CN105118900A - 一种GaN基LED外延片的生长方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种GaN基LED外延片的生长方法，生长InGaN/GaN多量子阱时，在传统的生长条件下，适时适量的通入氢气，可以有效的抑制In的团簇效应，从而改善InGaN/GaN界面的平整度，提高出光效率，并且提高了器件的反向电压，降低了正向电压。本发明方法简单易行，生长工艺无特殊要求，按照标准芯片工艺制作成300微米×300微米的芯片，亮度在原有基础上提升了10～20%，反向电压提高了5V以上，正向电压降低了0.05V以上。
Description
技术领域
本发明属于半导体技术领域，尤其涉及一种提高GaN基LED外延片亮度的生长方法。
背景技术
GaN基LED的出现和发展引起了一场席卷全球的固态照明革命，现已进入功能性照明领域，并逐步进入普通照明领域。LED的光效远远高于传统的照明与显示光源，显示出较好的节能效果，如在景观照明上可节能70%，液晶电视背光源可节能50%，道路照明可节能50%以上。2015年如果我国半导体照明产品能够进入30%的普通照明市场，将可每年节电约1000亿度，为单位GDP能耗降低贡献一个百分点，减少CO2、SO2、粉尘排放1.5亿吨。因此LED产业作为绿色产业倍受各国高度重视，美国有“固态照明计划”、欧洲有“彩虹计划”、日本有“21世纪照明计划”，我国自2003年科技部牵头启动“国家半导体照明工程”，成立了半导体照明研发与产业联盟，实施了“十城万盏”示范工程。
科研人员对如何提高GaN基半导体发光二极管的发光效率这一关键技术进行了不同程度的研究，如专利CN1567607A，通过设计更优化的量子阱结构，使电子和空穴在空间上能更好的重合在一起，在量子阱中通过辐射复合发光，从而提高发光二极管的发光效率。如专利CN102347410A,通过腐蚀蓝宝石衬底，在蓝宝石衬底和GaN界面形成粗化结构，减少光在GaN层的全反射，从而提高发光二极管的发光效率，但这种方法形成的粗化表面很难腐蚀均匀，不利于得到好的晶体质量和外延表面，工艺技术相对复杂。专利CN102005512A则通过在GaN基发光二极管表面粗化来提高发光二极管的发光效率，但是粗化的表面会使接触层的稳定性降低，并且在后端芯片加工过程中存在一系列的工艺问题，如正向电压升高等。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种高晶体质量、高亮度GaN基LED外延片的生长方法。生长InGaN/GaN多量子阱时，在传统的生长条件下，适时适量的通入氢气，提高出光效率，并且提高了器件的反向电压，降低了正向电压。
本发明的技术方案是：
一种GaN基LED外延片的生长方法，包括下列步骤：
（1）将衬底放入反应室中，在H2气氛下对衬底进行高温净化；
（2）生长低温GaN缓冲层；
（3）生长非掺杂GaN层；
（4）生长n型GaN层；
（5）生长InGaN/GaN多量子阱层；
（6）生长p型AlGaN层；
（7）生长p型GaN层；
（8）生长高掺杂p型GaN电极接触层；
（9）N2环境下退火10分钟；
（10）降温至室温，生长结束；
其中，进行步骤（5）生长InGaN/GaN多量子阱层过程中，在生长InGaN阱层时向反应室内通入氢气，通入氢气的持续时间小于等于InGaN阱层的生长时间；通入氢气的流量为0.01slm～10slm。
本发明的优选方案为通入氢气的持续时间为0.1分钟～5分钟。
本发明的优选方案为InGaN/GaN多量子阱层的循环数目为1～50个；单个InGaN/GaN量子阱的厚度为1～30nm。
通入氢气的流量可根据InGaN/GaN多量子阱的生长时间，生长速度等参数的不同而进行调整。外延片其他各层的形成方法为常规工艺，不再赘述。
InGaN在生长过程中,当生长温度和TMIn的流量设定不优化时，In容易形成团簇，聚集成金属液滴，使得发光效率大大降低。本发明则通过在生长InGaN阱层过程中适时适量的通入氢气，采用氢气作为表面活化剂，可以有效的抑制In的团簇效应，改善InGaN/GaN异质结合界面的平整度，抑制了杂质进入发光区域，从而提高LED的发光效率，并且提高了器件的反向电压，降低了正向电压。该生长InGaN/GaN多量子阱层的方法可以应用于不同结构外延片的生长过程中，而不限于本发明中实施例的限制。本发明方法简单易行，生长工艺无特殊要求。
附图说明
图1外延片结构示意图；
100：蓝宝石衬底；
101：低温GaN缓冲层；
102：非掺杂GaN层；
103：n型GaN层；
104：InGaN/GaN多量子阱层；
105：p型AlGaN层；
106：p型GaN层；
107：p型GaN电极接触层。
具体实施方式
以下结合附图详细说明本发明的优选实施例。
采用金属有机化合物方法进行生长，衬底选用（0001）晶向的蓝宝石，金属有机源是三甲基镓（TMGa）、三甲基铟（TMIn）、三乙基镓（TEGa）、三甲基铝（TMAl），氮源是氨气（NH3），n型掺杂剂为200ppm的氮气携载的硅烷（SiH4），p型掺杂剂为二茂镁（Cp2Mg）。
实施例1
采用MOCVD法，从下到上依次生长：
1.将（0001）晶向的蓝宝石衬底放入反应室中，然后在H2气氛下加热至1100℃，烘烤8分钟，对衬底进行高温净化。
2.降温至530℃生长30nm厚度的低温GaN缓冲层。
