CN105336825A - 一种led外延生长方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种LED外延生长方法，依次包括：处理衬底、生长低温缓冲层GaN、生长不掺杂GaN层、生长掺杂Si的N型GaN层、生长掺杂In的InxGa(1-x)N/GaN层、生长P型AlyGa(1-y)N-InxGa(1-x)N超晶格层、生长掺杂Mg的P型GaN层，降温冷却，其特征在于，所述生长掺杂Mg的P型GaN层进一步为：保持温度910℃-930℃，反应腔压力550mbar-600mbar，在N2气氛下持续生长5nm-10nm掺Mg的P型GaN层，Mg掺杂浓度1E+19atom/cm3-2E+19atom/cm3；升高温度到950℃-970℃，反应腔压力提高至850mbar-900mbar，在H2气氛下持续生长100nm-120nm的掺Mg的P型GaN层，Mg掺杂浓度为3E+20atom/cm3-4E+20atom/cm3。如此方案，采用低温P型GaN层减薄生长，高温P型GaN层高压生长，能够有效减少漏电通道，增强阻挡电子的能力，提高反向电压，减小漏电，还能够提升辐射复合效率，使得亮度得到提高。
Description
技术领域
本申请涉及LED外延设计应用技术领域，具体地说，涉及一种提高亮度及反向电压、减小漏电的LED外延生长方法。
背景技术
GaN(氮化镓)作为直接带隙半导体材料，被广泛应用于发光二极管器件。目前，使用两步生长法在图形化蓝宝石衬底(patternedsapphiresubstrates,PSS)生长GaN材料是制备高性能LED器件的主流技术。缓冲层(bufferlayer)可在一定程度上减少晶格失配和热失配引起的位错，但在阻止线位错向外延层延伸方面有一定局限。
氮化镓基材料，包括InGaN、GaN和AlGaN合金，为直接带隙半导体，其带隙为从0.7eV～6.2eV连续可调，具有宽直接带隙、强化学键、耐高温、抗腐蚀等优良性能，是生产短波长高亮度发光器件、紫外光探测器和高温高频微电子器件的理想材料，已被广泛应用于全彩大屏幕显示器、LCD背光源、信号灯或照明等领域。
目前国内GaN基LED材料生长，在传统LED外延结构基础上产生了许多新结构，都极大的提高了LED的各项品质。P型GaN层结构设计的好坏直接影响到LED芯片的亮度、电压、漏电、抗静电能力等品质。
发明内容
有鉴于此，本申请所要解决的技术问题是提供了一种LED外延生长方法，其能够有效减少漏电通道，增强阻挡电子的能力，提高反向电压，减小漏电，还能够提升辐射复合效率，使得亮度得到提高。
为了解决上述技术问题，本申请有如下技术方案：
一种LED外延生长方法，依次包括：处理衬底、生长低温缓冲层GaN、生长不掺杂GaN层、生长掺杂Si的N型GaN层、生长掺杂In的InxGa(1-x)N/GaN层、生长P型AlyGa(1-y)N-InxGa(1-x)N超晶格层、生长掺杂Mg的P型GaN层，降温冷却，其特征在于，
所述生长掺杂Mg的P型GaN层进一步为：
保持温度910℃-930℃，反应腔压力550mbar-600mbar，在N2气氛下持续生长5nm-10nm掺Mg的P型GaN层，Mg掺杂浓度1E+19atom/cm3-2E+19atom/cm3；
升高温度到950℃-970℃，反应腔压力提高至850mbar-900mbar，在H2气氛下持续生长100nm-120nm的掺Mg的P型GaN层，Mg掺杂浓度为3E+20atom/cm3-4E+20atom/cm3。
优选地，其中，所述处理衬底进一步为：在1070℃-1100℃，反应腔压力维持在150mbar-200mbar的H2气氛下高温处理蓝宝石衬底约5分钟。
优选地，其中，所述生长低温缓冲层GaN进一步为：降温至520℃-550℃，反应腔压力维持在550mbar-600mbar，通入NH3、TMGa，在蓝宝石衬底上生长厚度为30nm-40nm的低温缓冲层GaN。
