CN104900774B - 一种提高led亮度的双缓冲层横向外延生长方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种提高LED亮度的双缓冲层横向外延生长方法，包括以下步骤：1)以锥形PSS作为生长基底，低温生长第一AlxGa1‑xN buffer缓冲层，其中0≤x≤1；2)高温生长一层具有六角锥形的阵列微坑第一U‑GaN层；3)在NH3环境中进行高温退火，然后降至低温，再生长第二低温AlxGa1‑xN buffer缓冲层；4)高温生长第二U‑GaN层,完全覆盖第一U‑GaN层的六角锥形的阵列微坑，在微坑处形成空腔；5)依次生长掺杂SiH4的n‑GaN层、多量子阱有源层、掺杂p型AlGaN阻挡层、掺杂p型GaN层；6)在氮气氛围下退火。本发明的方法在蓝宝石衬底上生长一层具有六角锥形的阵列微坑，在此区域GaN基础上生长buffer‑2，即实现了GaN衬底上生长GaN，能得到具有更少缺陷、更小内应力和更少晶体取向差异的晶核。
Description
技术领域
本发明属于半导体电子信息领域，特别涉及一种新的LED外延生长方法。
背景技术
GaN基LED发光二极管以其使用寿命长，安全可靠性强，节能环保等优势，成为继白炽灯、节能灯之后的第三代高效固态光源，LED已广泛应用到交通灯，汽车尾灯，广告显视屏，手机电视背光源和白光照明灯领域，应用前景非常广阔。目前大多采用MOCVD设备在蓝宝石衬底上生长GaN基LED，然而蓝宝石衬底和GaN材料的晶格常数存在较大的失配(16％),导致在GaN外延薄膜产生高达109-1010cm–2的线位错密度，高的线位错密度将影响外延薄膜的光学和电学特性，从而使器件的可靠性和内量子效率降低。因此，降低外延晶体中的位错密度是提高LED器件光电性能最有效的方法。
近年来，横向外延生长技术(ELOG)由于其能有效降低外延层中的位错密度而引起了很多研究者的兴趣，横向生长会使外延层中位错的方向发生改变，使位错从垂直方向改变为水平方向，最终在水平方向上湮灭。传统ELOG方法过程为：首先采用MOCVD技术在蓝宝石衬底上生长一层无掺杂的GaN，然后在其表面生长一层SiO2膜层，然后利用黄光技术，在表面涂布一层光刻胶，对SiO2膜层进行局部保护，并将其放入BOE中腐蚀，最终在GaN表面保留所需的SiO2区域。由于SiO2和GaN之间存在很大的晶格失配，在SiO2表面不会生长GaN,只能在GaN表面继续生长GaN，并且会向SiO2表面发生横向外延生长，最终完全覆盖SiO2区域。在此过程中，晶体中的位错会发生横行弯曲，并在合并过程中发生湮灭。有效降低外延层中的位错密度，提高晶体质量。但传统横向外延方法存在工艺过程复杂，二次外延过程耗时和易在操作过程中引起样品二次污染等原因，还未能在工业生产中得到有效利用。
发明内容
为了解决背景技术中所存在的技术问题，本发明是一种新的LED外延生长方法，能有效提升LED外延的晶体质量和发光效率。
本发明的技术解决方案是：一种提高LED亮度的双缓冲层横向外延生长方法，包括以下步骤：
1)以锥形PSS作为生长基底，低温生长第一AlxGa1-xN buffer缓冲层，其中0≤x≤1；
2)高温生长一层具有六角锥形的阵列微坑第一U-GaN层；
3)在NH3环境中进行高温退火，然后降至低温，再生长第二低温AlxGa1-xN buffer缓冲层，其中0≤x≤1；
4)高温生长第二U-GaN层,完全覆盖第一U-GaN层的六角锥形的阵列微坑，在微坑处形成空腔，并且形成平整表面；
5)依次生长掺杂SiH4的n-GaN层、多量子阱有源层、掺杂p型AlGaN阻挡层、掺杂p型GaN层；
6)在氮气氛围下退火。