3.在1070℃生长2微米厚度的非掺杂GaN层。
4.在1070℃生长2微米厚度的n型GaN层。
5.生长10个周期的InGaN/GaN多量子阱层，GaN垒层厚度为22nm，生长温度为860℃；InGaN阱层厚度为3nm，生长温度为740℃，生长时间为5分钟。在InGaN阱层整个5分钟生长过程中全部通入氢气，流量为0.01slm。
6.升温至950℃生长100nm厚度的p型AlGaN层。
7.在950℃生长200nm厚度的p型GaN层。
8.在950℃生长10nm厚度的高掺杂p型GaN电极接触层。
9.降温至760℃，N2环境下退火10分钟。
10.降温至室温，生长结束。
本实施例得到的外延片按照标准芯片工艺制作成300微米×300微米的以ITO为透明电极的芯片。测试后，亮度比正常工艺提高了18%，反向电压提高了10V，正向电压降低了0.1V。
实施例2
其他步骤生长条件与实施例1相同。
不同在于：在步骤5中，生长15个周期的InGaN/GaN多量子阱层，GaN垒层厚度为20nm，生长温度为860℃；InGaN阱层厚度为2.5nm，生长温度为740℃，生长时间为3分钟。在InGaN阱层开始生长1分钟后通入氢气，流量为10slm，持续时间为0.1分钟。
本实施例得到的外延片按照标准芯片工艺制作成300微米×300微米的以ITO为透明电极的芯片。测试后，亮度比正常工艺提高了25%，反向电压提高了12V，正向电压降低了0.15V。
实施例3
其他步骤生长条件与实施例1相同。
不同在于：在步骤5中，生长20个周期的InGaN/GaN多量子阱层，GaN垒层厚度为18nm，生长温度为860℃；InGaN阱层厚度为2nm，生长温度为740℃，生长时间为2.5分钟。在InGaN阱层开始生长0.2分钟后通入氢气，流量为0.2slm，持续时间为2.3分钟。
本实施例得到的外延片按照标准芯片工艺制作成300微米×300微米的以ITO为透明电极的芯片。测试后，亮度比正常工艺提高了20%，反向电压提高了8V，正向电压降低了0.08V。
实施例4
其他步骤生长条件与实施例1相同。
不同在于：在步骤5中，生长25个周期的InGaN/GaN多量子阱层，GaN垒层厚度为15nm，生长温度为860℃；InGaN阱层厚度为1.8nm，生长温度为740℃，生长时间为3分钟。在InGaN阱层开始生长2分钟后通入氢气，流量为2slm，持续时间为1分钟。
本实施例得到的外延片按照标准芯片工艺制作成300微米×300微米的以ITO为透明电极的芯片。测试后，亮度比正常工艺提高了10%，反向电压提高了10V，正向电压降低了0.1V。
实施例5
其他步骤生长条件与实施例1相同。
不同在于：在步骤5中，生长30个周期的InGaN/GaN多量子阱层，GaN垒层厚度为10nm，生长温度为860℃；InGaN阱层厚度为1.5nm，生长温度为740℃，生长时间为1分钟。在InGaN阱层开始生长同时通入氢气，流量为6slm，持续时间为0.6分钟。
本实施例得到的外延片按照标准芯片工艺制作成300微米×300微米的以ITO为透明电极的芯片。测试后，亮度比正常工艺提高了12%，反向电压提高了12V，正向电压降低了0.08V。
Claims (3)
1.一种GaN基LED外延片的生长方法，包括下列步骤：
（1）将衬底放入反应室中，在H2气氛下对衬底进行高温净化；
（2）生长低温GaN缓冲层；
（3）生长非掺杂GaN层；
（4）生长n型GaN层；
（5）生长InGaN/GaN多量子阱层；
（6）生长p型AlGaN层；
（7）生长p型GaN层；
（8）生长高掺杂p型GaN电极接触层；
（9）N2环境下退火10分钟；
（10）降温至室温，生长结束；
其特征在于：进行步骤（5）生长InGaN/GaN多量子阱层时，在生长InGaN阱层过程中向反应室内通入氢气，通入氢气的持续时间小于等于InGaN阱层的生长时间；通入氢气的流量为0.01slm～10slm。
2.如权利要求1所述的GaN基LED外延片的生长方法，其特征在于：通入氢气的持续时间为0.1分钟～5分钟。
3.如权利要求1或2所述的GaN基LED外延片的生长方法，其特征在于：InGaN/GaN多量子阱层的循环数目为1～50个；单个InGaN/GaN量子阱的厚度为1～30nm。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN107240626A (zh) * | 2016-03-28 | 2017-10-10 | 比亚迪股份有限公司 | 发光二极管外延片及其制造方法 |
| CN108511326A (zh) * | 2018-05-04 | 2018-09-07 | 中山大学 | 一种化合物半导体材料InGaN及其外延制备方法 |
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| CN1316123A (zh) * | 1998-09-17 | 2001-10-03 | 松下电器产业株式会社 | 氮化物半导体器件制造方法 |
| CN1591915A (zh) * | 2003-08-29 | 2005-03-09 | 北京大学 | 氮化物多量子阱发光二极管结构的生长方法 |
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