CN106816499B - 一种发光二极管外延片的制备方法 - Google Patents

一种发光二极管外延片的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种发光二极管外延片的制备方法，属于半导体技术领域。包括：提供一设有氮化铝缓冲层的衬底并放置在反应腔中，反应腔内通入有氮气和氢气中的至少一种作为载气；将反应腔内的温度进行梯度升温，同时增大载气中氮气和氢气的体积比，梯度升温包括n+1个温度恒定阶段和n个温度提升阶段，n+1个温度恒定阶段和n个温度提升阶段随时间的增长交替出现，n为正整数；在氮化铝缓冲层上生长过渡层，过渡层为依次经过第一次二维生长、三维生长和第二次二维生长的铝镓氮层；在过渡层上依次生长非掺杂氮化镓层、N型氮化镓层、多量子阱层、P型电子阻挡层、P型氮化镓层和P型接触层。本发明适应大尺寸外延片的生产。

Description

一种发光二极管外延片的制备方法
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制备方法。
背景技术
发光二极管(英文：Light Emitting Diodes，简称：LED)具有超长寿命、节能省电、健康环保、坚固难用等优点，应用广泛。以氮化镓(GaN)为代表的Ⅲ族化合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型或者N型掺杂的优点，而且GaN的多元合金构成的量子阱的发光波长可覆盖整个可见光区域，并具有较高的内量子效率，因此GaN是制作LED的理想材料。
GaN基LED外延片通常采用蓝宝石衬底，但是GaN和蓝宝石之间存在晶格失配，会造成LED外延片高密度缺陷、热膨胀系数大，产生的应力无法充分释放，外延片表面不平整，翘曲度较高。
而随着近年来经济的不断发展和人力成本的不断提高，LED芯片厂商已经逐步朝大尺寸外延工艺(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英寸外延片的芯片产能是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。大尺寸外延片相比传统的2英寸外延片，具有更高的翘曲度，破片率较高，严重制约了大尺寸外延技术的发展。
发明内容
为了解决现有技术严重制约大尺寸外延技术的发展的问题，本发明实施例提供了一种发光二极管外延片的制备方法。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备方法，所述制备方法包括：
提供一设有氮化铝缓冲层的衬底并放置在反应腔中，所述反应腔内在所述发光二极管外延片的制备过程中通入有氮气和氢气中的至少一种作为载气；
将所述反应腔内的温度进行梯度升温，同时增大所述载气中氮气相对于氢气的体积比，所述梯度升温包括n+1个温度恒定阶段和n个温度提升阶段，所述n+1个温度恒定阶段和所述n个温度提升阶段随时间的增长交替出现，每个所述温度提升阶段的开始温度等于前一个所述温度恒定阶段的温度，每个所述温度提升阶段的结束温度等于后一个所述温度恒定阶段的温度，n为正整数；
在所述氮化铝缓冲层上生长过渡层，所述过渡层为依次经过第一次二维生长、三维生长和第二次二维生长的铝镓氮层；
在所述过渡层上依次生长非掺杂氮化镓层、N型氮化镓层、多量子阱层、P型电子阻挡层、P型氮化镓层和P型接触层。
可选地，最后一个所述温度提升阶段和最后一个所述温度恒定阶段的所述载气为纯氮气。
可选地，在所述将反应腔内的温度进行梯度升温的过程中，若所述反应腔内的温度低于800℃，则所述载气中氮气和氢气的体积比小于1。
优选地，在所述将反应腔内的温度进行梯度升温的过程中，若所述反应腔内的温度低于800℃，则所述载气为纯氢气。
可选地，所述增大所述载气中氮气和氢气的体积比，包括：
保持所述载气的体积不变，增加所述载气中氮气的体积，减少所述载气中氢气的体积。
可选地，各个所述温度提升阶段的温度升高速率保持不变、逐渐减小或者逐渐增大。
可选地，相邻两个所述温度恒定阶段的温度的差值各不相同。
可选地，各个所述温度恒定阶段占用的时间为定值。
可选地，所述过渡层的厚度小于或等于1.5μm。
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：
通过将反应腔内的温度进行梯度升温，梯度升温包括n+1个温度恒定阶段和n个温度提升阶段，n+1个温度恒定阶段和n个温度提升阶段随时间的增长交替出现，使温度可以逐步变化到所需温度，给予温度传递提供充分的时间，整体温度可以保持一致，温场稳定、受热均匀，降低了由于衬底和氮化铝缓冲层的热膨胀系数不同而引起的张应力，进而缓解晶格失配产生的应力，改善外延片的翘曲度。同时在将反应腔内的温度进行梯度升温的过程中，增大载气中氮气和氢气的体积比，温度较低时氢气较多，有利于去除衬底表面的杂质，氮气随着温度的升高增多，可以使氮化铝缓冲层缓解衬底的凹形形变，进一步改善外延片的翘曲度，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，降低外延片的位错和缺陷密度，改善晶体质量，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发光二极管外延片的制备方法的流程图；