优选地，其中，所述生长不掺杂GaN层进一步为：升高温度到1020℃-1040℃，反应腔压力维持在550mbar-600mbar，通入NH3、TMGa，持续生长2μm-4μm的不掺杂GaN。
优选地，其中，所述生长掺杂Si的N型GaN层进一步为：通入NH3、TMGa，SiH4，持续生长掺杂Si的N型GaN，Si掺杂浓度1E+19atom/cm3-2E+19atom/cm3，反应腔压力维持在150mbar-200mbar，总厚度控制在2μm-4μm。
优选地，其中，所述生长掺杂In的InxGa(1-x)N/GaN层进一步为：反应腔压力维持在300mbar-350mbar，低温720℃-740℃时通入NH3、TEGa、TMIn，生长掺杂In的厚度为2.5nm-3nm的InxGa(1-x)N(x＝0.15-0.25)层，升温至800℃-820℃，通入NH3、TEGa生长厚度为10nm-13nm的GaN层。InxGa(1-x)N/GaN周期数为14-15个。
优选地，其中，所述生长P型AlyGa(1-y)N-InxGa(1-x)N超晶格层进一步为：升高温度到770℃-800℃，反应腔压力维持在200mbar-250mbar，持续生长40nm-50nm掺Mg的P型AlyGa(1-y)N-InxGa(1-x)N超晶格层，生长周期为4个；InxGa(1-x)N层的厚度为2nm-4nm，其中x＝0.2-0.3；AlyGa(1-y)N层的厚度为7nm-9nm，其中y＝0.1-0.2；Al掺杂浓度1.8E+20atom/cm3-2.2E+20atom/cm3，Mg掺杂浓度为8E+19atom/cm3-1E+20atom/cm3，In掺杂浓度为3E+18atom/cm3-5E+18atom/cm3。
优选地，其中，所述降温冷却进一步为：降温至650℃-700℃，保温20min-30min，接着炉内冷却。
与现有技术相比，本申请所述的方法，达到了如下效果：
本发明LED外延生长方法中，采用低温P型GaN层减薄生长，高温P型GaN层高压生长。低温P型GaN层减薄，既可以大大缓解因生长温度低而造成晶体质量变差，又可以减少P层偏厚对光的吸收，增加出光效率；高温P型GaN层采用高压生长，能够提高该层的结晶质量，有效减少漏电通道，增强阻挡电子的能力，提高反向电压，减小漏电。同时，与现有技术相比，高压条件下，将P层Mg掺杂浓度提高，能够促使空穴浓度明显增加，使空穴迁移率显著提升。进而增加了量子阱区的载流子浓度，提高了电子与空穴的辐射复合效率。亮度获得提高。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例1中LED外延层的结构示意图；
图2为对比实施例1中LED外延层的结构示意图；
图3为样品1、2芯片亮度对比图；
图4为样品1、2芯片反向电压对比图；
图5为样品1、2芯片Ir＜0.01μA比例对比图；
其中，1、衬底，2、缓冲层GaN，3、uGaN层，4、N型GaN层，5、InGaN，6、GaN，7、P型AlGaN，8、减薄的低温P型GaN，9、高温高压P型GaN，10、低温P型GaN，11、高温P型GaN，12、N电极，13、P电极、56、发光层。
具体实施方式
如在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。“大致”是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。此外，“耦接”一词在此包含任何直接及间接的电性耦接手段。因此，若文中描述一第一装置耦接于一第二装置，则代表所述第一装置可直接电性耦接于所述第二装置，或通过其他装置或耦接手段间接地电性耦接至所述第二装置。说明书后续描述为实施本申请的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本申请的一般原则为目的，并非用以限定本申请的范围。本申请的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。
