CN106684222B - 一种发光二极管外延片的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种发光二极管外延片的制造方法,属于半导体技术领域。所述制造方法包括:在衬底上依次生长低温缓冲层、未掺杂GaN层、N型GaN层、应力释放层、多量子阱层、P型GaN层;其中,应力释放层包括交替层叠的InGaN层和AlxGaN层,0≤x<0.3;在AlxGaN层的生长过程中,AlxGaN层的生长温度先从InGaN层的生长温度通过多个阶段的升温达到最高温度,再从最高温度通过多个阶段的降温达到InGaN层的生长温度,同一个阶段的温度恒定,相邻两个阶段的温度不同。本发明通过温度的缓慢变化使氮化镓层中的应力充分释放,减小极化效应,减少外延层中的V型位错和线性位错,提高晶体质量。
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外延片的制造方法。
背景技术
氮化镓基发光二极管(英文:Lighting Emitting Diode,简称LED)具有体积小、使用寿命长、颜色丰富多彩、能耗低的特点,被广泛应用在户外全色显示、交通信号灯、背光源等领域,被认为是未来最有可能取代白炽灯、荧光灯的选择之一。
LED外延片通常包括衬底、以及依次层叠在衬底上的低温缓冲层、未掺杂GaN层、N型GaN层、多量子阱层、P型GaN层。其中,多量子阱层包括交替层叠的量子阱层和量子垒层,量子阱层为InGaN层,量子垒层为GaN或者AlGaN。
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:
InGaN、GaN、AlGaN之间由于存在晶格失配而产生应力,应力作用使得多量子阱层的极化效应加强,能带弯曲大,对载流子的束缚作用小,影响LED的内量子效率和抗静电性能。
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制造方法。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制造方法,所述制造方法包括:
在衬底上依次生长低温缓冲层、未掺杂GaN层、N型GaN层、应力释放层、多量子阱层、P型GaN层;
其中,所述应力释放层包括交替层叠的InGaN层和AlxGaN层,0≤x<0.3;在所述AlxGaN层的生长过程中,所述AlxGaN层的生长温度先从所述InGaN层的生长温度通过多个阶段的升温达到最高温度,再从最高温度通过多个阶段的降温达到所述InGaN层的生长温度,同一个阶段的温度恒定,相邻两个阶段的温度不同。
可选地,最靠近所述N型GaN层的多层所述AlxGaN层的最高温度的最大值,低于最靠近所述多量子阱层的多层所述AlxGaN层的最高温度的最小值。
可选地,相邻两个阶段的温度的变化速率全部相同、部分相同或者各不相同。
可选地,相邻两个阶段的温度的变化速率不大于2.0℃/s。
可选地,各层所述AlxGaN层中Al组分的含量保持不变、逐层增加或者先逐层增加再逐层减少。
可选地,所述AlxGaN层的厚度为3~10nm。
可选地,各层所述AlxGaN层的厚度部分不同或者各不相同。
优选地,最靠近所述N型GaN层的多层所述AlxGaN层的厚度的最小值,大于最靠近所述多量子阱层的多层所述AlxGaN层的最大值。
可选地,所述AlxGaN层的层数与所述InGaN层的层数相同,所述InGaN层的层数为5~10层。
可选地,所述应力释放层的生长温度为700~900℃。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是:
通过在AlxGaN层的生长过程中,将AlxGaN层的生长温度先从InGaN层的生长温度通过多个阶段的升温达到最高温度,再从最高温度通过多个阶段的降温达到InGaN层的生长温度,同一个阶段的温度恒定,相邻两个阶段的温度不同,利用温度的缓慢变化使氮化镓层中的应力充分释放,减小极化效应,减少外延层中的V型位错和线性位错,提高晶体质量。
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制造方法的流程图;
图2是本发明实施例提供的AlxGaN层的生长温度的变化示意图;
图3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制造方法,以高纯氢(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和N源,用硅烷(SiH4)、二茂镁(Cp2Mg)分别作为N、P型掺杂剂。参见图1,该制造方法包括:
步骤200:将衬底在1200℃的H2气氛下进行热处理10分钟。
在本实施例中,衬底可以采用蓝宝石、Si或者SiC。
需要说明的是,热处理可以清洁衬底表面。
步骤201:控制生长温度为500~650℃,生长压力为400~600Torr,V/III比为500~3000,在衬底上生长厚度为15~35nm的低温缓冲层,并控制生长温度为1000~1200℃进行退火处理5~10min。
其中,V/III比为Ⅴ价原子与Ⅲ价原子的摩尔比。
步骤202:控制生长温度为1000~1200℃,生长压力为100~750Torr,V/III比为300~3000,在缓冲层上生长厚度为1~5μm的未掺杂GaN层和N型GaN层。
步骤203:控制生长温度为700~900℃,生长压力为100~500Torr,V/III比为300~3000,在N型GaN层上生长厚度为150~300nm的应力释放层。
