CN104617192B - 一种发光二极管外延片的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种发光二极管外延片的制造方法，属于半导体技术领域。所述制造方法包括：依次在衬底上生长缓冲层、非掺杂GaN层、N型GaN层、应力释放层、有源层、P型电子阻挡层、P型GaN层；其中，非掺杂GaN层和N型GaN层的生长压力为10～200torr。本发明通过将非掺杂GaN层和N型GaN层的生长压力限定为10～200torr，非掺杂GaN层和N型GaN层的生长速率较慢，使得设置在衬底底部的基盘可以将热量及时沿着外延层的生长方向均匀传递，减小了在生长非掺杂GaN层和N型GaN层时，外延片的上下表面之间的温差，缓解了外延片的凹形形变，外延片周边的温度可以达到要求温度，外延片周边的晶体质量提高。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种发光二极管外延片的制造方法。
背景技术
LED(Light Emitting Diode，发光二极管)是一种能发光的半导体电子元件。作为信息光电子新兴产业中极具影响力的新产品，发光二极管具有体积小、使用寿命长、颜色丰富多彩、能耗低的特点，广泛应用于照明、显示屏、信号灯、背光源、玩具等领域。
制造外延片是制造发光二极管过程中重要的一步。现有的发光二极管外延片的制造方法包括：依次在衬底上生长缓冲层、非掺杂GaN层、N型GaN层、有源层、P型GaN层。其中，为了提高生长速度，N型GaN层采用高压生长，生长压力达到600torr。
在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题：
外延片制造过程中，由设置在衬底底部的基盘将热量沿外延片的生长方向传递，由于N型GaN层的生长压力较高，N型GaN层的生长速率较快，热量没有及时从衬底的下表面传递到外延层的上表面，衬底的下表面和外延层的上表面之间的温差较大，外延片出现凹形形变(即外延片的中心到基盘的距离小于外延片周边到基盘的距离)，因此外延片周边偏离基盘较远，外延片周边的温度低于要求温度，晶体质量较差，抗静电能力较差。
发明内容
为了解决现有技术由于凹形形变而导致晶体质量较差，抗静电能力较差的问题，本发明实施例提供了一种发光二极管外延片的制造方法。所述技术方案如下：
本发明实施例提供了一种发光二极管外延片的制造方法，适用于4inch、6inch、8inch的大尺寸外延片，所述制造方法包括：
依次在衬底上生长缓冲层、非掺杂GaN层、N型GaN层、应力释放层、有源层、P型电子阻挡层、P型GaN层；
其中，所述非掺杂GaN层和所述N型GaN层的生长压力为10torr，所述非掺杂GaN层的厚度为1.0μm，所述N型GaN层的厚度为1.0μm。
在本发明一种可能的实现方式中，所述非掺杂GaN层和所述N型GaN层的生长压力为10～90torr。
在本发明另一种可能的实现方式中，所述非掺杂GaN层和所述N型GaN层的生长速率为2.0～6.0μm/h。
可选地，生长所述非掺杂GaN层时，所述非掺杂GaN层的生长速率保持不变，或者，逐渐变快。
可选地，生长所述N型GaN层时，所述N型GaN层的生长速率保持不变，或者，逐渐变快。
在本发明又一种可能的实现方式中，Ga源流量为200～1000sccm。
可选地，生长所述非掺杂GaN层时，Ga源流量保持不变，或者，逐渐变多。
可选地，生长所述N型GaN层时，Ga源流量保持不变，或者，逐渐变多。
在本发明又一种可能的实现方式中，所述N型GaN层N型掺杂的浓度为10-e18～10-e21每立方厘米。
可选地，生长所述N型GaN层时，N型掺杂的浓度保持不变，或者，逐渐变多。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