图2a-图2h是本发明实施例一提供的外延片制备过程中的结构示意图；
图3是本发明实施例一提供的载气中氮气和氢气变化情况的示意图；
图4a-4c是本发明实施例一提供的温度速率变化情况的示意图；
图5是本发明实施例二提供的一种发光二极管外延片的制备方法的流程图。
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发光二极管外延片的制备方法，参见图1，该制备方法包括：
步骤101：提供一设有氮化铝缓冲层的衬底并放置在反应腔中，反应腔内在LED外延片的制备过程中通入有氮气和氢气中的至少一种作为载气。
图2a为步骤101执行之后的外延片的结构示意图。其中，1为衬底，2为氮化铝缓冲层。
步骤102：将反应腔内的温度进行梯度升温，同时增大载气中氮气和氢气的体积比。
具体地，增大载气中氮气相对于氢气的体积比，可以包括：
保持载气的体积不变，增加载气中氮气的体积，减少载气中氢气的体积，如图3所示。
需要说明的是，上述实现方式可以保持反应腔内的生长压力不变，避免载气的变化过程影响到外延片生长压力的变化。
可选地，在进行多个阶段的升温过程中，最后一个温度提升阶段和最后一个温度恒定阶段的载气可以为纯氮气，以充分保护氮化铝缓冲层中掺杂的氧，使氧原子在衬底处于高温的情况下缓解衬底的凹形形变，改善外延片的翘曲度。
可选地，在将反应腔内的温度进行梯度升温的过程中，若反应腔内的温度低于800℃，则载气中氮气和氢气的体积比可以小于1，在低温环境下利用氢气能够去除衬底表面的杂质。
优选地，在将反应腔内的温度进行梯度升温的过程中，若反应腔内的温度低于800℃，则载气可以为纯氢气，衬底表面杂质的去除效果达到最佳。
在本实施例中，梯度升温包括n+1个温度恒定阶段和n个温度提升阶段，n+1个温度恒定阶段和n个温度提升阶段随时间的增长交替出现，每个温度提升阶段的开始温度等于前一个温度恒定阶段的温度，每个温度提升阶段的结束温度等于后一个温度恒定阶段的温度，n为正整数。
可选地，各个温度提升阶段的温度升高速率可以保持不变(如图4a所示)、逐渐减小(如图4b所示)或者逐渐升高(如图4c所示)。若温度升高速率保持不变，则实现比较简单；实验证明，若温度升高效率逐渐减小或者逐渐升高，则此时外延片的翘曲度较优。
可选地，相邻两个温度恒定阶段的温度的差值可以为定值，实现比较简单。
可选地，相邻两个阶段的温度的差值可以各不相同，可以依据具体情况进行相应调整，实现效果达到最佳。
可选地，各个阶段占用的时间可以为定值，实现比较简单。
可选地，各个阶段占用的时间可以各不相同，可以依据具体情况进行相应调整，实现效果达到最佳。
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，特别适用于大尺寸的衬底。其中，衬底的尺寸中为衬底的边缘两点之间的最长距离。
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。
步骤103：保持反应腔内的温度不变，同时在氮化铝缓冲层上生长过渡层。
图2b为步骤103执行之后的外延片的结构示意图。其中，3为过渡层。
在本实施例中，过渡层为依次经过第一次二维生长、三维生长和第二次二维生长的铝镓氮层。在具体实现中，到达氮化铝表面的铝镓氮原子会先平铺在氮化铝缓冲层上，完成第一次二维生长。由于铝镓氮层和蓝宝石衬底、氮化铝之间存在一定的晶格失配，因此平铺一层之后，铝镓氮原子会先在比较容易成核的地方聚集成核，后面到达的铝镓氮原子聚集在核的周围，使核不断长大，完成三维生长。核长大到一定程度，会与相邻的核合并，最终使铝镓氮原子再次平铺在氮化铝缓冲层上，完成第二次二维生长。
具体地，过渡层为AlxGa1-xN(铝镓氮)层，0＜x＜1。
可选地，过渡层的厚度可以小于或等于1.5μm。具体地，过渡层的厚度可以大于200nm。
步骤104：升高反应腔内的温度，并在反应腔内的温度升高之后，在过渡层上生长非掺杂氮化镓层。
图2c为步骤104执行之后的外延片的结构示意图。其中，4为非掺杂氮化镓层。
步骤105：降低反应腔内的温度，并在反应腔内的温度降低之后，降低温度在非掺杂氮化镓层上生长N型氮化镓层。
图2d为步骤105执行之后的外延片的结构示意图。其中，5为N型氮化镓层。
具体地，N型氮化镓层中的N型掺杂剂可以为Si。
步骤106：在N型氮化镓层上交替生长铟镓氮子层和氮化镓子层，形成多量子阱层，每个铟镓氮子层和每个氮化镓子层生长之前调整一次反应腔内的温度。
图2e为步骤106执行之后的外延片的结构示意图。其中，6为多量子阱层。
步骤107：调整反应腔内的温度，并在反应腔内的温度调整之后，在多量子阱层上生长P型电子阻挡层。