在本实施例中,应力释放层包括交替层叠的InGaN层和AlxGaN层,0≤x<0.3;在AlxGaN层的生长过程中,AlxGaN层的生长温度先从InGaN层的生长温度通过多个阶段的升温达到最高温度,再从最高温度通过多个阶段的降温达到InGaN层的生长温度,同一个阶段的温度恒定,相邻两个阶段的温度不同。
例如,参见图2,AlxGaN层的生长温度,先保持InGaN层的生长温度20~60s,再以1℃/s的变化速率提升至T1,然后保持T1的温度20~60s,再以1℃/s的变化速率提升至T2,然后保持T2的温度20~60s,再以1℃/s的变化速率提升至T,然后保持T的温度20~60s,再以1℃/s的变化速率降低至T2,然后保持T2的温度20~60s,再以1℃/s的变化速率降低至T1,然后保持T1的温度20~60s,再以1℃/s的变化速率降低至InGaN层的生长温度,然后保持InGaN层的生长温度的温度20~60s。
可选地,最靠近N型GaN层的多层AlxGaN层的最高温度的最大值,可以低于最靠近多量子阱层的多层AlxGaN层的最高温度的最小值。
可选地,相邻两个阶段的温度的变化速率可以全部相同、部分相同或者各不相同。
可选地,相邻两个阶段的温度的变化速率可以不大于2.0℃/s。
可选地,各层AlxGaN层中Al组分的含量可以保持不变、逐层增加或者先逐层增加再逐层减少。
可选地,AlxGaN层的厚度可以为3~10nm。
优选地,各层AlxGaN层的厚度可以部分不同或者各不相同。
更优选地,最靠近N型GaN层的多层AlxGaN层的厚度的最小值,可以大于最靠近多量子阱层的多层AlxGaN层的最大值。
可选地,InGaN层的厚度可以为0.5~3nm。
可选地,AlxGaN层的层数与InGaN层的层数相同,InGaN层的层数可以为5~10层。
步骤204:控制生长温度为700~850℃,生长压力为100~500Torr,V/III比为300~5000,在应力释放层上生长多量子阱层。
在本实施例中,多量子阱层包括交替层叠的InGaN量子阱层和GaN量子垒层,GaN量子垒层的层数与InGaN量子阱层的层数相同,InGaN量子阱层的层数可以为12层,InGaN量子阱层的厚度可以为2~5nm,GaN量子垒层的厚度可以为10~20nm。
步骤205:控制生长温度为800~1080℃,生长压力为50~200Torr,V/III比为1000~20000,在多量子阱层上生长P型GaN层。
在本实施例中,在外延生长结束后,将反应腔的温度降至700℃至850℃之间,纯氮气氛围中退火处理5至15分钟,然后降至室温,结束外延生长;之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制成单颗小尺寸芯片。
图3为本实施例制造的发光二极管外延片的结构示意图。其中,1为衬底,2为低温缓冲层,3为未掺杂GaN层、4为N型GaN层、5为应力释放层、6为多量子阱层、7为P型GaN层。
本发明实施例通过在AlxGaN层的生长过程中,将AlxGaN层的生长温度先从InGaN层的生长温度通过多个阶段的升温达到最高温度,再从最高温度通过多个阶段的降温达到InGaN层的生长温度,同一个阶段的温度恒定,相邻两个阶段的温度不同,利用温度的缓慢变化使氮化镓层中的应力充分释放,减小极化效应,减少外延层中的V型位错和线性位错,提高晶体质量。同时通过在应力释放层中掺Al,既可以有效的阻挡电子,减少漏电流,又可以抑制缺陷向上延伸,对应力释放和降低氮化镓外延层的位错密度有很大帮助,可以提高外延层的晶体质量。
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制造方法,其特征在于,所述制造方法包括:
在衬底上依次生长低温缓冲层、未掺杂GaN层、N型GaN层、应力释放层、多量子阱层、P型GaN层;
其中,所述应力释放层包括交替层叠的InGaN层和AlxGaN层,0≤x<0.3;在所述AlxGaN层的生长过程中,所述AlxGaN层的生长温度先从所述InGaN层的生长温度通过多个阶段的升温达到最高温度,再从最高温度通过多个阶段的降温达到所述InGaN层的生长温度,同一个阶段的温度恒定,相邻两个阶段的温度不同。
2.根据权利要求1所述的制造方法,其特征在于,最靠近所述N型GaN层的多层所述AlxGaN层的最高温度的最大值,低于最靠近所述多量子阱层的多层所述AlxGaN层的最高温度的最小值。
3.根据权利要求1或2所述的制造方法,其特征在于,相邻两个阶段的温度的变化速率全部相同、部分相同或者各不相同。
4.根据权利要求1或2所述的制造方法,其特征在于,相邻两个阶段的温度的变化速率不大于2.0℃/s。
5.根据权利要求1或2所述的制造方法,其特征在于,各层所述AlxGaN层中Al组分的含量保持不变、逐层增加或者先逐层增加再逐层减少。
6.根据权利要求1或2所述的制造方法,其特征在于,所述AlxGaN层的厚度为3~10nm。
7.根据权利要求1或2所述的制造方法,其特征在于,各层所述AlxGaN层的厚度部分不同或者各不相同。
8.根据权利要求7所述的制造方法,其特征在于,最靠近所述N型GaN层的多层所述AlxGaN层的厚度的最小值,大于最靠近所述多量子阱层的多层所述AlxGaN层的最大值。
9.根据权利要求1或2所述的制造方法,其特征在于,所述AlxGaN层的层数与所述InGaN层的层数相同,所述InGaN层的层数为5~10层。
10.根据权利要求1或2所述的制造方法,其特征在于,所述应力释放层的生长温度为700~900℃。
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GR01 | Patent grant | ||
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