CN104201263A - 发光二极管外延及发光二极管电子阻挡层的生长方法 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例提供一种发光二极管外延及发光二极管电子阻挡层的生长方法，其中，发光二极管外延的生长方法包括：在衬底上，从下至上依次生长非掺杂层、N型掺杂层及量子阱发光层；在所述量子阱发光层上，从下至上依次生长氮化镓铝AlGaN电子阻挡层和P型掺杂层，其中，随着所述AlGaN电子阻挡层的生长厚度的增加，AlGaN电子阻挡层中Al组份的含量按照梯度变化。本实施例通过利用渐变的晶格尺寸可以降低外延界面层晶格失配度，有效阻断量子阱区产生的V形缺陷对P型区的影响，同时由于渐变的能级结构设计可以有效阻挡电子进入P型空穴区，提高电子在量子阱有源区与空穴的复合效率。
Description
技术领域
本发明实施例涉及半导体制造技术，尤其涉及一种发光二极管外延及发光二极管电子阻挡层的生长方法。
背景技术
提高量子阱的内量子效率一直是发光二极管(Light Emitting Diode，简称LED)外延结构设计的一大难题，传统的做法是在量子阱上生长氮化镓铝(AlGaN)电子阻挡层，其目的是阻挡电子进入P型区，以增大电子在所述量子阱区与空穴的复合效率。
但现有技术中，直接在氮化镓(GaN)上生长高铝(Al)组份的AlGaN时，由于两者之间晶格相差太大，在界面处会造成晶格失配，结晶质量差等问题。
发明内容
本发明提供了一种发光二极管外延及发光二极管电子阻挡层的生长方法，该方法将采用梯度式方法生长发光二极管电子阻挡层以降低外延界面层晶格失配度，减小V型缺陷对P型结构层的影响，提高电子与空穴在量子阱有源区的复合效率。
本发明实施例提供一种发光二极管外延的生长方法，包括：
在衬底上，从下至上依次生长非掺杂层、N型掺杂层及量子阱发光层；
在所述量子阱发光层上，从下至上依次生长氮化镓铝AlGaN电子阻挡层和P型掺杂层，其中，随着所述AlGaN电子阻挡层的生长厚度的增加，AlGaN电子阻挡层中Al组份的含量按照梯度变化。
可选地，所述AlGaN电子阻挡层包括从下至上的多个AlGaN电子阻挡单层，所述AlGaN电子阻挡单层是指Al组份含量相同的层，所述AlGaN电子阻挡层中的各AlGaN电子阻挡单层的厚度从下至上按照梯度变化。
可选地，所述AlGaN电子阻挡层中Al组份的含量按照梯度变化，包括：
所述Al组份的含量按照渐变式梯度变化，或者，所述Al组份的含量按照跃迁式梯度变化；其中，所述渐变式梯度变化中，Al组份的含量为依次连续变化的数值；所述跃迁式梯度变化中，Al组份含量的变化值为固定数值。
可选地，所述AlGaN电子阻挡层中Al组份的含量从高组份含量到低组份含量按照所述梯度变化，或者，所述AlGaN电子阻挡层中Al组份的含量从低组份含量到高组份含量按照所述梯度变化。
可选地，所述衬底的材质为蓝宝石图形化衬底、蓝宝石平片衬底、硅外延衬底中的任一种。
本发明实施例提供一种发光二极管电子阻挡层的生长方法，包括：在量子阱发光层上生长氮化镓铝AlGaN电子阻挡层，其中，随着所述AlGaN电子阻挡层的生长厚度的增加，AlGaN电子阻挡层中Al组份的含量按照梯度变化。
可选地，所述AlGaN电子阻挡层包括从下至上的多个AlGaN电子阻挡单层，所述AlGaN电子阻挡单层是指Al组份含量相同的层，所述AlGaN电子阻挡层中的各AlGaN电子阻挡单层的厚度从下至上按照梯度变化。
可选地，所述AlGaN电子阻挡层中Al组份的含量按照梯度变化，包括：
所述Al组份的含量按照渐变式梯度变化，或者，所述Al组份的含量按照跃迁式梯度变化；其中，所述渐变式梯度变化中，Al组份的含量为依次连续变化的数值；所述跃迁式梯度变化中，Al组份含量的变化值为固定数值。
可选地，所述AlGaN电子阻挡层中Al组份的含量从高组份含量到低组份含量按照所述梯度变化，或者，所述AlGaN电子阻挡层中Al组份的含量从低组份含量到高组份含量按照所述梯度变化。