实施例1
本发明提供一种LED外延生长方法(外延层结构参见图1)，依次包括：处理衬底、生长低温缓冲层GaN、生长不掺杂GaN层、生长掺杂Si的N型GaN层、生长掺杂In的InxGa(1-x)N/GaN层、生长P型AlyGa(1-y)N-InxGa(1-x)N超晶格层、生长掺杂Mg的P型GaN层，降温冷却，其中，
上述生长掺杂Mg的P型GaN层进一步为：
保持温度910℃-930℃，反应腔压力550mbar-600mbar，在N2气氛下持续生长5nm-10nm掺Mg的P型GaN层，Mg掺杂浓度1E+19atom/cm3-2E+19atom/cm3；
升高温度到950℃-970℃，反应腔压力提高至850mbar-900mbar，在H2气氛下持续生长100nm-120nm的掺Mg的P型GaN层，Mg掺杂浓度为3E+20atom/cm3-4E+20atom/cm3。
上述处理衬底进一步为：在1070℃-1100℃，反应腔压力维持在150mbar-200mbar的H2气氛下高温处理蓝宝石衬底约5分钟。
上述生长低温缓冲层GaN进一步为：降温至520℃-550℃，反应腔压力维持在550mbar-600mbar，通入NH3、TMGa，在蓝宝石衬底上生长厚度为30nm-40nm的低温缓冲层GaN。
上述生长不掺杂GaN层进一步为：升高温度到1020℃-1040℃，反应腔压力维持在550mbar-600mbar，通入NH3、TMGa，持续生长2μm-4μm的不掺杂GaN。
上述生长掺杂Si的N型GaN层进一步为：通入NH3、TMGa，SiH4，持续生长掺杂Si的N型GaN，Si掺杂浓度1E+19atom/cm3-2E+19atom/cm3，反应腔压力维持在150mbar-200mbar，总厚度控制在2μm-4μm。
上述生长掺杂In的InxGa(1-x)N/GaN层，即发光层，进一步为：反应腔压力维持在300mbar-350mbar，低温720℃-740℃时通入NH3、TEGa、TMIn，生长掺杂In的厚度为2.5nm-3nm的InxGa(1-x)N(x＝0.15-0.25)层，升温至800℃-820℃，通入NH3、TEGa生长厚度为10nm-13nm的GaN层。InxGa(1-x)N/GaN周期数为14-15个。
上述生长P型AlyGa(1-y)N-InxGa(1-x)N超晶格层进一步为：升高温度到770℃-800℃，反应腔压力维持在200mbar-250mbar，持续生长40nm-50nm掺Mg的P型AlyGa(1-y)N-InxGa(1-x)N超晶格层，生长周期为4个；InxGa(1-x)N层的厚度为2nm-4nm，其中x＝0.2-0.3；AlyGa(1-y)N层的厚度为7nm-9nm，其中y＝0.1-0.2；Al掺杂浓度1.8E+20atom/cm3-2.2E+20atom/cm3，Mg掺杂浓度为8E+19atom/cm3-1E+20atom/cm3，In掺杂浓度为3E+18atom/cm3-5E+18atom/cm3。
上述降温冷却进一步为：降温至650℃-700℃，保温20min-30min，接着炉内冷却。
本发明的重点在于生长掺杂Mg的P型GaN层，低温P型GaN层减薄，既可以大大缓解因生长温度低而造成晶体质量变差，又可以减少P层偏厚对光的吸收，增加出光效率；高温P型GaN层采用高压生长，能够提高该层的结晶质量，有效减少漏电通道，增强阻挡电子的能力，提高反向电压，减小漏电。高压条件下，通过提高Mg的掺杂浓度，同时降低该层的长速，以提高该层的空穴浓度，增加空穴迁移率。随着量子阱区载流子浓度的增加，辐射复合效率得到提升，亮度获得提高。
对比实施例1
传统LED外延层的生长方法为(外延层结构参见图2)：
1、在1070℃-1100℃，反应腔压力维持在150mbar-200mbar的H2气氛下高温处理蓝宝石衬底约5分钟。
2、降温至520℃-550℃，反应腔压力维持在550mbar-600mbar，通入NH3、TMGa，在蓝宝石衬底上生长厚度为30nm-40nm的低温缓冲层GaN。
