CN106206869B - 一种GaN基发光二极管外延片的生长方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种GaN基发光二极管外延片的生长方法，属于半导体技术领域。所述生长方法包括：升高温度将衬底在纯氢气气氛下进行热处理；降低温度沉积缓冲层；进行多个阶段的升温，再生长过渡层，过渡层为从二维生长先转为三维生长再转为二维生长的多层AlGaN层，多层AlGaN层包括交替层叠的第一AlGaN层和第二AlGaN层，第一AlGaN层和第二AlGaN层的Al组分不同，同一阶段的温度恒定，且不同阶段的温度随时间的增长而升高；升高温度沉积非掺杂GaN层；生长N型层；交替生长InGaN层和GaN层，形成多量子阱层；生长P型电子阻挡层；生长P型层；生长P型接触层。本发明适应大尺寸外延片的生产。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种GaN基发光二极管外延片的生长方法。
背景技术
发光二极管(Light Emitting Diodes，简称LED)具有体积小、颜色丰富多彩、使用寿命长等优点，是信息光电子新兴产业中极具影响力的新产品，广泛应用于照明、显示屏、信号灯、背光源、玩具等领域。以GaN为代表的Ⅲ族氮化物是直接带隙的宽禁带半导体，具有导热率高、发光效率高、物理化学性质稳定、能实现P型或N型掺杂的优点，而且GaN的多元合金InGaN和GaN构成的量子阱结构，发光波长可覆盖整个可见光区域，还具有较高的内量子效率，因此GaN是制作LED的理想材料。
随着近年来经济的不断发展和人力成本的不断提高，LED芯片厂商已经逐步超大尺寸外延工艺(大于2英寸的外延片)发展，以提高生产效率和LED芯片产能(如6英寸外延片为4英寸外延片的2倍、3英寸外延片的3-4倍、2英寸外延片的8-9倍)，降低生产成本。
在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题：
GaN基外延片与蓝宝石衬底之间存在晶格失配，造成高密度缺陷、热膨胀系数大，应力释放不充分导致外延片表面不平整，大尺寸外延片具有更高的翘曲度，破片率较高，严重制约大尺寸外延技术的发展。
发明内容
为了解决现有技术翘曲度和破片率较高的问题，本发明实施例提供了一种GaN基发光二极管外延片的生长方法。所述技术方案如下：
本发明实施例提供了一种GaN基发光二极管外延片的生长方法，所述生长方法包括：
升高温度将衬底在纯氢气气氛下进行热处理；
降低温度沉积缓冲层；
进行多个阶段的升温，再生长过渡层，所述过渡层为从二维生长先转为三维生长再转为二维生长的多层AlGaN层，所述多层AlGaN层包括交替层叠的第一AlGaN层和第二AlGaN层，所述第一AlGaN层和所述第二AlGaN层的Al组分不同，同一所述阶段的温度恒定，且不同所述阶段的温度随时间的增长而升高；
升高温度沉积非掺杂GaN层；
生长掺杂Si的GaN层，形成N型层；
交替生长InGaN层和GaN层，形成多量子阱层；
生长掺杂Mg的AlGaN层，形成P型电子阻挡层；
生长掺杂Mg的GaN层，形成P型层；
生长掺杂Mg的GaN层，形成P型接触层，所述P型接触层的厚度小于所述P型层的厚度。
可选地，各层所述第一AlGaN层的Al组分相同，各层所述第二AlGaN层的Al组分沿所述过渡层的生长方向变化；或者，各层所述第一AlGaN层的Al组分沿所述过渡层的生长方向变化，各层所述第二AlGaN层的Al组分相同。
优选地，所述沿所述过渡层的生长方向变化为增加、减少、先增加再减少、先减少再增加、周期性变化中的任一种。
可选地，各层所述第一AlGaN层的Al组分和各层所述第二AlGaN层的Al组分均沿所述过渡层的生长方向变化。
优选地，所述均沿所述过渡层的生长方向变化为以下方式组合中的任一种：
