CN106653959B - 一种led外延片的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种LED外延片的制备方法，该方法可以进一步减少发光面积损失，增加补充层提高量子阱的生长质量，提高反向电压，降低器件内部漏电的同时，还利用In组分渐变的斜阱层，改变阱的禁带宽度，以俘获更多的电子和空穴，增大了电子与空穴的接触面积，提高发光面积，降低电子的运行速度，增大与空穴的接触的有效电子数。
Description
所属技术领域
本发明涉及LED的制备方法，具体涉及一种LED外延片的制备方法。
背景技术
近年来，被誉为“绿色照明”的发光二极管(Light Emitting Diode，LED)照明技术发展迅猛。与传统照明光源相比，白光发光二极管不仅功耗低，使用寿命长，尺寸小，绿色环保，更具有调制性能好，响应灵敏度高等优点。白光发光二极管一方面具有发射功率高、对人眼安全等特点；另一方面，具有反应速度快、调制性好，无电磁干扰、无需申请无线电频谱等优点。
发光二极管核心部分是由P型半导体和N型半导体组成的芯片，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，注入的少数载流子与多数载流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。
GaN基材料属于直接带隙半导体，并且其带隙从1.8～6.2V连续可调，是生产高亮度蓝光、绿光和白光LED的最常用材料。然而c方向生长的铝铟镓氮材料中存在很强的极化电场，该电场造成量子阱能带倾斜，使电子和空穴在空间上分离，降低了复合发光效率。而且能带倾斜产生的势垒尖峰会阻挡空穴的输运，加之空穴有效质量很大，使空穴在各个量子阱中分布极不均匀。
发光二极管是采用外延生长的方式生成的一种外延结构，该外延结构主要由衬底、提供电子的N型层、提供空穴的P型层以及复合区的有源层组成，主要应用于照明、交通信号灯、电视、手机等的背光源，背光源中的蓝、绿、白光主要是采用金属有机化学气相沉积法将氮化镓材料沉积到蓝宝石衬底上形成的。
在传统的氮化镓基二极管外延片结构中，贯穿整个P～N结的位错为造成二极管性能降低的主要因素之一，此类位错会造成内量子效率降低、反向漏电、抗静电击穿能力较差。
电子阻挡层PAlGaN在LED外延中是不可以或缺的，主要作用是利用AlGaN的高能带阻挡发光层的电子外溢至P层，但是也带来很多不好之处。
发明内容
本发明提供一种LED外延片的制备方法，该方法可以进一步减少发光面积损失，增加补充层提高量子阱的生长质量，提高反向电压，降低器件内部漏电的同时，还利用In组分渐变的斜阱层，改变阱的禁带宽度，以俘获更多的电子和空穴，增大了电子与空穴的接触面积，提高发光面积，降低电子的运行速度，增大与空穴的接触的有效电子数，提高发光二极管的发光效率。
为了实现上述目的，本发明提供一种LED外延片的制备方法，该制备方法包括如下步骤：
(1)准备衬底
H2环境中高温净化衬底；在1000℃～1100℃的H2气氛下，通入100L/min～130L/min的H2，保持反应腔压力100mbar～300mbar，处理衬底8min～10min；
(2)采用金属有机化合物化学气相沉积法在衬底上形成外延片
所述外延片包括从衬底上由下而上依次生成低温缓冲层、U型氮化镓GaN层、N型GaN层、垒层/阱层/补充层/斜阱层结构的多量子阱层、功能层、发光层和P型GaN层；
优选的，在所述步骤(2)中，采用金属有机化合物化学气相沉积法，在550～580℃，保持反应腔压力300mbar～600mbar，通入流量为10000sccm～20000sccm的NH3、50sccm～100sccm的TMGa、100L/min～130L/min的H2、在衬底上生长厚度为20nm～40nm的低温缓冲层GaN。
优选的，在步骤(2)中，在低温缓冲层GaN生长U型GaN层：
首先生长2D型GaN层，生长温度为1050℃，厚度为0.05um，生长压力100torr；