3、升高温度到1020℃-1040℃，反应腔压力维持在550mbar-600mbar，通入NH3、TMGa，持续生长2μm-4μm的不掺杂GaN。
4、通入NH3、TMGa，SiH4，持续生长掺杂Si的N型GaN，Si掺杂浓度1E+19atom/cm3-2E+19atom/cm3，反应腔压力维持在150mbar-200mbar，总厚度控制在2μm-4μm。
5、反应腔压力维持在300mbar-350mbar，低温720℃-740℃时通入NH3、TEGa、TMIn，生长掺杂In的厚度为2.5nm-3nm的InxGa(1-x)N(x＝0.15-0.25)层，升温至800℃-820℃，通入NH3、TEGa生长厚度为10nm-13nm的GaN层。InxGa(1-x)N/GaN周期数为14-15个。
6、升高温度到770℃-800℃，反应腔压力维持在200mbar-250mbar，持续生长40nm-50nm掺Mg的P型AlyGa(1-y)N-InxGa(1-x)N超晶格层，生长周期为4个；InxGa(1-x)N层的厚度为2nm-4nm，其中x＝0.2-0.3；AlyGa(1-y)N层的厚度为7nm-9nm，其中y＝0.1-0.2；Al掺杂浓度1.8E+20atom/cm3-2.2E+20atom/cm3，Mg掺杂浓度为8E+19atom/cm3-1E+20atom/cm3，In掺杂浓度为3E+18atom/cm3-5E+18atom/cm3。
7、保持温度910℃-930℃，反应腔压力550mbar-600mbar，在N2气氛下持续生长20nm-25nm掺Mg的P型GaN层，Mg掺杂浓度1E+19atom/cm3-2E+19atom/cm3。
8、升高温度到950℃-970℃，反应腔压力不变，在H2气氛下持续生长100nm-120nm的掺Mg的P型GaN层，Mg掺杂浓度为1E+20atom/cm3-2E+20atom/cm3。
9、降温至650℃-700℃，保温20min-30min，接着炉内冷却。
根据传统的LED外延层的生长方法制备样品1，根据本专利描述的方法制备样品2；样品1和样品2外延生长方法参数不同点在是否低温P型GaN层减薄生长，高温P型GaN层高压生长，且是否提高高温P层Mg的掺杂浓度，降低该层的长速，其它外延层生长条件完全一样。相同的前工艺条件下镀ITO层约150nm，相同的条件下镀Cr/Pt/Au电极约70nm，相同的条件下镀保护层SiO2约30nm，然后在相同的条件下将样品研磨切割成16mil*33mil的芯片颗粒，最后在相同的测试机台上测试样品1、2的光电特性，图3为样品1、2芯片亮度对比图；图4为样品1、2芯片反向电压对比图；图5为样品1、2芯片Ir＜0.01μA比例对比图。
将样品1、2的测试数据进行对比分析(请参考附图3，附图4和附图5)，从图3数据得出样品2较样品1的亮度平均值提升约3％，从图4数据得出样品2较样品1的反向电压平均值提升约25.6％，从图5数据得出样品2较样品1的Ir<0.01μA的比例提升约26.3％。
综上，本发明所述的方法达到了如下效果：
本发明LED外延生长方法中，采用低温P型GaN层减薄生长，高温P型GaN层高压生长。低温P型GaN层减薄，既可以大大缓解因生长温度低而造成晶体质量变差，又可以减少P层偏厚对光的吸收，增加出光效率；高温P型GaN层采用高压生长，能够提高该层的结晶质量，有效减少漏电通道，增强阻挡电子的能力，提高反向电压，减小漏电。同时，与现有技术相比，高压条件下，将P层Mg掺杂浓度提高，能够促使空穴浓度明显增加，使空穴迁移率显著提升。进而增加了量子阱区的载流子浓度，提高了电子与空穴的辐射复合效率。亮度获得提高。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、装置、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