各层所述第一AlGaN层的Al组分沿所述过渡层的生长方向减少，各层所述第二AlGaN层的Al组分沿所述过渡层的生长方向增加；
各层所述第一AlGaN层的Al组分沿所述过渡层的生长方向增加，各层所述第二AlGaN层的Al组分沿所述过渡层的生长方向减少；
各层所述第一AlGaN层的Al组分和各层所述第二AlGaN层的Al组分均沿所述过渡层的生长方向增加；
各层所述第一AlGaN层的Al组分和各层所述第二AlGaN层的Al组分均沿所述过渡层的生长方向减少；
各层所述第一AlGaN层的Al组分和各层所述第二AlGaN层的Al组分均沿所述过渡层的生长方向周期性变化。
可选地，所述AlGaN层的厚度为10～500nm。
可选地，所述过渡层的厚度小于或等于1.5μm。
可选地，不同所述阶段的温度的升高速率保持不变、逐渐减小或者逐渐升高。
可选地，所述升高温度将衬底在纯氢气气氛下进行热处理，包括：
进行多个阶段的升温，再将所述衬底在纯氢气气氛下进行热处理，同一所述阶段的温度恒定，且不同所述阶段的温度随时间的增长而升高。
可选地，所述衬底的尺寸为3英寸、4英寸、6英寸、8英寸或者2英寸。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
通过进行多个阶段的升温，再生长过渡层，同一阶段的温度恒定，且不同阶段的温度随时间的增长而升高，温场稳定、受热均匀，有利于底层温场的均匀性和稳定性，降低因热膨胀系数的差异而引起的张应力，缓解晶格失配产生的应力，改善外延片的翘曲度，提高晶体质量。而且采用两种Al组分不同的AlGaN层交替层叠形成过渡层，可以有效改善GaN材料与衬底之间的热失配和晶格失配，降低外延片中的应力和缺陷，进一步减小外延片的翘曲度和提高晶体质量，提高空穴的注入效率和器件的发光效率，减少破片率，适应大尺寸外延片的生产。
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GaN基发光二极管外延片的生长方法的流程图；
图2a是本发明实施例一提供的温度速率保持不变的示意图；
图2b是本发明实施例一提供的温度速率逐渐减小的示意图；
图2c是本发明实施例一提供的温度速率逐渐增大的示意图；
图3是本发明实施例二提供的一种GaN基发光二极管外延片的生长方法的流程图；
图4是本发明实施例二提供的过渡层的Al组分的示意图；
图5是本发明实施例三提供的过渡层的Al组分的示意图；
图6是本发明实施例四提供的过渡层的Al组分的示意图；
图7是本发明实施例五提供的过渡层的Al组分的示意图；
图8是本发明实施例六提供的过渡层的Al组分的示意图；
图9是本发明实施例七提供的过渡层的Al组分的示意图。
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GaN基发光二极管外延片的生长方法，参见图1，该生长方法包括：
步骤101：升高温度将衬底在纯氢气气氛下进行热处理。
可选地，该步骤101可以包括：
进行多个阶段的升温，再将衬底在纯氢气气氛下进行热处理。
在本实施例中，同一阶段的温度恒定，且不同阶段的温度随时间的增长而升高。
可选地，不同阶段的温度的升高速率可以保持不变(如图2a所示)、逐渐减小(如图2b所示)或者逐渐升高(如图2c所示)。
可选地，相邻两个阶段的温度的差值可以根据外延生长的要求设定，以选取匹配外延片生长的最优值。
优选地，相邻两个阶段的温度的差值可以为定值。
优选地，相邻两个阶段的温度的差值可以各不相同。
可选地，各个阶段占用的时间可以根据外延生长的要求设定，以选取匹配外延片生长的最优值。
优选地，各个阶段占用的时间可以为定值。
优选地，各个阶段占用的时间可以各不相同。
具体地，衬底的尺寸可以为3英寸、4英寸、6英寸、8英寸或者2英寸。
