CN106611808A - 一种发光二极管外延片的生长方法 - Google Patents

一种发光二极管外延片的生长方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种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：在衬底上依次生长低温缓冲层、高温缓冲层、N型GaN层、N型插入层、有源层、电子阻挡层、P型GaN层；N型GaN层的生长温度＞N型插入层的生长温度＞有源层的生长温度；N型插入层包括依次层叠的第一子层、第二子层和第三子层；第一子层为两种N型掺杂剂的掺杂浓度不同的GaN层交替层叠形成的超晶格结构，其N型掺杂剂的掺杂浓度小于N型GaN层中N型掺杂剂的掺杂浓度；第二子层为AlGaN层或者至少三层AlGaN层和至少三层GaN层交替层叠形成的超晶格结构；第三子层为InGaN层。本发明的N型插入层起到缓冲作用，有利于有源层生长。

Description

一种发光二极管外延片的生长方法
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外延片的生长方法。
背景技术
发光二极管(英文：Light Emitting Diode，简称：LED)是一种能发光的半导体电子元件。作为一种高效、环保、绿色的新型固态照明光源，LED被迅速广泛地应用于交通信号灯、汽车内外灯、城市景观照明、手机背光源等。
现有LED的外延片包括衬底、以及依次层叠在衬底上的低温缓冲层、高温缓冲层、N型GaN层、有源层、P型GaN层。
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：
有源层的生长温度较低(1000℃以下)，N型GaN层的生长温度较高(1000℃以上)，不利于有源层的生长。
发明内容
为了解决现有技术的问题，本发明实施例提供了一种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发光二极管外延片的生长方法，所述生长方法包括：
在衬底上依次生长低温缓冲层、高温缓冲层、N型GaN层、N型插入层、有源层、电子阻挡层、P型GaN层；
其中，所述N型GaN层的生长温度＞所述N型插入层的生长温度＞所述有源层的生长温度；所述N型插入层包括依次层叠的第一子层、第二子层和第三子层；所述第一子层为第一N型掺杂的GaN层和第二N型掺杂的GaN层交替层叠形成的超晶格结构，所述第一N型掺杂的GaN层中N型掺杂剂的掺杂浓度、所述第二N型掺杂的GaN层中N型掺杂剂的掺杂浓度均小于所述N型GaN层中N型掺杂剂的掺杂浓度，且所述第一N型掺杂的GaN层中N型掺杂剂的掺杂浓度与所述第二N型掺杂的GaN层中N型掺杂剂的掺杂浓度不同；所述第二子层为AlGaN层或者至少三层AlGaN层和至少三层GaN层交替层叠形成的超晶格结构；所述第三子层为InGaN层。
可选地，所述第一子层的生长温度＞所述第二子层的生长温度＞所述第三子层的生长温度。
优选地，所述第一子层的生长温度为1060～1100℃。
优选地，所述第二子层的生长温度为1030～1060℃。
优选地，所述第三子层的生长温度为900～1020℃。
可选地，所述第二子层中的AlGaN层的生长压力＜所述第二子层中的GaN层的生长压力。
优选地，所述第二子层中的AlGaN层的生长压力为50～200torr。
优选地，所述第二子层中的GaN层的生长压力为200～350torr。
可选地，所述有源层包括InGaN量子阱层，所述InGaN量子阱层中In组分含量高于所述第三子层中In组分含量。
可选地，所述N型GaN层的生长温度为1000～1100℃。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
