CN106328771B - 一种在金属氮化镓复合衬底上外延无裂纹高晶体质量led外延层的方法 - Google Patents

一种在金属氮化镓复合衬底上外延无裂纹高晶体质量led外延层的方法 Download PDF

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Abstract

本发明一种在金属氮化镓复合衬底上外延无裂纹高晶体质量LED外延层的方法：首先在N2气氛，750‑850℃，反应室压力300torr下,将金属GaN复合衬底退火处理后，以0.2‑1.0微米/小时的低速率生长100‑300纳米厚的低温GaN应力释放层；然后在H2气氛、950‑1050℃下，以从1微米/小时线性变化到3微米/小时的变速率生长1‑2微米厚的高温非掺杂GaN缓冲层；接着以恒定生长速率生长1‑2微米厚的n型GaN层；然后在N2气氛、750‑850℃下，生长多周期InGaN/GaN多量子阱有源区；接着在H2气氛、950‑1000℃下，生长p型AlGaN/GaN超晶格电子阻挡层、p型GaN层；通过优化金属衬底生长初期载气、生长温度及生长速率等参数，有效缓解GaN外延层和金属衬底之间热失配，防止GaN分解，在金属衬底上制备出高质量GaN基LED外延层。

Description

一种在金属氮化镓复合衬底上外延无裂纹高晶体质量LED外 延层的方法
技术领域
本发明涉及半导体光电子技术领域，一种在金属氮化镓复合衬底上外延无裂纹高晶体质量LED外延层的方法.
背景技术
LED的散热现在越来越为人们所重视，这是因为LED的光衰或其寿命是直接和其结温有关，散热不好结温就高，寿命就短，依照阿雷纽斯法则温度每降低10℃寿命会延长2倍。光衰和结温的关系图(图1)中可以看出，结温假如能够控制在65℃，那么其光衰至70％的寿命可以高达10万小时！这是人们梦寐以求的寿命，可是真的可以实现吗？是的，只要能够认真地处理它的散热问题就有可能做到！遗憾的是，现在实际的LED灯的散热和这个要求相去甚远！以致LED灯具的寿命变成了一个影响其性能的主要问题，所以必须要认真对待！而且，结温不但影响长时间寿命，也还直接影响短时间的发光效率。以结温为25度时的发光为100％，那么结温上升至60度时，其发光量就只有90％；结温为100度时就下降到80％；140度就只有70％。可见改善散热，控制结温是十分重要的事。除此以外LED的发热还会使得其光谱移动；色温升高；正向电流增大(恒压供电时)；反向电流也增大；热应力增高；荧光粉环氧树脂老化加速等等种种问题，所以说，LED的散热是LED灯具的设计中最为重要的一个问题。
LED芯片的特点是在极小的体积内产生极高的热量。而LED本身的热容量很小，所以必须以最快的速度把这些热量传导出去，否则就会产生很高的结温。为了尽可能地把热量引出到芯片外面，人们在LED的芯片结构上进行了很多改进。为了改善LED芯片本身的散热，其最主要的改进就是采用导热性更好的衬底材料。早期的LED只是采用Si(硅)作为衬底。后来就改为蓝宝石作衬底。但是蓝宝石衬底的导热性能不太好，(在100℃时约为25W/(m-K))。采用金属氮化镓复合衬底可以有效解决LED散热问题，然而由于金属衬底和氮化镓外延层之间存在较大的热失配，在金属氮化镓复合衬底外延生长初期的应力释放层显得尤为重要。本专利提供一种在金属氮化镓复合衬底上外延无裂纹高晶体质量LED外延层的方法，通过优化生长参数，获得无裂纹高晶体质量金属氮化镓复合衬底LED。
发明内容
本发明提供一种在金属氮化镓复合衬底上外延无裂纹高晶体质量LED外延层的方法。通过优化金属氮化镓复合衬底初始生长参数：生长载气、生长速率、生长温度等参数有效缓解金属衬底和GaN外延层之间的热失配，提高GaN外延层的晶体质量。