具体地，衬底的材料可以采用蓝宝石、Si、SiC、GaN、AlN、ZnO、GaAs、金属中的任一种。
需要说明的是，热处理的目的是清洁衬底表面。
步骤102：降低温度沉积缓冲层。
步骤103：进行多个阶段的升温，再生长过渡层。
在本实施例中，过渡层为从二维生长先转为三维生长再转为二维生长的多层AlGaN层。多层AlGaN层包括交替层叠的第一AlGaN层和第二AlGaN层，第一AlGaN层和第二AlGaN层的Al组分不同。同一阶段的温度恒定，且不同阶段的温度随时间的增长而升高。具体地，第一AlGaN层为AlxGa1-xN层，第二AlGaN层为AlyGa1-yN层，0＜x＜1，0＜y＜1，x≠y。
可选地，不同阶段的温度的升高速率可以保持不变(如图2a所示)、逐渐减小(如图2b所示)或者逐渐升高(如图2c所示)。
可选地，相邻两个阶段的温度的差值可以根据外延生长的要求设定，以选取匹配外延片生长的最优值。
优选地，相邻两个阶段的温度的差值可以为定值。
优选地，相邻两个阶段的温度的差值可以各不相同。
可选地，各个阶段占用的时间可以根据外延生长的要求设定，以选取匹配外延片生长的最优值。
优选地，各个阶段占用的时间可以为定值。
优选地，各个阶段占用的时间可以各不相同。
需要说明的是，热处理之前进行多个阶段的升温的方式与生长过渡层之前进行多个阶段的升温的方式可以相同，也可以不同。例如，热处理之前进行多个阶段的升温的速率逐渐升高，生长过渡层之前进行多个阶段的升温的速率保持不变。
在本实施例的一种实现方式中，可以各层第一AlGaN层的Al组分相同，各层第二AlGaN层的Al组分沿过渡层的生长方向变化；也可以各层第一AlGaN层的Al组分沿过渡层的生长方向变化，各层第二AlGaN层的Al组分相同。
可选地，沿过渡层的生长方向变化可以为增加、减少、先增加再减少、先减少再增加、周期性变化中的任一种。
在本实施例的另一种实现方式中，可以各层第一AlGaN层的Al组分和各层第二AlGaN层的Al组分均沿过渡层的生长方向变化。
可选地，均沿过渡层的生长方向变化可以为以下方式组合中的任一种：
各层第一AlGaN层的Al组分沿过渡层的生长方向减少，各层第二AlGaN层的Al组分沿过渡层的生长方向增加；
各层第一AlGaN层的Al组分沿过渡层的生长方向增加，各层第二AlGaN层的Al组分沿过渡层的生长方向减少；
各层第一AlGaN层的Al组分和各层第二AlGaN层的Al组分均沿过渡层的生长方向增加；
各层第一AlGaN层的Al组分和各层第二AlGaN层的Al组分均沿过渡层的生长方向减少；
各层第一AlGaN层的Al组分和各层第二AlGaN层的Al组分均沿过渡层的生长方向周期性变化。
可选地，AlGaN层的厚度可以为10～500nm。
可选地，过渡层的厚度可以小于或等于1.5μm。
步骤104：升高温度沉积非掺杂GaN层。
步骤105：生长掺杂Si的GaN层，形成N型层。
步骤106：交替生长InGaN层和GaN层，形成多量子阱层。
步骤107：生长掺杂Mg的AlGaN层，形成P型电子阻挡层。
步骤108：生长掺杂Mg的GaN层，形成P型层。
步骤109：生长掺杂Mg的GaN层，形成P型接触层。
在本实施例中，P型接触层的厚度小于P型层的厚度。
在实际应用中，还可以对外延片中除过渡层之外的其它层先进行多个阶段的温度调整再生长，如非掺杂GaN层。具体地，该步骤104可以包括：进行多个阶段的升温，再沉积非掺杂GaN层，同一阶段的温度恒定，且不同阶段的温度随时间的增长而升高。
本发明实施例通过进行多个阶段的升温，再生长过渡层，同一阶段的温度恒定，且不同阶段的温度随时间的增长而升高，温场稳定、受热均匀，有利于底层温场的均匀性和稳定性，降低因热膨胀系数的差异而引起的张应力，缓解晶格失配产生的应力，改善外延片的翘曲度，提高晶体质量。而且采用两种Al组分不同的AlGaN层交替层叠形成过渡层，可以有效改善GaN材料与衬底之间的热失配和晶格失配，降低外延片中的应力和缺陷，进一步减小外延片的翘曲度和提高晶体质量，提高空穴的注入效率和器件的发光效率，减少破片率，适应大尺寸外延片的生产。