通过在N型GaN层和有源层之间设置N型插入层，N型插入层的生长温度在N型GaN层的生长温度和有源层的生长温度之间，起到缓冲的作用，有利于有源层的生长。N型插入层包括依次层叠的第一子层、第二子层和第三子层，第一子层为两种N型掺杂剂的掺杂浓度不同的GaN层交替层叠形成的超晶格结构，其N型掺杂剂的掺杂浓度小于N型GaN层中N型掺杂剂的掺杂浓度，可以减少电子回流的现象，起到有效扩展电流的作用；第二子层AlGaN层或者至少三层AlGaN层和至少三层GaN层交替层叠形成的超晶格结构，提高能阶和降低电子的迁移速率，利用Al材料的特性减少长晶的位错和裂缝，使之后生长的GaN更加完整，起到阻挡缺陷延伸的作用；第三子层为InGaN层，与有源层形成较好的匹配。综上所述，本发明通过设置N型插入层形成势垒以扩展电子、在有源层之前释放应力，减少有源层的缺陷密度，从而提高有源层中电子和空穴的复合几率，最终提高发光二极管的发光效率。
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是本发明实施例提供的一种发光二极管外延片的生长方法的流程图；
图2是本发明实施例提供的发光二极管外延片的结构示意图。
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
本发明实施例提供了一种发光二极管外延片的生长方法，在本实施例中，采用Veeco K465i or C4金属有机化合物化学气相沉淀(英文：Metal Organic Chemical VaporDeposition，简称：MOCVD)设备实现LED外延片的生长。采用高纯氢气(H2)或高纯氮气(N2)或高纯H2和高纯N2的混合气体作为载气，高纯NH3作为氮源，三甲基镓(TMGa)及三乙基镓(TEGa)作为镓源，三甲基铟(TMIn)作为铟源，三甲基铝(TMAl)作为铝源，硅烷(SiH4)作为N型掺杂剂，二茂镁(CP2Mg)作为P型掺杂剂。反应室压力控制在100～600torr。
具体地，参见图1，该生长方法包括：
步骤201：对衬底进行预处理。
在本实施例中，衬底为蓝宝石。
具体地，该步骤201可以包括：
在氢气气氛下，高温处理衬底5～6min。
其中，反应室温度可以为1000～1100℃，反应室压力可以控制在200～500torr。
步骤202：在衬底上生长低温缓冲层。
在本实施例中，低温缓冲层为GaN层，厚度可以为15～30nm。生长低温缓冲层时，反应室温度可以为530～560℃，反应室压力可以控制在200～500torr。
具体地，低温缓冲层生长在蓝宝石的[0001]面上。
步骤203：在低温缓冲层上生长高温缓冲层。
在本实施例中，高温缓冲层为不掺杂的GaN层，厚度可以为2～3.5μm。生长高温缓冲层时，反应室温度可以为1000～1100℃，反应室压力可以控制在200～600torr。
步骤204：在高温缓冲层上生长N型GaN层。
在本实施例中，N型GaN层为掺杂Si的GaN层，厚度可以为2～3μm。生长N型GaN层时，反应室温度可以为1000～1100℃，反应室压力可以控制在200～300torr。
步骤205：在N型GaN层上生长N型插入层。
在本实施例中，N型插入层的生长温度＜N型GaN层的生长温度，且N型插入层的生长温度＞有源层的生长温度。N型插入层包括依次层叠的第一子层、第二子层和第三子层。第一子层为第一N型掺杂的GaN层和第二N型掺杂的GaN层交替层叠形成的超晶格结构，第一N型掺杂的GaN层中N型掺杂剂的掺杂浓度、第二N型掺杂的GaN层中N型掺杂剂的掺杂浓度均小于N型GaN层中N型掺杂剂的掺杂浓度，且第一N型掺杂的GaN层中N型掺杂剂的掺杂浓度与第二N型掺杂的GaN层中N型掺杂剂的掺杂浓度不同。第二子层为AlGaN层或者至少三层AlGaN层和至少三层GaN层交替层叠形成的超晶格结构。第三子层为InGaN层。
可选地，第一子层的生长温度＞第二子层的生长温度＞第三子层的生长温度。
优选地，第一子层的生长温度可以为1060～1100℃。若低于1060℃，会因为温度较低而影响此层的晶体质量；若高于1100℃，虽然会提高长晶质量，但会因为温度太高导致翘曲变大从而造成芯片裂成两半(即裂片)，同时造成有源层由于高温而损坏。