通过将非掺杂GaN层和N型GaN层的生长压力限定为10torr，降低了非掺杂GaN层和N型GaN层的生长压力，非掺杂GaN层和N型GaN层的生长速率较慢，加上非掺杂GaN层的厚度为1.0μm，N型GaN层的厚度为1.0μm，使得设置在衬底的基盘可以将热量及时沿着外延层的生长方向传递，减小了外延层的上表面(远离衬底的表面)与衬底的下表面(靠近基盘的表面)之间的温差，缓解了外延片的凹形形变，外延片周边的温度可以达到要求温度，外延片周边的晶体质量提高了，抗静电能力提高了。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例一提供的一种发光二极管外延片的制造方法的流程图；
图2是本发明实施例二提供的一种发光二极管外延片的制造方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
实施例一
本发明实施例提供了一种发光二极管外延片的制造方法，特别适用于4inch、6inch、8inch的大尺寸外延片，参见图1，该制造方法包括：
步骤101：在衬底上生长缓冲层。
具体地，衬底可以为蓝宝石衬底。
在实际应用中，可以采用金属有机化合物化学气相沉淀(Metal-OrganicChemical Vapor Deposition，简称MOCVD)方法，以三甲基(或三乙基)镓作为镓源，高纯NH3作为氮源，三甲基铟作为铟源，三甲基铝作为铝源，n型掺杂选用硅烷，p型掺杂选用二茂镁实现本实施例提供的发光二极管外延片的制造方法。
步骤102：在缓冲层上生长非掺杂GaN层，生长压力为10～200torr。
其中，非掺杂GaN层的厚度为1.0-1.5μm。若非掺杂GaN层的厚度小于1.0μm，则无法达到非掺杂GaN层的效果；若非掺杂GaN层的厚度大于1.5μm，则造成浪费。
更重要的是，本发明的目的是解决由于凹形形变而导致外延片边缘区域晶体质量较差，抗静电能力较差的问题，若非掺杂GaN层的厚度小于1.0μm，即使非掺杂GaN层的生长速率加快，非掺杂GaN层的上表面和衬底下表面之间的温差也不会很大，造成外延片凹形形变的可能性较小，非掺杂GaN层的生长压力采用本发明限定的10～200torr达到的效果不明显；若非掺杂GaN层的厚度大于1.5μm，即使非掺杂GaN层的生长速率较慢，由于非掺杂GaN层的厚度较厚，热量传递的速度较慢，非掺杂GaN层的上表面和衬底下表面之间的温差还是会较大，容易造成外延片凹形形变。所以，生长压力为10～200torr需要与非掺杂GaN层的厚度为1.0-1.5μm配合使用，从而实现本发明的缓解外延片的凹形形变的目的。
具体地，非掺杂GaN层可以由SiN层和GaN层交替形成。
优选地，非掺杂GaN层的生长压力可以为10～90torr。
可选地，非掺杂GaN层的生长速率可以为2.0～6.0μm/h。若非掺杂GaN层的生长速率低于2.0μm/h，则外延片的生产效率过低；若非掺杂GaN层的生长速率高于超过6.0μm/h，则会造成外延片抗静电能力较差。
在本实施例的一种实现方式中，生长非掺杂GaN层时，非掺杂GaN层的生长速率可以保持不变。
在本实施例的另一种实现方式中，生长非掺杂GaN层时，非掺杂GaN层的生长速率可以逐渐变快。
可选地，生长非掺杂GaN层时，Ga源流量可以为200～1000sccm。
在本实施例的一种实现方式中，生长非掺杂GaN层时，Ga源流量可以保持不变。实验发现，在该种实现方式中，外延片抗静电能力提高9％。
在本实施例的另一种实现方式中，生长非掺杂GaN层时，Ga源流量可以逐渐变多。实验发现，在该种实现方式中，外延片抗静电能力提高10％。
步骤103：在非掺杂GaN层上生长N型GaN层，生长压力为10～200torr。
其中，N型GaN层的厚度为1.0-1.8μm。若N型GaN层的厚度小于1.0μm，则无法达到N型GaN层的效果；若N型GaN层的厚度大于1.8μm，则造成浪费。