本发明的技术解决方案：一种在金属氮化镓复合衬底上外延无裂纹高晶体质量LED外延层的方法，其LED外延结构包含：金属氮化镓复合衬底(101)、低温GaN缓冲层(102)、高温非掺杂GaN缓冲层(103)、n型GaN层(104)、InxGa1-xN/GaN多量子阱有源区(105)、p型Aly1Ga1-y1N/GaN超晶格电子阻挡层(106)、高温p型GaN层(107)、p型InGaN接触层(108)；其特征在于：在金属氮化镓复合衬底(101)上，设置一层在N2(氮气)气氛下、以低生长速率，低温生长的GaN应力释放层(102)；
该方法包括以下步骤：
步骤一，在金属有机化合物气相外延反应室中将金属氮化镓复合衬底(101)，在氮气(N2)气氛下，升温至750-850℃，进行退火处理，退火处理后在反应室压力300torr，在升温退火后缓慢向反应室通入NH3，在V/III摩尔比为500-1300条件下；采用0.2微米/小时-1微米/小时的低生长速率：，生长100～300纳米厚的低温GaN应力释放层(102)；
步骤二，在氢气(H2)气氛下，在950-1100℃下，反应室压力为100-200torr，V/III摩尔比为1000-1300；采用生长速率从1微米/小时线性变化到3微米/小时的变速率生长方法，生长1-2微米厚的高温非掺杂GaN缓冲层(103)；
步骤三，在氢气(H2)气氛下，在950-1100℃下，反应室压力为100-200torr，V/III摩尔比为1000-1300；采用恒定生长速率生长1-2微米厚的n型GaN层(104)；其Si掺杂浓度为1018-1019cm-3；
步骤四，在氮气(N2)气氛下，在750-850℃下，V/III摩尔比为5000-10000，反应室压力300torr,接着生长5-10周期的InxGa1-xN/GaN多量子阱有源区(105),其中InxGa1-xN阱层的厚度范围在2-4nm；GaN垒层厚度为8-20nm；其中0<x≤0.3；步骤五，在850-950℃下，在有源区上，在氮气气氛下，V/III摩尔比为5000-10000，反
应室压力100-300torr,生长5-10个周期的p型Aly1Ga1-y1N/GaN超晶格结构电子阻挡层(106)；其中，Al组分0≤y1≤0.2该Al组分随着超晶格周期数增加而阶梯式减少、p型Aly1Ga1-y1N的厚度为2-5nm、GaN层厚度为2-5nm；其Mg掺杂浓度相应的空穴浓度为2×1017cm-3；
步骤六，在950-1050℃下,在氢气气氛下，V/III摩尔比为2000-5000，反应室压力100torr,生长100-300nm的高温p型GaN层(107)；其Mg掺杂浓度为1017-1018cm-3；；
步骤七，在650-750℃下,在氢气气氛下，V/III摩尔比为5000-10000，反应室压力300torr,生长2-4nm的p型InGaN接触层(108)；其Mg掺杂浓度为大于1018cm-3。
本发明的主要特征在于，在金属氮化镓复合衬底上，在其初始外延阶段，对金属衬底进行退火处理，同时优化金属衬底生长初期的载气、生长温度以及生长速率等参数，采用N2作为载气、低生长速率、低温生长GaN应力释放层，有效缓解GaN外延层和金属衬底之间的热失配，防止GaN分解，在金属衬底上制备出高质量的GaN基LED外延层。
附图说明
图1是本发明实施例1中一种在金属氮化镓复合衬底上外延无裂纹高晶体质量LED的竖直剖面视图；
其中，101：金属氮化镓复合衬底；102：低温GaN应力释放层；103：高温非掺杂GaN缓冲层；104：n型GaN层；105：InxGa1-xN/GaN多量子阱有源区；106：p型Aly1Ga1-y1N/GaN超晶格电子阻挡层；107：高温p型GaN层；108：p型InGaN接触层。
具体实施方式
本发明提供一种在金属氮化镓复合衬底上外延无裂纹高晶体质量LED外延层的方法(根据其流程制作的LED外延层竖直剖面视图参阅图1)。通过优化在金属氮化镓复合衬底生长初期的工艺参数，有效缓解金属衬底和氮化镓外延层之间的热失配，提高后续GaN外延层的晶体质量。