更优选地，第一子层的生长温度可以为1060～1090℃，既保证长晶质量，也不会造成裂片和对有源层造成破坏。
优选地，第二子层的生长温度可以为1030～1060℃。若低于1030℃，会因为温度相对较低而导致晶体质量变差；若高于1060℃，则起不到采用低温生长所要达到应力释放的效果。第二子层的生长温度为1030～1060℃，可确保晶体质量和达到预期的效果。
优选地，第三子层的生长温度可以为900～1020℃。若低于900℃，会因为温度太低而导致晶体质量明显变差；若高于1020℃，会由于离有源层较近而破坏有源层的晶体质量，同时也会影响In的并入效率。
优选地，第三子层的生长温度可以为1000～1020℃，可保证晶体质量不会明显变差，也不会破坏有源层和In的并入效率。
可选地，第二子层中的AlGaN层的生长压力＜第二子层中的GaN层的生长压力。
优选地，第二子层中的AlGaN层的生长压力可以为50～200torr。若低于50torr，会由于压力太低而影响NH3的裂解效率，导致厚度偏薄，得不到理想的AlGaN层；若大于200torr，又会加重TMAl和NH3的预反应，同样得不到理想的AlGaN层。
更优选地，第二子层中的AlGaN层的生长压力可以为50～150torr，可得到理想的缺陷阻挡层。
优选地，第二子层中的GaN层的生长压力可以为200～350torr。若小于200torr，就会降低生长速率而影响厚度；若大于350torr，会增加与AlGaN层进行压力切换的时间，导致生长时间延长，进而增加生产成本和影响生产量。
更优选地，第二子层中的GaN层的生长压力可以为200～350torr，既可以保证较优的生长厚度和又不会增加生长时间。
可选地，有源层包括InGaN量子阱层，InGaN量子阱层中In组分含量可以高于第三子层中In组分含量。由于In也是杂质，若掺杂较多，由掺杂所产生的缺陷会产生非辐射复合中心，降低LED的发光效率。
步骤206：在N型插入层上生长有源层。
在本实施例中，有源层包括交替层叠的InGaN量子阱层和GaN量子垒层。其中，InGaN量子阱层的厚度为2～3nm，GaN量子垒层的厚度为8～11nm。InGaN量子阱层和GaN量子垒层的层数相同，GaN量子垒层的层数的层数为11～13层，有源层的厚度为130～160nm。
具体地，生长有源层时，反应室压力控制在200torr。生长InGaN量子阱层时，反应室温度为760～780℃。生长GaN量子垒层时，反应室温度为860～890℃。
步骤207：在有源层上生长电子阻挡层。
在本实施例中，电子阻挡层为掺杂Mg的AlyGa1-yN层，0.15≤y≤0.25，厚度可以为30～50nm。生长电子阻挡层时，反应室温度可以为930～970℃，反应室压力可以控制在100torr。
步骤208：在电子阻挡层上生长P型GaN层。
在本实施例中，P型GaN层为掺杂高于设定浓度Mg的GaN层，厚度可以为50～80nm。生长P型GaN层时，反应室温度可以为940～980℃，反应室压力可以控制在200～600torr。
步骤209：活化P型GaN层。
具体地，该步骤209可以包括：
在氮气气氛下，持续处理P型GaN层20～30min。其中，反应室温度可以为650～750℃。
需要说明的是，活化P型GaN层主要是P型GaN层中掺杂的Mg，使Mg活化后产生更多的空穴，避免由于不活化而导致欧姆接触差，引起芯片亮度低和电压高的情况。
图2为本发明实施例生长方法得到的发光二极管外延片。其中，1为衬底，2低温缓冲层，3为高温缓冲层，4为N型GaN层，5为N型插入层，6为有源层，7为电子阻挡层，8为P型GaN层。
下面分别对第一样品和第二样品在相同的工艺条件下镀120nm的氧化铟锡金属氧化物(英文：Indium Tin Oxides，简称：ITO)层，130nm的Cr/Pt/Au电极和50nm的SiO2保护层，并分别将处理后的第一样品和第二样品研磨切割成457μm*889μm(18mi*35mil)的芯粒和305μm*635μm(12mi*25mil)的芯粒。其中，第一样品是采用传统的发光二极管外延片的生长方法得到的，第二样品是采用本实施例提供的发光二极管外延片的生长方法得到的。
