CN105679892A - 一种发光二极管的外延结构及外延生长方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种发光二极管的外延结构及外延生长方法，属于半导体技术领域。所述外延结构包括蓝宝石衬底、以及依次层叠在所述蓝宝石衬底上的GaN缓冲层、未掺杂GaN层、N型GaN层、浅阱层、多量子阱层、低温P型GaN层、P型AlGaN电子阻挡层、高温P型GaN层、P型GaN接触层，所述外延结构还包括层叠在所述蓝宝石衬底和所述GaN缓冲层之间的AlxGa1-xN缓冲层，0.3≤x≤0.8。本发明通过在主要成分为Al2O3的蓝宝石衬底和GaN缓冲层之间设置AlxGa1-xN缓冲层，可以有效减缓因Al2O3和GaN之间晶格失配产生的缺陷和位错，减少发光二极管的漏电通道，提高发光二极管的抗静电能力。
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的外延结构及外延生长方法。
背景技术
发光二极管(LightEmittingDiode，简称LED)的核心部分是由P型半导体和N型半导体组成的晶片，在P型半导体和N型半导体之间有一个过渡层，称为PN结。在某些半导体材料的PN结中，注入的空穴与电子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能。
目前生产GaN基LED所用的衬底80％使用蓝宝石(Al2O3)衬底，然而Al2O3与GaN的晶格失配和热膨胀系数差异都很大，在外延生长过程中，引入了大量的晶格缺陷并产生了应力。这些位错往往会沿着晶格通过PN结中的发光层延伸到外延结构表面，形成穿透位错，使得LED的晶体质量变差，局部电流容易过大而造成失效，抗静电能力差。
发明内容
为了解决现有技术大量的位错造成LED抗静电能力差的问题，本发明实施例提供了一种发光二极管的外延结构及外延生长方法。所述技术方案如下：
一方面，本发明实施例提供了一种发光二极管的外延结构，所述外延结构包括蓝宝石衬底、以及依次层叠在所述蓝宝石衬底上的GaN缓冲层、未掺杂GaN层、N型GaN层、浅阱层、多量子阱层、低温P型GaN层、P型AlGaN电子阻挡层、高温P型GaN层、P型GaN接触层，所述外延结构还包括层叠在所述蓝宝石衬底和所述GaN缓冲层之间的AlxGa1-xN缓冲层，0.3≤x≤0.8。
可选地，所述AlxGa1-xN缓冲层的厚度为2～8nm。
另一方面，本发明实施例提供了一种发光二极管的外延生长方法，所述外延生长方法包括：
在蓝宝石衬底上生长AlxGa1-xN缓冲层，0.3≤x≤0.8；
对所述AlxGa1-xN缓冲层进行高温退火处理；
在所述AlxGa1-xN缓冲层上生长GaN缓冲层；
在所述GaN缓冲层上生长未掺杂GaN层；
在所述未掺杂GaN层上生长N型GaN层；
在所述N型GaN层上生长浅阱层；
在所述浅阱层上生长多量子阱层；
在所述多量子阱层上生长低温P型GaN层；
在所述低温P型GaN层上生长P型AlGaN电子阻挡层；
在所述P型AlGaN电子阻挡层上生长高温P型GaN层；
在所述高温P型GaN层上生长P型GaN接触层。
可选地，所述AlxGa1-xN缓冲层的厚度为2～8nm。
可选地，所述AlxGa1-xN缓冲层的生长温度为500～650℃。
可选地，所述AlxGa1-xN缓冲层的生长压力为50～200Torr。
可选地，所述高温退火处理的温度为1000～1100℃。
可选地，所述高温退火处理的时间为3～10min。
可选地，在所述在蓝宝石衬底上生长AlxGa1-xN缓冲层之前，所述外延生长方法还包括：
将所述蓝宝石衬底在1000～1200℃的H2气氛里进行高温清洁处理5～20min，并进行氮化处理。
可选地，在所述高温P型GaN层上生长P型接触层之后，所述外延生长方法还包括：
在600～900℃的PN2气氛里进行退火处理10～30min，并将温度逐渐降至室温。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