然后快速降温增压生长3D型GaN层，生长温度为990℃，生长厚度为0.05um,生长压力为400torr。
优选的，在所述步骤(2)中，N型GaN为掺杂Si的N型GaN层，其生长工艺为：保持反应腔压力、温度不变，通入流量为30000sccm～60000sccm的NH3、200sccm～400sccm的TMGa、100L/min～130L/min的H2、20sccm～50sccm的SiH4，持续生长3μm～4μm掺杂Si的N型GaN，Si掺杂浓度5E18atoms/cm3～1E19atoms/cm3；保持反应腔压力、温度不变，通入流量为30000sccm～60000sccm的NH3、300sccm～400sccm的TMGa、110L/min～130L/min的H2、6sccm～10sccm的SiH4，持续生长300μm～400μm掺杂Si的N型GaN，Si掺杂浓度5E17atoms/cm3～1E18atoms/cm3。
优选的，在步骤(2)中，采用金属有机化合物化学气相沉积法生长10～15个周期的垒层/阱层/补充层/斜阱层结构的多量子阱层：
a.在N2或N2/H2混合气氛、850～870℃条件下生长GaN垒层；
b.在N2或N2/H2混合气氛、650～720℃条件下生长InGaN阱层；
c.补充层的生长：
阱层生长结束后，中断金属Ga源的通入，继续通入金属In源，中断时间为10～25s，同时以1.0～1.5℃/s的速度从阱层的生长温度开始升温，形成补充层；
d.斜阱层的生长：
再继续通入金属Ga源，同时以2.5～3℃/s的速度继续升温，形成In组分渐变的斜阱层。
优选的，在所述步骤(2)中，所述功能层至少包括3个由下至上依次生长的循环层，所述循环层包括由下至上依次生长的掺硅元素的N型GaN层，掺硅元素、铝元素和铟元素的第一N型铝铟氮化镓AlInGaN层，掺入硅元素、铝元素和铟元素的第二N型AlInGaN层，且所述掺硅元素的N型GaN层、所述第一N型AlInGaN层和所述第二N型AlInGaN层的掺杂浓度不同。
优选的，其中所述循环层中每一层的硅元素的掺杂浓度为1e17/cm3～1e19/cm3，掺杂有铝元素的层中铝元素的组分为0.02wt％～0.5wt％，掺杂有铟元素的层中铟元素的组分为0.02wt％～0.05wt％。
优选的，上述功能层的生长温度位于750℃～1000℃范围内、压力位于50torr～500torr范围内、转速位于为1000rpm～1500rpm范围内、生长速率位于3μm/h～5μm/h范围内。
优选的，在步骤(2)中，所述发光层为交替生长掺杂In的InxGa(1～x)N/GaN发光层，其生长工艺为：保持反应腔压力400mbar～500mbar、温度750℃～800℃，通入流量为60000sccm～80000sccm的NH3、20sccm～40sccm的TMGa、1500sccm～2000sccm的TMIn、100L/min～130L/min的N2，生长掺杂In的2.5nm～3.5nm的InxGa(1～x)N层，x＝0.26～0.28，发光波长450nm～455nm；接着升高温度至750℃～850℃，保持反应腔压力300mbar～400mbar，通入流量为50000sccm～70000sccm的NH3、20sccm～100sccm的TMGa、100L/min～130L/min的N2，生长8nm～15nm的GaN层；重复InxGa(1～x)N的生长，然后重复GaN的生长，交替生长InxGa(1～x)N/GaN发光层，控制周期数为10～12个。
优选的，在步骤(2)中，采用如下方式生成P型GaN层：保持反应腔压力400mbar～900mbar、温度950℃～1000℃，通入流量为50000sccm～70000sccm的NH3、20sccm～100sccm的TMGa、100L/min～130L/min的H2、1000sccm～3000sccm的Cp2Mg，持续生长50nm～200nm的掺Mg的P型GaN层，Mg掺杂浓度1E19atoms/cm3～1E20atoms/cm3。