接着在处理后的第一样品和第二样品的相同位置各自挑选200颗晶粒，在相同的工艺条件下，封装成白光LED。采用积分球分别在驱动电流150mA和120mA条件下测试来自于第一样品的晶粒和来自于第二样品的晶粒的光电性能。
结果显示，来自于第二样品的晶粒与比来自于第一样品的晶粒相比，光强分别在150mA和120mA驱动电流下有明显提高，电压也有降低，说明本实施例提供的生长方法确实可以提高发光效率。
本发明实施例通过在N型GaN层和有源层之间设置N型插入层，N型插入层的生长温度在N型GaN层的生长温度和有源层的生长温度之间，起到缓冲的作用，有利于有源层的生长。N型插入层包括依次层叠的第一子层、第二子层和第三子层，第一子层为两种N型掺杂剂的掺杂浓度不同的GaN层交替层叠形成的超晶格结构，其N型掺杂剂的掺杂浓度小于N型GaN层中N型掺杂剂的掺杂浓度，可以减少电子回流的现象，起到有效扩展电流的作用；第二子层AlGaN层或者至少三层AlGaN层和至少三层GaN层交替层叠形成的超晶格结构，提高能阶和降低电子的迁移速率，利用Al材料的特性减少长晶的位错和裂缝，使之后生长的GaN更加完整，起到阻挡缺陷延伸的作用；第三子层为InGaN层，与有源层形成较好的匹配。综上所述，本发明通过设置N型插入层形成势垒以扩展电子、在有源层之前释放应力，减少有源层的缺陷密度，从而提高有源层中电子和空穴的复合几率，最终提高发光二极管的发光效率。
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)

1.一种发光二极管外延片的生长方法，其特征在于，所述生长方法包括：
在衬底上依次生长低温缓冲层、高温缓冲层、N型GaN层、N型插入层、有源层、电子阻挡层、P型GaN层；
其中，所述N型GaN层的生长温度＞所述N型插入层的生长温度＞所述有源层的生长温度；所述N型插入层包括依次层叠的第一子层、第二子层和第三子层；所述第一子层为第一N型掺杂的GaN层和第二N型掺杂的GaN层交替层叠形成的超晶格结构，所述第一N型掺杂的GaN层中N型掺杂剂的掺杂浓度、所述第二N型掺杂的GaN层中N型掺杂剂的掺杂浓度均小于所述N型GaN层中N型掺杂剂的掺杂浓度，且所述第一N型掺杂的GaN层中N型掺杂剂的掺杂浓度与所述第二N型掺杂的GaN层中N型掺杂剂的掺杂浓度不同；所述第二子层为AlGaN层或者至少三层AlGaN层和至少三层GaN层交替层叠形成的超晶格结构；所述第三子层为InGaN层。
2.根据权利要求1所述的生长方法，其特征在于，所述第一子层的生长温度＞所述第二子层的生长温度＞所述第三子层的生长温度。
3.根据权利要求2所述的生长方法，其特征在于，所述第一子层的生长温度为1060～1100℃。
4.根据权利要求2所述的生长方法，其特征在于，所述第二子层的生长温度为1030～1060℃。
5.根据权利要求2所述的生长方法，其特征在于，所述第三子层的生长温度为900～1020℃。
6.根据权利要求1～5任一项所述的生长方法，其特征在于，所述第二子层中的AlGaN层的生长压力＜所述第二子层中的GaN层的生长压力。
7.根据权利要求6所述的生长方法，其特征在于，所述第二子层中的AlGaN层的生长压力为50～200torr。
8.根据权利要求6所述的生长方法，其特征在于，所述第二子层中的GaN层的生长压力为200～350torr。
9.根据权利要求1～5任一项所述的生长方法，其特征在于，所述有源层包括InGaN量子阱层，所述InGaN量子阱层中In组分含量高于所述第三子层中In组分含量。
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N型GaN层的生长温度为1000～1100℃。
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