CN104752568B - 一种改善晶体质量的GaN基LED外延结构的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种改善晶体质量的GaN基LED外延结构的制备方法，在外延生长GaN基LED外延片时在高温烘焙生长衬底时通入一段时间的TMGa源，然后继续高温烘焙生长衬底，在没有增加工艺复杂性的情况下对外延生长的衬底及环境进行了改善，使得整个LED外延层的晶体质量更高，亮度更高，电性良率更好，并且有效减少雾化现象，降低生产成本。
Description
技术领域
本发明涉及LED生产制备技术领域，尤其涉及一种改善晶体质量的GaN基LED外延结构的制备方法。
背景技术
发光二极管（LED，Light Emitting Diode）是一种半导体固体发光器件，其利用半导体PN结作为发光材料，可以直接将电转换为光。当半导体PN结的两端加上正向电压后，注入PN结中的少数载流子和多数载流子发生复合，放出过剩的能量而引起光子发射，直接发出颜色为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫的光。其中，以氮化镓（GaN）为代表的III-V族化合物半导体由于具有带隙宽、发光效率高、电子饱和漂移速度高、化学性质稳定等特点，在高亮度蓝光发光二极管、蓝光激光器等光电子器件领域有着巨大的应用潜力，引起了人们的广泛关注。
目前，以GaN 为基础的半导体材料的外延生长主要应用有机化学金属气相淀积法(MOCVD) 来实现。该方法包括如下步骤：以高纯的H2 或N2或氢氮混合气体作为载气，在压力为760~780Torr，在1000~1100℃高温处理蓝宝石衬底5~20分钟；将温度降至480~550℃，在蓝宝石衬底上生长厚度为10~50nm的低温缓冲氮化镓层；升高温度至1000~1100℃，在低温缓冲氮化镓层上持续生长1~2.5μm的不掺杂氮化镓(uGaN)；保持温度，在不掺杂氮化镓层上持续生长2~4μm的n型掺Si的氮化镓层；升高温度至700℃~800℃，在n型掺Si的氮化镓层上生长掺铟的氮化镓阱层，升高温度至800℃~1000℃在掺铟的氮化镓阱层上生长不掺杂氮化镓垒层，阱层与垒层组成一组量子阱垒，重复生长一组或多组量子阱垒，形成有源层；在完成有源层的生长后，将温度升高到950~1050℃持续生长20~80nm的p型铝镓氮层；降低温度至900~1000℃，在p型铝镓氮层上持续生长0.1~0.5μm的掺镁的p型氮化镓层；降低温度至600~700℃，在掺镁的p 型氮化镓层上生长5~10nm的低温掺镁铟镓氮层；降低温度600~750℃，在氮气气氛下，持续时间10~30分钟，活化p型铝镓氮层。
然而，这种制备LED外延片的方法成本较高，每生长完一炉外延片就需要更换一些配件，并且外延生长过程中有一定概率的雾化现象，会影响外延片的晶体质量及性能。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种LED外延结构的制备方法，该方法的生产成本低，有效减少雾化现象，提高外延结构的晶体质量及性能。
为了解决本发明的技术问题，本发明提供一种改善晶体质量的GaN基LED外延结构的制备方法，该方法包括高温烘焙（pre-bake）生长衬底，在所述生长衬底上外延生长InGaAlN多层结构，所述InGaAlN多层结构从下至上包括N型GaN层、有源层和P型GaN层，该方法还包括在高温烘焙（pre-bake）生长衬底时通入一段时间的TMGa源，然后继续高温烘焙（pre-bake）生长衬底。
优选地，所述高温烘焙的温度为1170℃~1200℃。
优选地，所述通入TMGa源的时间为10s~50s。
优选地，所述TMGa源流量为20~30sccm。
优选地，所述通入TMGa源时的气体环境可以是N2和H2气氛的一种。
本发明的有益效果：