本发明具有如下优点：可以进一步减少发光面积损失，增加补充层提高量子阱的生长质量，提高反向电压，降低器件内部漏电的同时，还利用In组分渐变的斜阱层，改变阱的禁带宽度，以俘获更多的电子和空穴，增大了电子与空穴的接触面积，提高发光面积，降低电子的运行速度，增大与空穴的接触的有效电子数，提高发光二极管的发光效率。
具体实施方式
实施例一
H2环境中高温净化衬底；在1000℃的H2气氛下，通入100L/min的H2，保持反应腔压力100mbar，处理衬底8min。
所述外延片包括从衬底上由下而上依次生成低温缓冲层、U型氮化镓GaN层、N型GaN层、垒层/阱层/补充层/斜阱层结构的多量子阱层、功能层、发光层和P型GaN层。
采用金属有机化合物化学气相沉积法，在550℃，保持反应腔压力300mbar，通入流量为10000sccm的NH3、50sccm的TMGa、100L/min的H2、在衬底上生长厚度为20nm的低温缓冲层GaN。
在低温缓冲层GaN生长U型GaN层：首先生长2D型GaN层，生长温度为1050℃，厚度为0.05um，生长压力100torr；然后快速降温增压生长3D型GaN层，生长温度为990℃，生长厚度为0.05um,生长压力为400torr。
N型GaN为掺杂Si的N型GaN层，其生长工艺为：保持反应腔压力、温度不变，通入流量为30000sccm的NH3、200sccm的TMGa、100L/min～130L/min的H2、20sccm的SiH4，持续生长3μm掺杂Si的N型GaN，Si掺杂浓度5E18atoms/cm3；保持反应腔压力、温度不变，通入流量为30000sccm的NH3、300sccm的TMGa、110L/min的H2、6sccm的SiH4，持续生长300μm掺杂Si的N型GaN，Si掺杂浓度5E17atoms/cm3。
采用金属有机化合物化学气相沉积法生长10个周期的垒层/阱层/补充层/斜阱层结构的多量子阱层：在N2或N2/H2混合气氛、850℃条件下生长GaN垒层；在N2或N2/H2混合气氛、650℃条件下生长InGaN阱层；阱层生长结束后，中断金属Ga源的通入，继续通入金属In源，中断时间为10s，同时以1.0℃/s的速度从阱层的生长温度开始升温，形成补充层；再继续通入金属Ga源，同时以2.5/s的速度继续升温，形成In组分渐变的斜阱层。
所述功能层至少包括3个由下至上依次生长的循环层，所述循环层包括由下至上依次生长的掺硅元素的N型GaN层，掺硅元素、铝元素和铟元素的第一N型铝铟氮化镓AlInGaN层，掺入硅元素、铝元素和铟元素的第二N型AlInGaN层，且所述掺硅元素的N型GaN层、所述第一N型AlInGaN层和所述第二N型AlInGaN层的掺杂浓度不同。
其中所述循环层中每一层的硅元素的掺杂浓度为1e17/cm3，掺杂有铝元素的层中铝元素的组分为0.02wt％，掺杂有铟元素的层中铟元素的组分为0.02wt％。
上述功能层的生长温度位于750℃范围内、压力位于50torr范围内、转速位于为1000rpm范围内、生长速率位于3μm/h范围内。
所述发光层为交替生长掺杂In的In0.26Ga0.74N/GaN发光层，其生长工艺为：保持反应腔压力400mbar、温度750℃，通入流量为60000sccm的NH3、20sccm的TMGa、1500sccm的TMIn、100L/min的N2，生长掺杂In的2.5nm的In0.26Ga0.74N层，发光波长450nm；接着升高温度至750℃，保持反应腔压力300mbar，通入流量为50000sccm的NH3、20sccm的TMGa、100L/min的N2，生长8nm的GaN层；重复In0.26Ga0.74N的生长，然后重复GaN的生长，交替生长In0.26Ga0.74N/GaN发光层，控制周期数为10个。
采用如下方式生成P型GaN层：保持反应腔压力400mbar～900mbar、温度950℃，通入流量为50000sccm的NH3、20sccm的TMGa、100L/min～130L/min的H2、1000sccm的Cp2Mg，持续生长50nm的掺Mg的P型GaN层，Mg掺杂浓度1E19atoms/cm3。