上述说明示出并描述了本申请的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本申请并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本申请的精神和范围，则都应在本申请所附权利要求的保护范围内。
Claims (8)
1.一种LED外延生长方法，依次包括：处理衬底、生长低温缓冲层GaN、生长不掺杂GaN层、生长掺杂Si的N型GaN层、生长掺杂In的InxGa(1-x)N/GaN层、生长P型AlyGa(1-y)N-InxGa(1-x)N超晶格层、生长掺杂Mg的P型GaN层，降温冷却，其特征在于，
所述生长掺杂Mg的P型GaN层进一步为：
保持温度910℃-930℃，反应腔压力550mbar-600mbar，在N2气氛下持续生长5nm-10nm掺Mg的P型GaN层，Mg掺杂浓度1E+19atom/cm3-2E+19atom/cm3；
升高温度到950℃-970℃，反应腔压力提高至850mbar-900mbar，在H2气氛下持续生长100nm-120nm的掺Mg的P型GaN层，Mg掺杂浓度为3E+20atom/cm3-4E+20atom/cm3。
2.根据权利要求1所述LED外延生长方法，其特征在于，
所述处理衬底进一步为：
在1070℃-1100℃，反应腔压力维持在150mbar-200mbar的H2气氛下高温处理蓝宝石衬底约5分钟。
3.根据权利要求2所述LED外延生长方法，其特征在于，
所述生长低温缓冲层GaN进一步为：
降温至520℃-550℃，反应腔压力维持在550mbar-600mbar，通入NH3、TMGa，在蓝宝石衬底上生长厚度为30nm-40nm的低温缓冲层GaN。
4.根据权利要求3所述LED外延生长方法，其特征在于，
所述生长不掺杂GaN层进一步为：
升高温度到1020℃-1040℃，反应腔压力维持在550mbar-600mbar，通入NH3、TMGa，持续生长2μm-4μm的不掺杂GaN。
5.根据权利要求4所述LED外延生长方法，其特征在于，
所述生长掺杂Si的N型GaN层进一步为：
通入NH3、TMGa，SiH4，持续生长掺杂Si的N型GaN，Si掺杂浓度1E+19atom/cm3-2E+19atom/cm3，反应腔压力维持在150mbar-200mbar，总厚度控制在2μm-4μm。
6.根据权利要求1所述LED外延生长方法，其特征在于，
所述生长掺杂In的InxGa(1-x)N/GaN层进一步为：
反应腔压力维持在300mbar-350mbar，低温720℃-740℃时通入NH3、TEGa、TMIn，生长掺杂In的厚度为2.5nm-3nm的InxGa(1-x)N(x＝0.15-0.25)层，升温至800℃-820℃，通入NH3、TEGa生长厚度为10nm-13nm的GaN层。InxGa(1-x)N/GaN周期数为14-15个。
7.根据权利要求1所述LED外延生长方法，其特征在于，
所述生长P型AlyGa(1-y)N-InxGa(1-x)N超晶格层进一步为：
升高温度到770℃-800℃，反应腔压力维持在200mbar-250mbar，持续生长40nm-50nm掺Mg的P型AlyGa(1-y)N-InxGa(1-x)N超晶格层，生长周期为4个；
InxGa(1-x)N层的厚度为2nm-4nm，其中x＝0.2-0.3；AlyGa(1-y)N层的厚度为7nm-9nm，其中y＝0.1-0.2；
Al掺杂浓度1.8E+20atom/cm3-2.2E+20atom/cm3，Mg掺杂浓度为8E+19atom/cm3-1E+20atom/cm3，In掺杂浓度为3E+18atom/cm3-5E+18atom/cm3。
8.根据权利要求1所述LED外延生长方法，其特征在于，
所述降温冷却进一步为：
降温至650℃-700℃，保温20min-30min，接着炉内冷却。
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