实施例二
本发明实施例提供了一种GaN基发光二极管外延片的生长方法，本实施例提供的生长方法是实施例一提供的生长方法的具体实现。在实施例中，以高纯氢气(H2)或氮气(N2)作为载气，以三甲基镓(TMGa)、三甲基铝(TMAl)、三甲基铟(TMIn)和氨气(NH3)分别作为Ga、Al、In、N源，采用硅烷(SiH4)、二茂镁(Cp2Mg)分别作为N型、P型掺杂剂。参见图3，该生长方法包括：
步骤201：将衬底先升温到500℃，再升温到800℃并稳定30s，再升温到1000℃并稳定30s，再升温到1230℃并稳定10min，在纯氢气气氛下进行热处理。
步骤202：降低温度至540℃，沉积一层厚度为30nm的GaN层，形成缓冲层。
步骤203：先升温到800℃并稳定30s，再升温到1000℃并稳定30s，再升温到1205℃并稳定300s，交替生长8层厚度为50nm、Al组分为30％的第一AlGaN层和8层厚度为50nm、Al组分为10％的第二AlGaN层(如图4所示)，形成过渡层。
步骤204：升高温度至1255℃，沉积厚度为1.5μm的非掺杂GaN层。
步骤205：生长厚度为2μm的掺杂Si的GaN层，形成N型层。
步骤206：交替生长8层InGaN层和8层GaN层，形成多量子阱层。
在本实施例中，InGaN层的厚度为3nm，InGaN层的生长温度为880℃；GaN层的厚度为12nm，GaN层的生长温度为960℃。
步骤207：在970℃的温度下，生长50nm的掺杂Mg的AlGaN层，形成P型电子阻挡层。
步骤208：在1090℃的温度下，生长200nm的生长掺杂Mg的GaN层，形成P型层。
步骤209：在1120℃的温度下，生长10nm的生长掺杂Mg的GaN层，形成P型接触层。
在本实施例中，P型接触层的厚度小于P型层的厚度。
需要说明的是，上述步骤可以采用金属有机化学气相沉积设备实现，外延生长结束后，对生长的外延片进行清洗、沉积、光刻和刻蚀等半导体加工工艺，即可制成单颗芯片。
本发明实施例通过进行多个阶段的升温，再生长过渡层，同一阶段的温度恒定，且不同阶段的温度随时间的增长而升高，温场稳定、受热均匀，有利于底层温场的均匀性和稳定性，降低因热膨胀系数的差异而引起的张应力，缓解晶格失配产生的应力，改善外延片的翘曲度，提高晶体质量。而且采用两种Al组分不同的AlGaN层交替层叠形成过渡层，可以有效改善GaN材料与衬底之间的热失配和晶格失配，降低外延片中的应力和缺陷，进一步减小外延片的翘曲度和提高晶体质量，提高空穴的注入效率和器件的发光效率，减少破片率，适应大尺寸外延片的生产。
实施例三
本发明实施例提供了一种发光二极管外延片的制备方法，本实施例提供的制备方法与实施例二提供的制备方法的不同之处在于，过渡层中第一AlGaN层的Al组分均为20％，第二AlGaN层的Al组分从40％开始，一层减少5％(如图5所示)。
实施例四
本发明实施例提供了一种发光二极管外延片的制备方法，本实施例提供的制备方法与实施例二提供的制备方法的不同之处在于，过渡层中第一AlGaN层的Al组分均为20％，第二AlGaN层的Al组分从10％开始，一层增加5％(如图6所示)。
实施例五
本发明实施例提供了一种发光二极管外延片的制备方法，本实施例提供的制备方法与实施例二提供的制备方法的不同之处在于，过渡层中第一AlGaN层的Al组分均为20％，第二AlGaN层的Al组分从最中间的20％开始，两边一层增加10％(如图7所示)。
实施例六
本发明实施例提供了一种发光二极管外延片的制备方法，本实施例提供的制备方法与实施例二提供的制备方法的不同之处在于，过渡层中第一AlGaN层的Al组分从10％开始，一层增加5％，第二AlGaN层的Al组分从5％开始，一层增加5％(如图8所示)。