实施例二
H2环境中高温净化衬底；在1050℃的H2气氛下，通入120L/min的H2，保持反应腔压力200mbar，处理衬底9min。
所述外延片包括从衬底上由下而上依次生成低温缓冲层、U型氮化镓GaN层、N型GaN层、垒层/阱层/补充层/斜阱层结构的多量子阱层、功能层、发光层和P型GaN层。
采用金属有机化合物化学气相沉积法，在570℃，保持反应腔压力450mbar，通入流量为15000sccm的NH3、75sccm的TMGa、120L/min的H2、在衬底上生长厚度为20nm～40nm的低温缓冲层GaN。
在低温缓冲层GaN生长U型GaN层：首先生长2D型GaN层，生长温度为1050℃，厚度为0.05um，生长压力100torr；然后快速降温增压生长3D型GaN层，生长温度为990℃，生长厚度为0.05um,生长压力为400torr。
N型GaN为掺杂Si的N型GaN层，其生长工艺为：保持反应腔压力、温度不变，通入流量为45000sccm的NH3、300sccm的TMGa、120L/min的H2、40sccm的SiH4，持续生长3.5μm掺杂Si的N型GaN，Si掺杂浓度7.5E18atoms/cm3；保持反应腔压力、温度不变，通入流量为40000sccm的NH3、350sccm的TMGa、120L/min的H2、8sccm的SiH4，持续生长350μm掺杂Si的N型GaN，Si掺杂浓度7.5E17atoms/cm3。
采用金属有机化合物化学气相沉积法生长12个周期的垒层/阱层/补充层/斜阱层结构的多量子阱层：在N2或N2/H2混合气氛、860℃条件下生长GaN垒层；在N2或N2/H2混合气氛、700℃条件下生长InGaN阱层；阱层生长结束后，中断金属Ga源的通入，继续通入金属In源，中断时间为15s，同时以1.3℃/s的速度从阱层的生长温度开始升温，形成补充层；再继续通入金属Ga源，同时以2.7℃/s的速度继续升温，形成In组分渐变的斜阱层。
所述功能层至少包括3个由下至上依次生长的循环层，所述循环层包括由下至上依次生长的掺硅元素的N型GaN层，掺硅元素、铝元素和铟元素的第一N型铝铟氮化镓AlInGaN层，掺入硅元素、铝元素和铟元素的第二N型AlInGaN层，且所述掺硅元素的N型GaN层、所述第一N型AlInGaN层和所述第二N型AlInGaN层的掺杂浓度不同。
其中所述循环层中每一层的硅元素的掺杂浓度为1e18/cm3，掺杂有铝元素的层中铝元素的组分为0.4wt％，掺杂有铟元素的层中铟元素的组分为0.03wt％。
上述功能层的生长温度位于800℃范围内、压力位于200torr范围内、转速位于为1200rpm范围内、生长速率位于4μm/h范围内。
所述发光层为交替生长掺杂In的In0.27Ga0.73N/GaN发光层，其生长工艺为：保持反应腔压力450mbar、温度775℃，通入流量为70000sccm的NH3、30sccm的TMGa、1700sccm的TMIn、100L/min～130L/min的N2，生长掺杂In的3nm的In0.27Ga0.73N层，发光波长453nm；接着升高温度至800℃，保持反应腔压力360mbar，通入流量为60000sccm的NH3、70sccm的TMGa、12L/min的N2，生长10nm的GaN层；重复In0.27Ga0.73N的生长，然后重复GaN的生长，交替生长In0.27Ga0.73N/GaN发光层，控制周期数为11个。
采用如下方式生成P型GaN层：保持反应腔压力600mbar、温度975℃，通入流量为60000sccm的NH3、50sccm的TMGa、120L/min的H2、2000sccm的Cp2Mg，持续生长100nm的掺Mg的P型GaN层，Mg掺杂浓度1E19atoms/cm3～1E20atoms/cm3。
实施例三
H2环境中高温净化衬底；在1100℃的H2气氛下，通入130L/min的H2，保持反应腔压力300mbar，处理衬底10min。