实施例1
使用Aixtron公司,紧耦合垂直反应室MOCVD生长系统。在LED外延片结构生长过程中，以三甲基镓(TMGa)、三乙基镓(TEGa)、三甲基铟(TMIn)、三甲基铝(TMAl)作为III族源，氨气(NH3)分别作为Ga、Al、In和N源，以硅烷(SiH4)作为n型掺杂剂，二茂镁(Cp2Mg)作为p型掺杂剂；
首先在金属有机化合物气相外延反应室中将金属氮化镓复合衬底(101)，在氮气(N2)气氛下，升温至750-850℃，进行退火处理，退火处理后向反应室中缓慢通入NH3，将NH3流量依次增加：1500sccm、3000sccm、6000sccm、8000sccm、10000sccm(sccm,standardcubic centimeter per minute,标准立方厘米每分钟)，然后缓慢通入TMGa，在反应室压力300torr，V/III摩尔比为500-1300；采用低生长速率：0.2微米/小时-1微米/小时，生长100纳米厚的低温GaN应力释放层102；
然后将载气切换为H2，升高温度，在氢气(H2)气氛下，在950-1100℃下，反应室压力为100-200torr，V/III摩尔比为1000-1300；采用变速率生长的方法，生长速率从1微米/小时线性变化到3微米/小时，生长1-2微米厚的高温非掺杂GaN缓冲层(103)；
在氢气(H2)气氛下，在950-1100℃下，反应室压力为100-200torr，V/III摩尔比为1000-1300；采用恒定生长速率生长1-2微米厚的n型GaN层(104)；其Si掺杂浓度为1018-1019cm-3；
将载气从H2切换成N2，在氮气(N2)气氛下，在750-850℃下，V/III摩尔比为5000-10000，反应室压力300torr,接着生长5-10周期的InxGa1-xN/GaN多量子阱有源区(105),其中InxGa1-xN阱层的厚度范围在2-4nm、GaN垒层厚度为8nm-20nm、其中0<x≤0.3；
在850-950℃下，在有源区上，在氮气气氛下，V/III摩尔比为5000-10000，反应室压力100-300torr,生长5-10个周期的p型Aly1Ga1-y1N/GaN超晶格结构电子阻挡层(106)；其中，Al组分0≤y1≤0.2该Al组分随着超晶格周期数增加而阶梯式减少、GaN层厚度为2-5nm、p型Aly1Ga1-y1N的厚度为2-5nm；其Mg掺杂浓度相应的空穴浓度为2×1017cm-3；
在950-1050℃下,在氢气气氛下，V/III摩尔比为2000-5000，反应室压力100torr,生长100-300nm的高温p型GaN层(107)；其Mg掺杂浓度为1017-1018cm-3；；
在650-750℃下,在氢气气氛下，V/III摩尔比为5000-10000，反应室压力300torr,生长2-4nm的p型InGaN接触层(108)；其Mg掺杂浓度为大于1018cm-3。
外延生长结束后，将反应室的温度降至700-750℃，采用纯氮气气氛进行退火处理5-20分钟,然后降至室温，结束生长。，通过对金属氮化镓复合衬底LED表面形貌，晶体质量以及光电参数的测试，发现采用本专利技术方案可制备出无裂纹高晶体质量金属氮化镓复合衬底LED。
以上所述的实施例仅为说明本发明的技术思想及特点，其描述较为具体和详细，其目的在于使本领域的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，因此不能仅以此来限定本发明的专利范围，但并不能因此而理解为对本发明范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，即凡依据本发明所揭示的精神所作的变化，仍应涵盖在本发明的专利范围内。