实施例七
本发明实施例提供了一种发光二极管外延片的制备方法，本实施例提供的制备方法与实施例二提供的制备方法的不同之处在于，过渡层中第一AlGaN层的Al组分从25％开始，一层增加2％，第二AlGaN层的Al组分从40％开始，一层减少5％(如图9所示)。
上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
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GaN基发光二极管外延片的生长方法，其特征在于，所述生长方法包括：
升高温度将衬底在纯氢气气氛下进行热处理；
降低温度沉积缓冲层；
进行多个阶段的升温，再生长过渡层，所述过渡层为从二维生长先转为三维生长再转为二维生长的多层AlGaN层，所述多层AlGaN层包括交替层叠的第一AlGaN层和第二AlGaN层，所述第一AlGaN层和所述第二AlGaN层的Al组分不同，同一所述阶段的温度恒定，且不同所述阶段的温度随时间的增长而升高；
升高温度沉积非掺杂GaN层；
生长掺杂Si的GaN层，形成N型层；
交替生长InGaN层和GaN层，形成多量子阱层；
生长掺杂Mg的AlGaN层，形成P型电子阻挡层；
生长掺杂Mg的GaN层，形成P型层；
生长掺杂Mg的GaN层，形成P型接触层，所述P型接触层的厚度小于所述P型层的厚度。
2.根据权利要求1所述的生长方法，其特征在于，各层所述第一AlGaN层的Al组分相同，各层所述第二AlGaN层的Al组分沿所述过渡层的生长方向变化；或者，各层所述第一AlGaN层的Al组分沿所述过渡层的生长方向变化，各层所述第二AlGaN层的Al组分相同。
3.根据权利要求2所述的生长方法，其特征在于，所述沿所述过渡层的生长方向变化为增加、减少、先增加再减少、先减少再增加、周期性变化中的任一种。
4.根据权利要求1所述的生长方法，其特征在于，各层所述第一AlGaN层的Al组分和各层所述第二AlGaN层的Al组分均沿所述过渡层的生长方向变化。
5.根据权利要求4所述的生长方法，其特征在于，所述均沿所述过渡层的生长方向变化为以下方式组合中的任一种：
各层所述第一AlGaN层的Al组分沿所述过渡层的生长方向减少，各层所述第二AlGaN层的Al组分沿所述过渡层的生长方向增加；
各层所述第一AlGaN层的Al组分沿所述过渡层的生长方向增加，各层所述第二AlGaN层的Al组分沿所述过渡层的生长方向减少；
各层所述第一AlGaN层的Al组分和各层所述第二AlGaN层的Al组分均沿所述过渡层的生长方向增加；
各层所述第一AlGaN层的Al组分和各层所述第二AlGaN层的Al组分均沿所述过渡层的生长方向减少；
各层所述第一AlGaN层的Al组分和各层所述第二AlGaN层的Al组分均沿所述过渡层的生长方向周期性变化。
6.根据权利要求1-5任一项所述的生长方法，其特征在于，所述AlGaN层的厚度为10～500nm。
7.根据权利要求1-5任一项所述的生长方法，其特征在于，所述过渡层的厚度小于或等于1.5μm。
8.根据权利要求1-5任一项所述的生长方法，其特征在于，不同所述阶段的温度的升高速率保持不变、逐渐减小或者逐渐升高。
9.根据权利要求1-5任一项所述的生长方法，其特征在于，所述升高温度将衬底在纯氢气气氛下进行热处理，包括：
进行多个阶段的升温，再将所述衬底在纯氢气气氛下进行热处理，同一所述阶段的温度恒定，且不同所述阶段的温度随时间的增长而升高。
10.根据权利要求1-5任一项所述的生长方法，其特征在于，所述衬底的尺寸为3英寸、4英寸、6英寸、8英寸或者2英寸。
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