通过在主要成分为Al2O3的蓝宝石衬底和GaN缓冲层之间设置AlxGa1-xN缓冲层，可以有效减缓因Al2O3和GaN之间晶格失配产生的缺陷和位错，减少发光二极管的漏电通道，提高发光二极管的抗静电能力。
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的外延结构的结构示意图；
图2是本发明实施例二提供的一种发光二极管的外延生长方法的流程图；
图3是本发明实施例三提供的一种发光二极管的外延生长方法的流程图；
图4是本发明实施例四提供的一种发光二极管的外延生长方法的流程图。
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的外延结构，参见图1，该外延结构包括蓝宝石衬底1、以及依次层叠在蓝宝石衬底1上的AlxGa1-xN缓冲层2、GaN缓冲层3、未掺杂GaN层4、N型GaN层5、浅阱层6、多量子阱层7、低温P型GaN层8、P型AlGaN电子阻挡层9、高温P型GaN层10、P型GaN接触层11，0.3≤x≤0.8。
在本实施例中，浅阱层6和多量子阱层7均包括交替层叠的InGaN层和GaN层。
可选地，AlxGa1-xN缓冲层2的厚度可以为2～8nm。当AlxGa1-xN缓冲层2的厚度小于2nm时，无法有效缓解Al2O3和GaN之间的晶格失配；当AlxGa1-xN缓冲层2的厚度大于8nm时，会造成浪费，提高生产成本。
可选地，GaN缓冲层3的厚度可以为10～30nm，V/III比为100～400。
可选地，未掺杂GaN层4的厚度可以为1～2μm，V/III比为200～3000。
可选地，N型GaN层5的厚度可以为1.5～3.5μm，V/III比为400～3000。
可选地，浅阱层6中InGaN层和GaN层的层数之和可以为10～40层。
可选地，浅阱层6中InGaN层的厚度可以为1～4nm，，V/III比为100～500；浅阱层6中GaN层的厚度可以为10～30nm，V/III比为100～500。
可选地，多量子阱层7中InGaN层和GaN层的层数之和可以为12～30层。
可选地，多量子阱层7中InGaN层的厚度可以为2～5nm，V/III比为100～500；多量子阱层7中GaN层的厚度可以为5～15nm，V/III比为100～500。
可选地，低温P型GaN层8的厚度可以为30～120nm，V/III比为1000～4000。
可选地，P型AlGaN电子阻挡层9的厚度可以为50～150nm，V/III比为1000～10000。
可选地，高温P型GaN层10的厚度可以为50～150nm，V/III比为500～4000。
可选地，P型GaN接触层11的厚度可以为3～10nm，V/III比为10000～20000。
在本实施例中，V/III比为Ⅴ价原子与Ⅲ价原子的摩尔比。
本发明实施例通过在主要成分为Al2O3的蓝宝石衬底和GaN缓冲层之间设置AlxGa1-xN缓冲层，可以有效减缓因Al2O3和GaN之间晶格失配产生的缺陷和位错，减少发光二极管的漏电通道，提高发光二极管的抗静电能力。
实施例二
本发明实施例提供了一种发光二极管的外延生长方法，是实施例一提供的发光二极管的外延结构的一种具体实现方式，参见图2，该外延生长方法包括：
步骤201：将蓝宝石衬底在1000～1200℃的H2气氛里进行高温清洁处理5～20min，并进行氮化处理。
步骤202：将温度下降到500～550℃，在50～200Torr的生长压力下生长厚度为4～8nm的AlxGa1-xN缓冲层(0.3≤x≤0.5)。
步骤203：将温度上升至1000～1100℃，对AlxGa1-xN缓冲层进行3～6min的高温退火处理。
步骤204：将温度下降到450～600℃，在100～200Torr的生长压力下生长20～30nm、V/III比为100～400的GaN缓冲层。
步骤205：将温度上升至1000～1200℃，在100～500Torr的生长压力下生长厚度为1～2μm、V/III比为200～3000的未掺杂GaN层。