所述外延片包括从衬底上由下而上依次生成低温缓冲层、U型氮化镓GaN层、N型GaN层、垒层/阱层/补充层/斜阱层结构的多量子阱层、功能层、发光层和P型GaN层。
采用金属有机化合物化学气相沉积法，在580℃，保持反应腔压力600mbar，通入流量为20000sccm的NH3、100sccm的TMGa、130L/min的H2、在衬底上生长厚度为40nm的低温缓冲层GaN。
在低温缓冲层GaN生长U型GaN层：首先生长2D型GaN层，生长温度为1050℃，厚度为0.05um，生长压力100torr；然后快速降温增压生长3D型GaN层，生长温度为990℃，生长厚度为0.05um,生长压力为400torr。
N型GaN为掺杂Si的N型GaN层，其生长工艺为：保持反应腔压力、温度不变，通入流量为60000sccm的NH3、400sccm的TMGa、130L/min的H2、50sccm的SiH4，持续生长4μm掺杂Si的N型GaN，Si掺杂浓度1E19atoms/cm3；保持反应腔压力、温度不变，通入流量为60000sccm的NH3、400sccm的TMGa、130L/min的H2、6sccm～10sccm的SiH4，持续生长400μm掺杂Si的N型GaN，Si掺杂浓度1E18atoms/cm3。
采用金属有机化合物化学气相沉积法生长10～15个周期的垒层/阱层/补充层/斜阱层结构的多量子阱层：在N2或N2/H2混合气氛、870℃条件下生长GaN垒层；在N2或N2/H2混合气氛、720℃条件下生长InGaN阱层；阱层生长结束后，中断金属Ga源的通入，继续通入金属In源，中断时间为25s，同时以1.5℃/s的速度从阱层的生长温度开始升温，形成补充层；再继续通入金属Ga源，同时以3℃/s的速度继续升温，形成In组分渐变的斜阱层。
所述功能层至少包括3个由下至上依次生长的循环层，所述循环层包括由下至上依次生长的掺硅元素的N型GaN层，掺硅元素、铝元素和铟元素的第一N型铝铟氮化镓AlInGaN层，掺入硅元素、铝元素和铟元素的第二N型AlInGaN层，且所述掺硅元素的N型GaN层、所述第一N型AlInGaN层和所述第二N型AlInGaN层的掺杂浓度不同。
其中所述循环层中每一层的硅元素的掺杂浓度为1e19/cm3，掺杂有铝元素的层中铝元素的组分为0.5wt％，掺杂有铟元素的层中铟元素的组分为0.05wt％。
上述功能层的生长温度位于1000℃范围内、压力位于500torr范围内、转速位于为1500rpm范围内、生长速率位于5μm/h范围内。
所述发光层为交替生长掺杂In的In0.28Ga 0.72N/GaN发光层，其生长工艺为：保持反应腔压力500mbar、温度800℃，通入流量为80000sccm的NH3、40sccm的TMGa、2000sccm的TMIn、130L/min的N2，生长掺杂In的2.5nm～3.5nm的In0.28Ga 0.72N层发光波长455nm；接着升高温度至850℃，保持反应腔压力300mbar～400mbar，通入流量为70000sccm的NH3、100sccm的TMGa、130L/min的N2，生长15nm的GaN层；重复In0.28Ga 0.72N的生长，然后重复GaN的生长，交替生长In0.28Ga 0.72N/GaN发光层，控制周期数为12个。
采用如下方式生成P型GaN层：保持反应腔压力900mbar、温度1000℃，通入流量为70000sccm的NH3、100sccm的TMGa、130L/min的H2、1000sccm～3000sccm的Cp2Mg，持续生长50nm～200nm的掺Mg的P型GaN层，Mg掺杂浓度1E20atoms/cm3。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种LED外延片的制备方法，该制备方法包括如下步骤：
（1）准备衬底
H2环境中高温净化衬底；在1000℃~1100℃的H2气氛下，通入100L/min~130L/min的H2，保持反应腔压力100mbar~300mbar，处理衬底8min~10min；
