衬底上通入金属源，所述金属源跟氨气发生反应形成缓冲层；
(2)温度升高至800～1000℃时，所述缓冲层形成一非掺杂层；
(3)温度升高至1000～1100℃时，在所述非掺杂层表面生长一层N型掺杂层；
(4)在所述N型掺杂层表面生长一量子阱层；
(5)在所述量子阱层表面生长一P型掺杂层；
(6)降低温度至500～700℃，在所述P型掺杂层表面通入金属源，形成金属源薄层；
(7)温度升高至700～800℃，所述金属源薄层分解形成金属小球，所述金属小球和V族气体反应，形成球状晶体；其中，所述金属小球的大小和分布能够通过通入金属源的温度、流量和时间来控制；
其中，所述金属源为以下任意一种或组合：镓；铟；铝；镁；
所述金属源薄层的厚度为0～10nm；
所述球状晶体的大小为纳米级。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述缓冲层为以下任意一种或混合物：氮化镓；氮化铟；氮化铝。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述衬底为以下任意一种：
蓝宝石；硅；碳化硅；玻璃；铜；镍。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述非掺杂层的厚度为500～2000nm。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述N型掺杂层的厚度为500～3500nm。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述量子阱的周期数为2～20。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述P型掺杂层的厚度为0～500nm。
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