更重要的是，本发明的目的是解决由于凹形形变而导致晶体质量较差，抗静电能力较差的问题，若N型GaN层的厚度小于1.0μm，即使N型GaN层的生长速率加快，N型GaN层的上表面和衬底下表面之间的温差也不会很大，造成外延片凹形形变的可能性较小，N型GaN层的生长压力采用本发明限定的10～200torr达到的效果不明显；若N型GaN层的厚度大于1.8μm，即使N型GaN层的生长速率较慢，由于N型GaN层的厚度较厚，热量传递的速度较慢，N型GaN层的上表面和衬底下表面之间的温差还是会较大，容易造成外延片凹形形变。所以，生长压力为10～200torr需要与N型GaN层的厚度为1.0-1.8μm配合使用，从而实现本发明的缓解外延片的凹形形变的目的。
优选地，N型GaN层的生长压力可以为10～90torr。
具体地，N型GaN层的生长温度可以为1000-1100℃。
优选地，N型GaN层的生长温度可以为1080℃。
可选地，N型GaN层的生长速率可以为2.0～6.0μm/h。若N型GaN层的生长速率低于2.0μm/h，则外延片的生产效率过低；若N型GaN层的生长速率高于超过6.0μm/h，则会造成外延片抗静电能力较差。
在本实施例的一种实现方式中，生长N型GaN层时，N型GaN层的生长速率可以保持不变。
在本实施例的另一种实现方式中，生长N型GaN层时，N型GaN层的生长速率可以逐渐变快。
可选地，生长N型GaN层时，Ga源流量可以为200～1000sccm。
在本实施例的一种实现方式中，生长N型GaN层时，Ga源流量可以保持不变。实验发现，在该种实现方式中，外延片抗静电能力提高9％。
在本实施例的另一种实现方式中，生长N型GaN层时，Ga源流量可以逐渐变多。实验发现，在该种实现方式中，外延片抗静电能力提高10％。
可选地，N型GaN层N型掺杂的浓度可以为10-e18～10-e21每立方厘米。
在本实施例的一种实现方式中，生长N型GaN层时，N型掺杂的浓度可以保持不变。
在本实施例的另一种实现方式中，生长N型GaN层时，N型掺杂的浓度可以逐渐变多。
步骤104：在N型GaN层上生长应力释放层。
可选地，应力释放层的厚度可以为7-9nm。
具体地，应力释放层可以由InGaN层和GaN层交替形成。例如，应力释放层包括6层InGaN层和6层GaN层，InGaN层和GaN层交替生长，InGaN层的厚度为0.3nm，GaN层的厚度为1.1nm。
可以理解地，应力释放层采用超晶格结构，可以有效释放外延生长过程中，蓝宝石衬底与GaN之间晶格失配产生的应力，并且应力释放层的厚度较小，可以避免电子和空穴在应力释放层复合发光。
步骤105：在应力释放层上生长有源层。
可选地，有源层的厚度可以为10-15nm。
步骤106：在有源层上生长P型电子阻挡层。
具体地，P型电子阻挡层可以由AlGaN层和InAlGaN层交替形成。
步骤107：在P型电子阻挡层上生长P型GaN层。
需要说明的是，本发明实施例将非掺杂GaN层和N型GaN层的生长压力限定为10～200torr，虽然降低了外延片的生长速度，但是提高了外延片的生产质量，综合来看，提高了外延片的生长效率。
本发明实施例通过将非掺杂GaN层和N型GaN层的生长压力限定为10～200torr，降低了非掺杂GaN层和N型GaN层的生长压力，非掺杂GaN层和N型GaN层的生长速率较慢，加上非掺杂GaN层的厚度为1.0-1.5μm，N型GaN层的厚度为1.0-1.8μm，使得设置在衬底的基盘可以将热量及时沿着外延层的生长方向传递，减小了N型GaN层的上表面(远离衬底的表面)与衬底下表面(靠近基盘的表面)之间的温差，缓解了外延片的凹形形变，外延片周边的温度可以达到要求温度，外延片周边的晶体质量提高了，抗静电能力提高了。而且非掺杂GaN层和N型GaN层的生长压力降低了，释放反应气体的设备与生长外延片的反应室之间的压力差变大，生长过程中气体的流速加快了，有利于将反应副产物及时排走，进一步提高了晶体质量，提高了外延片的抗静电能力。
实施例二
本发明实施例提供了一种发光二极管外延片的制造方法，本实施例是实施例一提供的发光二极管外延片的制造方法的一种具体实现，参见图2，该制造方法包括：
步骤201：在蓝宝石衬底上生长缓冲层。
步骤202：在缓冲层上生长非掺杂GaN层，非掺杂GaN层的厚度为1.0μm，生长压力为10torr。