Claims (4)

1.一种在金属氮化镓复合衬底上外延无裂纹高晶体质量LED外延层的方法，其LED外延结构包括：金属氮化镓复合衬底（101）、低温GaN应力释放层（102）、高温非掺杂GaN缓冲层（103）、n型GaN层（104）、InxGa1-xN/GaN多量子阱有源区（105）、p型Aly1Ga1-y1N/GaN超晶格电子阻挡层（106）、高温p型GaN层（107）、p型InGaN接触层（108）；其特征在于：在金属氮化镓复合衬底（101）上，设置一层在N2（氮气）气氛下，以低生长速率、低温生长的GaN应力释放层（102）；
该方法包括以下步骤：
步骤一，在金属有机化合物气相外延反应室中将金属氮化镓复合衬底（101），在N2（氮气）气氛下，反应室压力300torr，升温至750-850℃，进行退火处理；之后，以反应室压力300torr、V/III摩尔比为500-1300，采用0.2微米/小时-1微米/小时的低生长速率，生长100～300纳米厚的低温GaN应力释放层（102）；
步骤二，在H2（氢气）气氛、950-1100℃下，以反应室压力为100-200torr、V/III摩尔比为1000-1300，采用生长速率从1微米/小时线性变化到3微米/小时的变速率生长方法，生长1-2微米厚的高温非掺杂GaN缓冲层（103）；
步骤三，在H2气氛、950-1100℃下，以反应室压力为100-200torr、V/III摩尔比为1000-1300，采用恒定生长速率生长1-2微米厚的n型GaN层（104）；其Si掺杂浓度为1018-1019cm-3；
步骤四，在N2（氮气）气氛、750-850℃下，以V/III摩尔比为5000-10000，反应室压力300torr,接着生长5-10周期的InxGa1-xN/GaN多量子阱有源区（105）,其中，0<x≤0.3、InxGa1-xN阱层的厚度范围在2-4nm、GaN垒层厚度为8-20nm；
步骤五，在850-950℃、N2气氛下，在有源区上，以V/III摩尔比为5000-10000、反应室压力100-300torr,生长5-10个周期的p型Aly1Ga1-y1N/GaN超晶格电子阻挡层（106），其中，Al组分0≤y1≤0.2该Al组分随着超晶格周期数增加而阶梯式减少、p型Aly1Ga1-y1N的厚度为2-5nm、GaN层厚度为2-5nm；其Mg掺杂浓度相应的空穴浓度为2×1017cm-3；
步骤六，在950-1050℃、H2气氛下，以V/III摩尔比为2000-5000、反应室压力100torr,生长100-300nm的高温p型GaN层（107）；其Mg掺杂浓度为1017-1018cm-3；
步骤七，在650-750℃、H2气氛下，以V/III摩尔比为5000-10000、反应室压力300torr,生长2-4nm的p型InGaN接触层（108）；其Mg掺杂浓度为大于1018cm-3。
2.根据权利要求1所述的一种在金属氮化镓复合衬底上外延无裂纹高晶体质量LED外延层的方法，其特征在于：在升温过程中采用N2气氛，高反应室压力，在750-850℃下对金属衬底进行退火处理；在退火处理后缓慢向反应室阶梯式通入NH3以防止GaN外延层分解。
3.根据权利要求1所述的一种在金属氮化镓复合衬底上外延无裂纹高晶体质量LED外延层的方法，其特征在于：在金属氮化镓复合衬底上，在其初始外延阶段，优化金属衬底生长初期的载气、生长温度、反应室压力、V/III摩尔比及生长速率参数，采用N2作为载气、高反应室压力，低生长速率、低温生长GaN应力释放层，有效缓解GaN外延层和金属衬底之间的热失配，防止GaN分解，在金属衬底上制备出高质量的GaN基LED外延层。
4.根据权利要求1所述的一种在金属氮化镓复合衬底上外延无裂纹高晶体质量LED外延层的方法，其特征在于：在所述LED外延片结构生长过程中，以三甲基镓（TMGa）、三乙基镓（TEGa）、三甲基铝（TMAl）、三甲基铟（TMIn）和氨气分别作为Ga、Al、In和N源，以硅烷（SiH4）作为n型掺杂剂，二茂镁（Cp2Mg）作为p型掺杂剂。
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