本发明与现有技术相比，在外延生长GaN基LED外延片时在高温烘焙（pre-bake）生长衬底时插入一段预处理（pre-dose）工艺，即在高温烘焙（pre-bake）生长衬底时通入一段时间的TMGa源，然后继续高温烘焙（pre-bake）生长衬底，在没有增加工艺复杂性的情况下对外延生长的衬底及环境进行了改善，在高温条件下参与对生长衬底机械物理损伤修复，在生长衬底外延生长InGaAlN多层结构时起到诱导作用，为外延结构的生长提供一个更好的取向一致性的模板，提高了高温条件下生长GaN 薄膜的结晶质量并且改善均匀性，使得整个LED 外延层的结构质量更高，结构缺陷的减少使得载流子辐射性复合几率增加而提高了亮度，同时降低了反向漏电，电性良率更好，并且有效减少雾化现象，降低生产成本。
附图说明
图1为本发明制备方法的步骤；
图2为本发明制备的LED外延结构的结构示意图。
200为蓝宝石衬底；201为GaN缓冲层；202为非掺杂氮化镓层；203为N型氮化镓；204为多量子阱层；205为P型铝镓氮；206为P型氮化镓；207为高掺杂的GaN基电极接触层。
具体实施方式
实施例1
一种改善晶体质量的GaN基LED外延结构的制备方法，包括如下步骤：
将（0001）晶向的蓝宝石衬底放入MOCVD反应室中，然后在H2环境中升温至1180℃进行高温烘焙（pre-bake）衬底，稳定400s，通入TMGa源，保持TMGa流量为25sccm，时间为30s，继续高温烘焙（pre-dose）衬底170s，降温至550℃，在600mbar下生长30nm厚的GaN缓冲层，升温至1150℃生长2.5um厚的非掺杂GaN层，在1150℃生长3um厚的n型GaN层，在N2环境中生长12个周期的多量子阱层，GaN垒层：厚度为13nm，生长温度为850℃；InGaN阱层：厚度为2nm，生长温度为760℃，升温至1000℃生长60nm厚的p-AlGaN层，在980℃生长160nm厚的p型GaN层，在980℃生长25nm厚的高掺杂p型GaN电极接触层，降温至室温，生长结束。
实施例2
一种改善晶体质量的GaN基LED外延结构的制备方法，包括如下步骤：
将（0001）晶向的蓝宝石衬底放入反应室中，然后在H2环境中升温至1200℃，进行高温烘焙（pre-dose）衬底，稳定400s，通入TMGa源，保持TMGa流量为30sccm，时间为50s，继续高温烘焙（pre-dose）衬底150s，降温至550℃，在600mbar下生长10nm厚的GaN缓冲层，升温至1150℃生长2.5um厚的非掺杂GaN层，在1150℃生长3um厚的n型GaN层，在N2环境中生长12个周期的多量子阱层，GaN垒层：厚度为13nm，生长温度为850℃；InGaN阱层：厚度为2nm，生长温度为760℃，升温至1000℃生长60nm厚的p-AlGaN层，在980℃生长160nm厚的p型GaN层，在980℃生长25nm厚的高掺杂p型GaN电极接触层，降温至室温，生长结束。
以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变换或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (4)
1.一种改善晶体质量的GaN基LED外延结构的制备方法，包括：
高温烘焙生长衬底；
在所述生长衬底上外延生长InGaAlN多层结构，所述InGaAlN多层结构从下至上包括N型GaN层、有源层和P型GaN层；
其特征在于，在高温烘焙生长衬底时通入一段时间的TMGa源，然后继续高温烘焙生长衬底；
所述高温烘焙的温度为1170℃-1200℃。
2.根据权利要求1所述的一种改善晶体质量的GaN基LED外延结构的制备方法，其特征在于所述通入TMGa源的时间为10s-50s。
3.根据权利要求1所述的一种改善晶体质量的GaN基LED外延结构的制备方法，其特征在于所述TMGa源流量为20-30sccm。
4.根据权利要求1所述的一种改善晶体质量的GaN基LED外延结构的制备方法，其特征在于所述通入TMGa源时的气体环境可以是N2和H2气氛的一种。
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