具体地，非掺杂GaN层的生长速率为2.0μm/h，且生长非掺杂GaN层时，非掺杂GaN层的生长速率保持不变。Ga源流量为200～500sccm，且生长非掺杂GaN层时，Ga源流量逐渐变多。
步骤203：在非掺杂GaN层上生长N型GaN层，N型GaN层的厚度为1.0μm，生长压力为10torr。
具体地，N型GaN层的生长温度为1080℃。N型GaN层的生长速率为2.0μm/h，且生长N型GaN层时，N型GaN层的生长速率保持不变。Ga源流量为200～500sccm，且生长N型GaN层时，Ga源流量逐渐变多。N型GaN层N型掺杂的浓度为10-e18～10-e21每立方厘米，且生长N型GaN层时，N型掺杂的浓度逐渐变多。
步骤204：在N型GaN层上生长应力释放层，应力释放层包括6层InGaN层和6层GaN层，InGaN层和GaN层交替生长，InGaN层的厚度为0.3nm，GaN层的厚度为1.1nm。
步骤205：在应力释放层上生长有源层，有源层的厚度为10nm。
步骤206：在有源层上生长P型电子阻挡层，P型电子阻挡层由AlGaN层和InAlGaN层交替形成。
步骤207：在P型电子阻挡层上生长P型GaN层。
本发明实施例通过将非掺杂GaN层和N型GaN层的生长压力限定为10～200torr，降低了非掺杂GaN层和N型GaN层的生长压力，非掺杂GaN层和N型GaN层的生长速率较慢，加上非掺杂GaN层的厚度为1.0-1.5μm，N型GaN层的厚度为1.0-1.8μm，使得设置在衬底的基盘可以将热量及时沿着外延层的生长方向传递，减小了N型GaN层的上表面(远离衬底的表面)与衬底下表面(靠近基盘的表面)之间的温差，缓解了外延片的凹形形变，外延片周边的温度可以达到要求温度，外延片周边的晶体质量提高了，抗静电能力提高了。而且非掺杂GaN层和N型GaN层的生长压力降低了，释放反应气体的设备与生长外延片的反应室之间的压力差变大，生长过程中气体的流速加快了，有利于将反应副产物及时排走，进一步提高了晶体质量，提高了外延片的抗静电能力。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种发光二极管外延片的制造方法，适用于4inch、6inch、8inch的大尺寸外延片，其特征在于，所述制造方法包括：
依次在衬底上生长缓冲层、非掺杂GaN层、N型GaN层、应力释放层、有源层、P型电子阻挡层、P型GaN层；
其中，所述非掺杂GaN层和所述N型GaN层的生长压力为10torr，所述非掺杂GaN层的厚度为1.0μm，所述N型GaN层的厚度为1.0μm。
2.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述非掺杂GaN层和所述N型GaN层的生长压力为10～90torr。
3.根据权利要求1或2所述的制造方法，其特征在于，所述非掺杂GaN层和所述N型GaN层的生长速率为2.0～6.0μm/h。
4.根据权利要求3所述的制造方法，其特征在于，生长所述非掺杂GaN层时，所述非掺杂GaN层的生长速率保持不变，或者，逐渐变快。
5.根据权利要求3所述的制造方法，其特征在于，生长所述N型GaN层时，所述N型GaN层的生长速率保持不变，或者，逐渐变快。
6.根据权利要求1或2所述的制造方法，其特征在于，Ga源流量为200～1000sccm。
7.根据权利要求6所述的制造方法，其特征在于，生长所述非掺杂GaN层时，Ga源流量保持不变，或者，逐渐变多。
8.根据权利要求6所述的制造方法，其特征在于，生长所述N型GaN层时，Ga源流量保持不变，或者，逐渐变多。
9.根据权利要求1或2所述的制造方法，其特征在于，所述N型GaN层N型掺杂的浓度为10-e18～10-e21每立方厘米。
10.根据权利要求9所述的制造方法，其特征在于，生长所述N型GaN层时，N型掺杂的浓度保持不变，或者，逐渐变多。
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