本发明提供的发光二极管外延的生长方法，通过在衬底上，从下至上依次生长非掺杂层、N型掺杂层及量子阱发光层；进一步地，在所述量子阱发光层上，从下至上依次生长氮化镓铝AlGaN电子阻挡层和P型掺杂层，其中，随着所述AlGaN电子阻挡层的生长厚度的增加，AlGaN电子阻挡层中Al组份的含量按照梯度变化；从而利用渐变的晶格尺寸可以降低外延界面层晶格失配度，有效阻断量子阱区产生的V形缺陷对P型区的影响，同时由于渐变的能级结构设计可以有效阻挡电子进入P型空穴区，提高电子在量子阱有源区与空穴的复合效率。
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为本发明发光二极管外延的生长方法实施例的流程示意图；
图2为渐变式梯度变化掺杂电子阻挡层的结构示意图；
图3为跃迁式梯度变化掺杂电子阻挡层的结构示意图。
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。
本发明实施例的目的在于解决传统结构中AlGaN电子阻挡层在异质界面处晶格失配严重造成的晶格失配、晶体质量差、能级跨度大等问题。
本发明实施例将采用梯度式方法生长发光二极管电子阻挡层以降低外延界面层晶格失配度，减小V型缺陷对P型结构层的影响，提高量子阱的内发光效率与电子阻挡层，提高电子与空穴在量子阱有源区的复合效率。
图1为本发明发光二极管外延的生长方法实施例的流程示意图，如图1所示，本实施例的方法可以包括：
S101、在衬底上，从下至上依次生长非掺杂层、N型掺杂层及量子阱发光层。
本发明实施中，在衬底上从下至上依次生长非掺杂层、N型掺杂层及量子阱发光层，可选地，所述衬底的材质为蓝宝石图形化衬底、蓝宝石平片衬底、硅外延衬底中的任一种。可选地，先对衬底进行高温清洁处理；在热处理后的衬底上由下至上依次生长GaN缓冲层、GaN非掺杂层、掺硅元素的N型GaN掺杂层；进一步地，在所述GaN掺杂层上生长GaN/InGaN/GaN量子阱发光层。
S102、在所述量子阱发光层上，从下至上依次生长氮化镓铝AlGaN电子阻挡层和P型掺杂层。
本发明实施例中，在所述量子阱发光层上，通过采用梯度式方法生长氮化镓铝AlGaN电子阻挡层，进一步地，在所述AlGaN电子阻挡层上生长掺镁元素的P型GaN掺杂层，从而得到氮化镓基发光二极管外延片；其中，本发明实施例的电子阻挡层的掺杂采用梯度式方法生长，即随着所述AlGaN电子阻挡层的生长厚度的增加，AlGaN电子阻挡层中Al组份的含量按照梯度变化；可选地，所述AlGaN电子阻挡层包括从下至上的多个AlGaN电子阻挡单层，所述AlGaN电子阻挡单层是指Al组份含量相同的层，所述AlGaN电子阻挡层中的各AlGaN电子阻挡单层的厚度从下至上按照梯度变化，如所述AlGaN电子阻挡层包括从下至上的三个AlGaN电子阻挡单层(第一电子阻挡单层、第二电子阻挡单层及第三电子阻挡单层)，所述第一电子阻挡单层、第二电子阻挡单层及第三电子阻挡单层的厚度从下至上按照梯度变化，如，第一电子阻挡单层、第二电子阻挡单层及第三电子阻挡单层的厚度分别为2nm、4nm及6nm；其中，所述梯度变化方式包含：渐变式梯度变化以及跃迁式梯度变化；从而利用渐变的晶格尺寸可以降低外延界面层晶格失配度，有效阻断量子阱区产生的V形缺陷对P型区的影响，同时由于渐变的能级结构设计可以有效阻挡电子进入P型空穴区，提高电子在量子阱有源区与空穴的复合效率。
可选地，所述AlGaN电子阻挡层中Al组份的含量按照梯度变化，包括：所述Al组份的含量按照渐变式梯度变化，或者，所述Al组份的含量按照跃迁式梯度变化；其中，所述渐变式梯度变化中，Al组份的含量为依次连续变化的数值，也即随着所述AlGaN电子阻挡层的生长厚度的增加，所述Al组份的含量为一系列依次连续变化的数值；所述跃迁式梯度变化中，Al组份含量的变化值为固定数值。可选的，所述AlGaN电子阻挡层中Al组份的含量可以从高组份含量到低组份含量按照所述梯度变化，或者，所述AlGaN电子阻挡层中Al组份的含量可以从低组份含量到高组份含量按照所述梯度变化。