步骤206：将温度调节至950～1150℃，在300～500Torr的生长压力下生长厚度为1.5～3.5μm、Ⅴ/Ⅲ比为400～3000的N型GaN层。
步骤207：交替生长5～20层厚度为1～4nm、Ⅴ/Ⅲ比为500～10000的InyGa1-yN层(0<y<0.1)和5～20层厚度为10～30nm、Ⅴ/Ⅲ比为500～10000的GaN层，形成浅阱层，InyGa1-yN层的生长温度为750～850℃，生长压力为100～500Torr，GaN层的生长温度为850～950℃，生长压力为100～500Torr。
步骤208：交替生长6～15层厚度为2～5nm、Ⅴ/Ⅲ比为2000～20000的InzGa1-zN层(0.2<z<0.5)和6～15层厚度为5～15nm、Ⅴ/Ⅲ比为2000～20000的GaN层，形成多量子阱层，InzGa1-zN层的生长温度为700～850℃，生长压力为100～500Torr，GaN层的生长温度为850～950℃，生长压力为100～500Torr。
步骤209：将温度调节至700～800℃，在100～600Torr的生长压力下生长30～120nm、V/III比为1000～4000的低温P型GaN层，生长时间为3～15min。
步骤210：将温度升高至900～1000℃，在50～300Torr的生长压力下生长50～150nm、V/III比为1000～10000的P型AlGaN电子阻挡层，生长时间为4～15min。
步骤211：将温度调节至900～1050℃，在100～500Torr的生长压力下生长50～150nm、V/III比为500～4000的高温P型GaN层，生长时间为10～20min。
步骤212：将温度下降到700～850℃，在100～500Torr的生长压力下生长3～10nm、V/III比为10000～20000的P型GaN接触层，生长时间为0.5～5min。
步骤213：在600～900℃的PN2气氛里进行退火处理10～30min，并将温度逐渐降至室温。
本发明实施例通过在主要成分为Al2O3的蓝宝石衬底和GaN缓冲层之间设置AlxGa1-xN缓冲层，可以有效减缓因Al2O3和GaN之间晶格失配产生的缺陷和位错，减少发光二极管的漏电通道，提高发光二极管的抗静电能力。
实施例三
本发明实施例提供了一种发光二极管的外延生长方法，是实施例一提供的发光二极管的外延结构的另一种具体实现方式，参见图3，该外延生长方法包括：
步骤301：将蓝宝石衬底在1000～1200℃的H2气氛里进行高温清洁处理5～20min，并进行氮化处理。
步骤302：将温度下降到500～600℃，在50～150Torr的生长压力下生长厚度为3～6nm的AlxGa1-xN缓冲层(0.4≤x≤0.6)。
步骤303：将温度上升至1000～1100℃，对AlxGa1-xN缓冲层进行4～8min的高温退火处理。
步骤304：将温度下降到450～600℃，在100～200Torr的生长压力下生长15～25nm、V/III比为100～300的GaN缓冲层。
步骤305：将温度上升至1000～1200℃，在100～500Torr的生长压力下生长厚度为1～2μm、V/III比为200～3000的未掺杂GaN层。
步骤306：将温度调节至950～1150℃，在300～500Torr的生长压力下生长厚度为1.5～3.5μm、Ⅴ/Ⅲ比为400～3000的N型GaN层。
步骤307：交替生长5～20层厚度为1～4nm、Ⅴ/Ⅲ比为500～10000的InyGa1-yN层(0<y<0.1)和5～20层厚度为10～30nm、Ⅴ/Ⅲ比为500～10000的GaN层，形成浅阱层，InyGa1-yN层的生长温度为750～850℃，生长压力为100～500Torr，GaN层的生长温度为850～950℃，生长压力为100～500Torr。