第一层buffer层厚度为5nm-30nm，第一层U-GaN层厚度为1.3um-4.0um，第二层buffer层厚度为5nm-40nm，第二U-GaN厚度为1.0um-2.0um。
第一层buffer层生长温度为450℃-600℃，第一层U-GaN层生长温度为950℃-1100℃，第二层buffer层生长温度为600℃-700℃，第二U-GaN层生长温度为1000℃-1200℃。
采用如权利要求1所述方法制得的LED外延片，包括锥形PSS基底、缓冲层、U-GaN层、掺杂SiH4的n-GaN层、多量子阱有源层、掺杂p型AlGaN阻挡层以及掺杂p型GaN层；其特征在于：所述缓冲层和U-GaN层整体上分为依次生长的第一缓冲层、第一U-GaN层、第二缓冲层以及第二U-GaN层，其中第一U-GaN层表面为具有六角锥形阵列微坑的结构，第二U-GaN层完全覆盖第一U-GaN层的六角锥形微坑，形成空腔。
有益效果：
1)在蓝宝石衬底上生长一层具有六角锥形的阵列微坑，使微坑周围区域的GaN中，由于GaN和蓝宝石衬底之间晶格失配产生的应力在微坑处得到有效释放，减少应力产生的位错，提高该区域的晶体质量。在此区域GaN基础上生长buffer-2，即实现了GaN衬底上生长GaN，能得到具有更少缺陷、更小内应力和更少晶体取向差异的晶核。为后续GaN的生长提供良好的基础，从而提高外延晶体质量。
2)由于微坑的存在，在外延生长过程中，会在微坑附近发生横向外延生长，即后续生长的外延层会覆盖在微坑上方，并在微坑处形成一空腔。与传统ELOG方法相对比，本发明不仅达到了横向外延生长，提高晶体质量的目的，而且工艺过程更加简捷、省时，并有效避免了ELOG方法带来的样品二次污染等问题。
3)本发明会在外延层中形成倒六角锥型的空腔，增加了光线在LED内部的全反射，减少了晶体对光线的吸收，提高LED的光提取效率。
附图说明
图1为嵌入微坑侧视图；
图2为嵌入微坑俯视图；
图3为LED的外延整体结构示意图；
具体实施方式
本发明通过MOCVD技术，在圆锥形PSS蓝宝石衬底上完成整个外延过程。本发明中采用了双低温缓冲层的生长方法，首先在蓝宝石衬底上生长一层低温buffer-1；然后在一定温度下生长一层的无掺杂U-GaN-1,其表面嵌入阵列分布倒六角锥形微坑，如图1，图2所示；之后在NH3环境中对样品进行高温退火，再降至低温，再生长第二层buffer-2，之后再生长一层无掺杂的高温U-GaN-2,使其覆盖在微型空洞上，并形成一空腔；接着再生长一层掺杂SiH4的n-GaN，之后再生多量子阱有源层，然后生长掺杂p型AlGaN阻挡层，最后生长一层掺杂p型GaN层，如附图2。
本发明运用金属有机化合物化学气相沉淀(MOCVD)外延生长技术，采用三甲基镓(TMGa)，三乙基镓(TEGa)，和三甲基铟(TMIn),三甲基铝(TMAl)和氨气(NH3)硅烷(SiH4)和二茂镁(cp2mg)分别提供生长所需要的镓源，铟源，铝源，和氮源,硅源,镁源。本发明LED外延的具体生长结构和细节为：
实施例一，
1.将清洗后的蓝宝石衬底放入MOCVD设备中，在1100℃烘烤10分钟，。
2.降温度520℃生长一层厚度为20nm的低温buffer-1层，生长压力为500torr。
3.升温至1050℃生长一层约厚度2.0um的无掺杂U-GaN-1层，生长压力为100torr。
4.在NH3环境中，升温至1170℃，退火5min，压力为200torr。
5.降温至650℃生长一层厚度为20nm的低温buffer-2层，生长压力为500torr。
6.再升温至1160℃生长一层约厚度1.0um的无掺杂U-GaN-2层，生长压力为100torr。
7.升温至1170℃，生长一层厚度为2.0um掺杂硅烷的n-GaN层，生长压力位100torr。