本发明实施例的发光二极管外延的生长方法，通过在衬底上，从下至上依次生长非掺杂层、N型掺杂层及量子阱发光层；进一步地，在所述量子阱发光层上，从下至上依次生长氮化镓铝AlGaN电子阻挡层和P型掺杂层，其中，随着所述AlGaN电子阻挡层的生长厚度的增加，AlGaN电子阻挡层中Al组份的含量按照梯度变化；从而利用渐变的晶格尺寸可以降低外延界面层晶格失配度，有效阻断量子阱区产生的V形缺陷对P型区的影响，同时由于渐变的能级结构设计可以有效阻挡电子进入P型空穴区，提高电子在量子阱有源区与空穴的复合效率，并可以降低LED的工作电压，提高发二极管的ESD、VF、VZ、POWER等光电性能。
本发明发光二极管电子阻挡层的生长方法实施例中，在量子阱发光层上生长氮化镓铝AlGaN电子阻挡层，其中，随着所述AlGaN电子阻挡层的生长厚度的增加，AlGaN电子阻挡层中Al组份的含量按照梯度变化，具体地，可详见上述本发明发光二极管外延的生长方法实施例中所述的AlGaN电子阻挡层生长方法，本发明实施在此不再赘述。
可选地，所述AlGaN电子阻挡层包括从下至上的多个AlGaN电子阻挡单层，所述AlGaN电子阻挡单层是指Al组份含量相同的层，所述AlGaN电子阻挡层中的各AlGaN电子阻挡单层的厚度从下至上按照梯度变化。可选地，所述AlGaN电子阻挡层中Al组份的含量按照梯度变化，包括：所述Al组份的含量按照渐变式梯度变化，或者，所述Al组份的含量按照跃迁式梯度变化；其中，所述渐变式梯度变化中，Al组份的含量为依次连续变化的数值；所述跃迁式梯度变化中，Al组份含量的变化值为固定数值。可选地，所述AlGaN电子阻挡层中Al组份的含量从高组份含量到低组份含量按照所述梯度变化，或者，所述AlGaN电子阻挡层中Al组份的含量从低组份含量到高组份含量按照所述梯度变化。
本发明实施例的发光二极管电子阻挡层的掺杂采用梯度式方法生长，也即随着所述AlGaN电子阻挡层的生长厚度的增加，AlGaN电子阻挡层中Al组份的含量按照梯度变化，从而较传统带有电子阻挡层的LED结构具有如下优点：降低外延界面层晶格失配度，有效阻断量子阱区产生的V形缺陷贯穿整个P型层；渐变的能级结构设计可以有效阻挡电子进入P型空穴区，提高电子在量子阱有源区与空穴的复合效率；降低LED的工作电压；提升ESD、VZ等电学性能。
下面采用具体的实施例，进行详细说明。
实施例一
采用渐变式梯度变化掺杂方法生长发光二极管的60nm AlGaN电子阻挡层，【AlxGaN1-x(2％<x<10％)】
1)将蓝宝石(Al2O3)图形化衬底置入反应室中，在流量为110L/min的H2气氛下加热至1100℃烘烤7min，反应室压力为500Torr；
2)在540℃下生长厚度为40nm的GaN缓冲层，其中，反应室压力为500Torr，N2、H2和NH3的流量比为75:150:56；
3)在1070℃下生长厚度为2000nm的GaN非掺杂层，其中，反应室压力为200Torr，N2、H2和NH3的流量比为75:150:56；
4)在1080℃下生长厚度为1400nm的掺硅元素的N型GaN掺杂层，其中，反应室压力为200Torr，N2、H2和NH3的流量比为64:120:50；
5)在750-880℃下生长单层厚度为13nm的GaN/InGaN/GaN量子阱发光层，生长对数为13对，其中，反应室压力为200Torr，N2和NH3的流量比为72:40；
6)图2为渐变式梯度变化掺杂电子阻挡层的结构示意图，在780℃下生长单层厚度为60nm的AlGaN电子阻挡层，如图2所示，在生长电子阻挡层的同时控制三甲基铝的摩尔量，使Al组份的含量随着生长厚度的增加从2％到10％依次连续变化(即渐变式梯度变化)，其中，反应室压力为100Torr，N2和NH3的流量比为105:10；需要说明的是AlGaN的厚度、Al组份的含量以及变化率不是对具体的工艺参数进行限制，具体参数的调节可由技术人员根据器件的需要确定；
7)在950℃下生长厚度为100nm的掺镁元素的P型GaN掺杂层，其中，反应室压力为200Torr，N2、H2和NH3的流量比为64:120:50；
8)降低温度至710℃，其中，在反应室压力为50Torr，N2的流量为150L/min的条件下退火处理20分钟；最后得到氮化镓基发光二极管外延片。