步骤308：交替生长6～15层厚度为2～5nm、Ⅴ/Ⅲ比为2000～20000的InzGa1-zN层(0.2<z<0.5)和6～15层厚度为5～15nm、Ⅴ/Ⅲ比为2000～20000的GaN层，形成多量子阱层，InzGa1-zN层的生长温度为700～850℃，生长压力为100～500Torr，GaN层的生长温度为850～950℃，生长压力为100～500Torr。
步骤309：将温度调节至700～800℃，在100～600Torr的生长压力下生长30～120nm、V/III比为1000～4000的低温P型GaN层，生长时间为3～15min。
步骤310：将温度升高至900～1000℃，在50～300Torr的生长压力下生长50～150nm、V/III比为1000～10000的P型AlGaN电子阻挡层，生长时间为4～15min。
步骤311：将温度调节至900～1050℃，在100～500Torr的生长压力下生长50～150nm、V/III比为500～4000的高温P型GaN层，生长时间为10～20min。
步骤312：将温度下降到700～850℃，在100～500Torr的生长压力下生长3～10nm、V/III比为10000～20000的P型GaN接触层，生长时间为0.5～5min。
步骤313：在600～900℃的PN2气氛里进行退火处理10～30min，并将温度逐渐降至室温。
本发明实施例通过在主要成分为Al2O3的蓝宝石衬底和GaN缓冲层之间设置AlxGa1-xN缓冲层，可以有效减缓因Al2O3和GaN之间晶格失配产生的缺陷和位错，减少发光二极管的漏电通道，提高发光二极管的抗静电能力。
实施例四
本发明实施例提供了一种发光二极管的外延生长方法，是实施例一提供的发光二极管的外延结构的又一种具体实现方式，参见图4，该外延生长方法包括：
步骤401：将蓝宝石衬底在1000～1200℃的H2气氛里进行高温清洁处理5～20min，并进行氮化处理。
步骤402：将温度下降到500～650℃，在50～100Torr的生长压力下生长厚度为2～5nm的AlxGa1-xN缓冲层(0.6≤x≤0.8)。
步骤403：将温度上升至1000～1100℃，对AlxGa1-xN缓冲层进行5～10min的高温退火处理。
步骤404：将温度下降到450～600℃，在100～200Torr的生长压力下生长10～20nm、V/III比为100～400的GaN缓冲层。
步骤405：将温度上升至1000～1200℃，在100～500Torr的生长压力下生长厚度为1～2μm、V/III比为200～3000的未掺杂GaN层。
步骤406：将温度调节至950～1150℃，在300～500Torr的生长压力下生长厚度为1.5～3.5μm、Ⅴ/Ⅲ比为400～3000的N型GaN层。
步骤407：交替生长5～20层厚度为1～4nm、Ⅴ/Ⅲ比为500～10000的InyGa1-yN层(0<y<0.1)和5～20层厚度为10～30nm、Ⅴ/Ⅲ比为500～10000的GaN层，形成浅阱层，InyGa1-yN层的生长温度为750～850℃，生长压力为100～500Torr，GaN层的生长温度为850～950℃，生长压力为100～500Torr。
步骤408：交替生长6～15层厚度为2～5nm、Ⅴ/Ⅲ比为2000～20000的InzGa1-zN层(0.2<z<0.5)和6～15层厚度为5～15nm、Ⅴ/Ⅲ比为2000～20000的GaN层，形成多量子阱层，InzGa1-zN层的生长温度为700～850℃，生长压力为100～500Torr，GaN层的生长温度为850～950℃，生长压力为100～500Torr。
步骤409：将温度调节至700～800℃，在100～600Torr的生长压力下生长30～120nm、V/III比为1000～4000的低温P型GaN层，生长时间为3～15min。
步骤410：将温度升高至900～1000℃，在50～300Torr的生长压力下生长50～150nm、V/III比为1000～10000的P型AlGaN电子阻挡层，生长时间为4～15min。