8.切换载气，由氢气变为氮气，压力为100torr，生长多量子阱层。
9.切换载气，由氮气变为氢气，温度至1185℃，150torr,生长一层p型AlGaN层，厚度20nm，生长压力为100torr。
10.温度1080℃，生长一层厚为150nm掺杂Mg的p型GaN，生长压力位100torr。
11.切换气体，由氢气变为氮气，在氮气氛围下1200℃中退火20min。
此生长过程结束。
实施例二，
1.将清洗后的蓝宝石衬底放入MOCVD设备中，在1100℃烘烤10分钟，。
2.降温至650℃生长一层厚度为20nm的低温buffer-2层，生长压力为500torr。
3.再升温至1160℃生长一层约厚度1.0um的无掺杂U-GaN-2层，生长压力为100torr。
4.升温至1170℃，生长一层厚度为2.0um掺杂硅烷的n-GaN层，生长压力位100torr。
5.切换载气，由氢气变为氮气，压力为100torr，生长多量子阱层。
6.切换载气，由氮气变为氢气，温度至1185℃，150torr,生长一层p型AlGaN层，厚度20nm，生长压力为100torr。
7.温度1080℃，生长一层厚为150nm掺杂Mg的p型GaN，生长压力位100torr。
8.切换气体，由氢气变为氮气，在氮气氛围下1200℃中退火20min。
此生长过程结束。对比本发明外延生长方法(实施例一)与传统外延生长方法制备的外延片(实施例二)在同等芯片工艺条件下制备的芯片数据，本发明制备芯片较传统方法制备芯片的光效提升了约20％。明显提高了LED的发光效率。
Claims (4)
1.一种提高LED亮度的双缓冲层横向外延生长方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)以锥形PSS作为生长基底，低温生长第一AlxGa1-xN buffer缓冲层，其中0≤x≤1；
2)高温生长一层具有六角锥形的阵列微坑第一U-GaN层；
3)在NH3环境中进行高温退火，然后降至低温，再生长第二低温AlxGa1-xN buffer缓冲层，其中0≤x≤1；
4)高温生长第二U-GaN层,完全覆盖第一U-GaN层的六角锥形的阵列微坑，在微坑处形成空腔，并且形成平整表面；
5)依次生长掺杂SiH4的n-GaN层、多量子阱有源层、掺杂p型AlGaN阻挡层、掺杂p型GaN层；
6)在氮气氛围下退火。
2.根据权利要求1所述的提高LED亮度的双缓冲层横向外延生长方法，其特征在于：
第一AlxGa1-xN buffer缓冲层厚度为5nm～30nm，第一层U-GaN层厚度为1.3um～4.0um，第二低温AlxGa1-xN buffer缓冲层厚度为5nm～40nm，第二U-GaN厚度为1.0um～2.0um。
3.根据权利要求1所述的提高LED亮度的双缓冲层横向外延生长方法，其特征在于：
第一AlxGa1-xN buffer缓冲层生长温度为450℃～600℃，第一层U-GaN层生长温度为950℃～1100℃，第二低温AlxGa1-xN buffer缓冲层生长温度为600℃～700℃，第二U-GaN层生长温度为1000℃～1200℃。
4.采用如权利要求1所述方法制得的LED外延片，包括锥形PSS基底、缓冲层、U-GaN层、掺杂SiH4的n-GaN层、多量子阱有源层、掺杂p型AlGaN阻挡层以及掺杂p型GaN层；其特征在于：所述缓冲层和U-GaN层整体上分为依次生长的第一缓冲层、第一U-GaN层、第二缓冲层以及第二U-GaN层，其中第一U-GaN层表面为具有六角锥形阵列微坑的结构，第二U-GaN层完全覆盖第一U-GaN层的六角锥形微坑，形成空腔。
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