（2）采用金属有机化合物化学气相沉积法在衬底上形成外延片
所述外延片包括从衬底上由下而上依次生成低温缓冲层、U型氮化镓GaN层、N型GaN层、垒层/阱层/补充层/斜阱层结构的多量子阱层、功能层、发光层和P型GaN层；
其特征在于，在步骤（2）中，采用金属有机化合物化学气相沉积法生长10~15个周期的垒层/阱层/补充层/斜阱层结构的多量子阱层：
a. 在N2或N2/H2混合气氛、850~870℃条件下生长GaN垒层；
b. 在N2或N2/H2混合气氛、650~720℃条件下生长InGaN阱层；
c. 补充层的生长：
阱层生长结束后，中断金属Ga源的通入，继续通入金属In源，中断时间为10～25s，同时以1.0～1.5℃/s的速度从阱层的生长温度开始升温，形成补充层；
d．斜阱层的生长：
再继续通入金属Ga源，同时以2.5~3℃/s的速度继续升温，形成In组分渐变的斜阱层；
在所述步骤（2）中，所述功能层至少包括3个由下至上依次生长的循环层，所述循环层包括由下至上依次生长的掺硅元素的N型GaN层，掺硅元素、铝元素和铟元素的第一N型铝铟氮化镓AlInGaN层，掺入硅元素、 铝元素和铟元素的第二N型AlInGaN层，且所述掺硅元素的N型GaN层、所述第一N型AlInGaN层和所述第二N型AlInGaN层的掺杂浓度不同。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，其中所述循环层中每一层的硅元素的掺杂浓度为1e17/cm3~1e19/cm3，掺杂有铝元素的层中铝元素的组分为0.02wt%~0.5wt%，掺杂有铟元素的层中铟元素的组分为0.02wt%~0.05wt%。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，上述功能层的生长温度位于750℃~1000℃范围内、压力位于50torr~500torr范围内、转速位于为1000rpm~1500rpm范围内、生长速率位于3μm/h~5μm/h范围内。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，在所述步骤（2）中，采用金属有机化合物化学气相沉积法，在550~580℃，保持反应腔压力300mbar~600mbar，通入流量为10000sccm~20000sccm的NH3、50sccm~100sccm的TMGa、100L/min~130L/min的H2、在衬底上生长厚度为20nm~40nm的低温缓冲层GaN。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，在步骤（2）中，在低温缓冲层GaN上生长U型GaN层：
首先生长2D型GaN层，生长温度为1050℃，厚度为0.05um，生长压力100torr；
然后快速降温增压生长3D型GaN层，生长温度为990℃，生长厚度为0.05um,生长压力为400torr。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，在所述步骤（2）中，N型GaN为掺杂Si的N型GaN层，其生长工艺为：保持反应腔压力、温度不变，通入流量为30000sccm~60000sccm的NH3、200sccm~400sccm的TMGa、100L/min~130L/min的H2、20sccm~50sccm的SiH4，持续生长3μm~4μm掺杂Si的N型GaN，Si掺杂浓度5E18atoms/cm3~1E19atoms/cm3；保持反应腔压力、温度不变，通入流量为30000sccm~60000sccm的NH3、300sccm~400sccm的TMGa、110L/min~130L/min的H2、6sccm~10sccm的SiH4，持续生长300μm~400μm掺杂Si的N型GaN，Si掺杂浓度5E17atoms/cm3~1E18atoms/cm3。
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