实施例二
采用跃迁式梯度变化掺杂方法生长发光二极管的45nm AlGaN电子阻挡层，【AlxGaN1-x(2％<x<10％,△x＝0.5％)】，其中，AlGaN电子阻挡层的单层厚度相等
1)将蓝宝石(Al2O3)图形化衬底置入反应室中，在流量为110L/min的H2气氛下加热至1100℃烘烤7min，反应室压力为500Torr；
2)在540℃下生长厚度为40nm的GaN缓冲层，其中，反应室压力为500Torr，N2、H2和NH3的流量比为75:150:56；
3)在1070℃下生长厚度为2500nm的GaN非掺杂层，其中，反应室压力为200Torr，N2、H2和NH3的流量比为75:150:56；
4)在1080℃下生长厚度为1400nm的掺硅元素的N型GaN掺杂层，其中，反应室压力为200Torr，N2、H2和NH3的流量比为64:120:50；
5)在750-880℃下生长单层厚度为13nm的GaN/InGaN/GaN量子阱发光层，生长对数为13对，其中，反应室压力为200Torr，N2和NH3的流量比为72:40；
6)图3为跃迁式梯度变化掺杂电子阻挡层的结构示意图，在760℃下生长单层厚度为45nm的AlGaN电子阻挡层，如图3所示，在生长的同时控制三甲基铝的摩尔量，使Al组份的含量随着生长厚度的增加从2％-10％按照跃迁式梯度变化，每次Al组份含量的变化值为0.5％，即具体的Al组份含量按照2％，2.5％，.....10％依次变化，需要说明的是每单层AlGaN的厚度等厚；
7)在950℃下生长厚度为150nm的掺镁元素的P型GaN掺杂层，其中，反应室压力为200Torr，N2、H2和NH3的流量比为64:120:50；
8)降低温度至710℃，其中，在反应室压力为50Torr，N2的流量为150L/min的条件下退火处理20分钟；最后得到氮化镓基发光二极管外延片。
实施例三
采用跃迁式梯度变化掺杂方法生长发光二极管的42nm AlGaN电子阻挡层，【AlxGaN1-x(3％<x<12％,△x＝1％)】，其中，AlGaN电子阻挡层的单层厚度△H＝2nm
1)将蓝宝石(Al2O3)图形化衬底置入反应室中，在流量为110L/min的H2气氛下加热至1100℃烘烤7min，反应室压力为500Torr；
2)在540℃下生长厚度为40nm的GaN缓冲层，其中，反应室压力为500Torr，N2、H2和NH3的流量比为75:150:56；
3)在1070℃下生长厚度为2500nm的GaN非掺杂层，其中，反应室压力为200Torr，N2、H2和NH3的流量比为75:150:56；
4)在1080℃下生长厚度为1400nm的掺硅元素的N型GaN掺杂层，其中，反应室压力为200Torr，N2、H2和NH3的流量比为64:120:50；
5)在750-880℃下生长单层厚度为13nm的GaN/InGaN/GaN量子阱发光层，生长对数为13对，其中，反应室压力为200Torr，N2和NH3的流量比为72:40；
6)在770℃下生长单层厚度为42nm的AlGaN电子阻挡层，在生长的同时控制三甲基铝的摩尔量，根据生长厚度和工艺跃迁式变化，使AlGaN中Al组份的含量从3％到12％按照跃迁梯度变化，每次Al组份含量的变化值为1％，即具体的Al组份变化为3％，4％...12％；随着Al组份含量的变化每层的生长厚度为2nm，4nm……12nm,其中△H＝2nm，其中，反应室压力为100Torr，N2和NH3的流量比为105:10；
7)在950℃下生长厚度为150nm的掺镁元素的P型GaN掺杂层，其中，反应室压力为200Torr，N2、H2和NH3的流量比为64:120:50；
8)降低温度至710℃，其中，在反应压力为50Torr，N2的流量为150L/min的条件下退火处理20分钟；最后得到氮化镓基发光二极管外延片。
进一步地，利用本实施例的氮化镓基发光二极管外延片做成芯片后进行测试可知：本实施例的发光二极管外延片的亮度在20MA电流测试情况下较传统方式生长出来的外延片亮度提高约6％，并且ESD、VZ、IR等良率提升5％。