步骤411：将温度调节至900～1050℃，在100～500Torr的生长压力下生长50～150nm、V/III比为500～4000的高温P型GaN层，生长时间为10～20min。
步骤412：将温度下降到700～850℃，在100～500Torr的生长压力下生长3～10nm、V/III比为10000～20000的P型GaN接触层，生长时间为0.5～5min。
步骤413：在600～900℃的PN2气氛里进行退火处理10～30min，并将温度逐渐降至室温。
本发明实施例通过在主要成分为Al2O3的蓝宝石衬底和GaN缓冲层之间设置AlxGa1-xN缓冲层，可以有效减缓因Al2O3和GaN之间晶格失配产生的缺陷和位错，减少发光二极管的漏电通道，提高发光二极管的抗静电能力。
需要说明的是，上述实施例中以三甲基镓(TMGa)、三乙基镓(TEGa)、三甲基铝(TMAl)、三甲基铟(TMIn)和氨气(NH3)分别作为Ga、Al、In和N源，以硅烷(SiH4)和二茂镁(CP2Mg)分别作为N、P型掺杂剂，以氮气(N2)或氢气(H2)作为载气。
将外延生长形成的外延结构经过清洗、沉积、光刻和刻蚀后续加工工艺制成单颗9*18mil芯片。经过LED芯片测试后发现，静电释放(Electro-Staticdischarge，简称ESD)测试电压为6000V时，LED芯片漏电流明显偏小，良率有明显的提升。
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)
1.一种发光二极管的外延结构，所述外延结构包括蓝宝石衬底、以及依次层叠在所述蓝宝石衬底上的GaN缓冲层、未掺杂GaN层、N型GaN层、浅阱层、多量子阱层、低温P型GaN层、P型AlGaN电子阻挡层、高温P型GaN层、P型GaN接触层，其特征在于，所述外延结构还包括层叠在所述蓝宝石衬底和所述GaN缓冲层之间的AlxGa1-xN缓冲层，0.3≤x≤0.8。
2.根据权利要求1所述的外延结构，其特征在于，所述AlxGa1-xN缓冲层的厚度为2～8nm。
3.一种发光二极管的外延生长方法，其特征在于，所述外延生长方法包括：
在蓝宝石衬底上生长AlxGa1-xN缓冲层，0.3≤x≤0.8；
对所述AlxGa1-xN缓冲层进行高温退火处理；
在所述AlxGa1-xN缓冲层上生长GaN缓冲层；
在所述GaN缓冲层上生长未掺杂GaN层；
在所述未掺杂GaN层上生长N型GaN层；
在所述N型GaN层上生长浅阱层；
在所述浅阱层上生长多量子阱层；
在所述多量子阱层上生长低温P型GaN层；
在所述低温P型GaN层上生长P型AlGaN电子阻挡层；
在所述P型AlGaN电子阻挡层上生长高温P型GaN层；
在所述高温P型GaN层上生长P型GaN接触层。
4.根据权利要求3所述的外延生长方法，其特征在于，所述AlxGa1-xN缓冲层的厚度为2～8nm。
5.根据权利要求3或4所述的外延生长方法，其特征在于，所述AlxGa1-xN缓冲层的生长温度为500～650℃。
6.根据权利要求3或4所述的外延生长方法，其特征在于，所述AlxGa1-xN缓冲层的生长压力为50～200Torr。
7.根据权利要求3或4所述的外延生长方法，其特征在于，所述高温退火处理的温度为1000～1100℃。
8.根据权利要求3或4所述的外延生长方法，其特征在于，所述高温退火处理的时间为3～10min。
9.根据权利要求3或4所述的外延生长方法，其特征在于，在所述在蓝宝石衬底上生长AlxGa1-xN缓冲层之前，所述外延生长方法还包括：
将所述蓝宝石衬底在1000～1200℃的H2气氛里进行高温清洁处理5～20min，并进行氮化处理。
10.根据权利要求3或4所述的外延生长方法，其特征在于，在所述高温P型GaN层上生长P型接触层之后，所述外延生长方法还包括：
在600～900℃的PN2气氛里进行退火处理10～30min，并将温度逐渐降至室温。
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