综上，本发明实施例，通过利用渐变的晶格尺寸可以降低外延界面层晶格失配度，有效阻断量子阱区产生的V形缺陷对P型区的影响，同时由于渐变的能级结构设计可以有效阻挡电子进入P型空穴区，提高电子在量子阱有源区与空穴的复合效率，并可以降低LED的工作电压，提高发二极管的ESD、VF、VZ、POWER等光电性能。
本领域普通技术人员可以理解：实现上述各方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成。前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中。该程序在执行时，执行包括上述各方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
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 (9)
1.一种发光二极管外延的生长方法，其特征在于，包括：
在衬底上，从下至上依次生长非掺杂层、N型掺杂层及量子阱发光层；
在所述量子阱发光层上，从下至上依次生长氮化镓铝AlGaN电子阻挡层和P型掺杂层，其中，随着所述AlGaN电子阻挡层的生长厚度的增加，AlGaN电子阻挡层中Al组份的含量按照梯度变化。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述AlGaN电子阻挡层包括从下至上的多个AlGaN电子阻挡单层，所述AlGaN电子阻挡单层是指Al组份含量相同的层，所述AlGaN电子阻挡层中的各AlGaN电子阻挡单层的厚度从下至上按照梯度变化。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述AlGaN电子阻挡层中Al组份的含量按照梯度变化，包括：
所述Al组份的含量按照渐变式梯度变化，或者，所述Al组份的含量按照跃迁式梯度变化；其中，所述渐变式梯度变化中，Al组份的含量为依次连续变化的数值；所述跃迁式梯度变化中，Al组份含量的变化值为固定数值。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述AlGaN电子阻挡层中Al组份的含量从高组份含量到低组份含量按照所述梯度变化，或者，所述AlGaN电子阻挡层中Al组份的含量从低组份含量到高组份含量按照所述梯度变化。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述衬底的材质为蓝宝石图形化衬底、蓝宝石平片衬底、硅外延衬底中的任一种。
6.一种发光二极管电子阻挡层的生长方法，其特征在于，包括：在量子阱发光层上生长氮化镓铝AlGaN电子阻挡层，其中，随着所述AlGaN电子阻挡层的生长厚度的增加，AlGaN电子阻挡层中Al组份的含量按照梯度变化。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述AlGaN电子阻挡层包括从下至上的多个AlGaN电子阻挡单层，所述AlGaN电子阻挡单层是指Al组份含量相同的层，所述AlGaN电子阻挡层中的各AlGaN电子阻挡单层的厚度从下至上按照梯度变化。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述AlGaN电子阻挡层中Al组份的含量按照梯度变化，包括：
所述Al组份的含量按照渐变式梯度变化，或者，所述Al组份的含量按照跃迁式梯度变化；其中，所述渐变式梯度变化中，Al组份的含量为依次连续变化的数值；所述跃迁式梯度变化中，Al组份含量的变化值为固定数值。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述AlGaN电子阻挡层中Al组份的含量从高组份含量到低组份含量按照所述梯度变化，或者，所述AlGaN电子阻挡层中Al组份的含量从低组份含量到高组份含量按照所述梯度变化。
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