图2f为步骤107执行之后的外延片的结构示意图。其中，7为P型电子阻挡层。
具体地，P型电子阻挡层为P型掺杂的铝镓氮层。其中，P型掺杂剂可以为Mg。
步骤108：升高反应腔内的温度，并在反应腔内的温度升高之后，在P型电子阻挡层上生长P型氮化镓层。
图2g为步骤108执行之后的外延片的结构示意图。其中，8为P型氮化镓层。
具体地，P型氮化镓层中的P型掺杂剂可以为Mg。
步骤109：升高反应腔内的温度，并在反应腔内的温度升高之后，升高温度在P型氮化镓层上生长P型接触层。
图2h为步骤109执行之后的外延片的结构示意图。其中，9为P型接触层。
在本实施例中，P型接触层为P型掺杂的氮化镓层。其中，P型掺杂剂可以为Mg。具体地，P型接触层的厚度小于P型层的厚度。
本发明实施例通过将反应腔内的温度进行梯度升温，梯度升温包括n+1个温度恒定阶段和n个温度提升阶段，n+1个温度恒定阶段和n个温度提升阶段随时间的增长交替出现，使温度可以逐步变化到所需温度，给予温度传递提供充分的时间，整体温度可以保持一致，温场稳定、受热均匀，降低了由于衬底和氮化铝缓冲层的热膨胀系数不同而引起的张应力，进而缓解晶格失配产生的应力，改善外延片的翘曲度。同时在将反应腔内的温度进行梯度升温的过程中，增大载气中氮气和氢气的体积比，温度较低时氢气较多，有利于去除衬底表面的杂质，氮气随着温度的升高增多，可以使氮化铝缓冲层缓解衬底的凹形形变，进一步改善外延片的翘曲度，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，降低外延片的位错和缺陷密度，改善晶体质量，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发光二极管外延片的制备方法，本实施例提供的制备方法是实施例一提供的制备方法的具体实现。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5，该制备方法包括：
步骤201：提供一设有氮化铝缓冲层的衬底并放置在反应腔中，反应腔内在发光二极管外延片的制备过程中通入有氮气和氢气中的至少一种作为载气。
步骤202：先在纯氢气气氛下将温度升至500℃，再在纯氢气气氛下将温度升至800℃并稳定30s，再在氮气和氢气的体积比为2的载气气氛下将温度升至1000℃并稳定30s，再在纯氮气气氛下将温度升至1250℃并稳定400s。
步骤203：保持1250℃的温度，在氮气和氢气的体积比为1/3的载气气氛下生长厚度为1μm的过渡层。
步骤204：升高温度至1255℃，沉积厚度为1.5μm的非掺杂氮化镓层。
步骤205：降低温度至1100℃，生长厚度为2μm的N型氮化镓层。
步骤206：交替生长8层铟镓氮子层和8层氮化镓子层，形成多量子阱层。
在本实施例中，铟镓氮子层的厚度为3nm，铟镓氮子层的生长温度为880℃；氮化镓子层的厚度为12nm，氮化镓子层的生长温度为985℃。需要说明的是，由于In对温度敏感，容易在高温下挥发，为了便于In的生长，铟镓氮子层的生长温度要低一些，而氮化镓子层要求晶体质量要好，因此温度要适当高些。
步骤207：在980℃的温度下，生长厚度为50nm的P型电子阻挡层。
步骤208：在1090℃的温度下，生长厚度为200nm的P型氮化镓层。
步骤209：在1120℃的温度下，生长厚度为10nm的P型接触层。
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。
本发明实施例通过将反应腔内的温度进行梯度升温，梯度升温包括n+1个温度恒定阶段和n个温度提升阶段，n+1个温度恒定阶段和n个温度提升阶段随时间的增长交替出现，使温度可以逐步变化到所需温度，给予温度传递提供充分的时间，整体温度可以保持一致，温场稳定、受热均匀，降低了由于衬底和氮化铝缓冲层的热膨胀系数不同而引起的张应力，进而缓解晶格失配产生的应力，改善外延片的翘曲度。同时在将反应腔内的温度进行梯度升温的过程中，增大载气中氮气和氢气的体积比，温度较低时氢气较多，有利于去除衬底表面的杂质，氮气随着温度的升高增多，可以使氮化铝缓冲层缓解衬底的凹形形变，进一步改善外延片的翘曲度，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，降低外延片的位错和缺陷密度，改善晶体质量，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。
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)

1.一种发光二极管外延片的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：
提供一设有氮化铝缓冲层的衬底并放置在反应腔中，所述反应腔内在所述发光二极管外延片的制备过程中通入有氮气和氢气中的至少一种作为载气；
将所述反应腔内的温度进行梯度升温，同时增大所述载气中氮气相对于氢气的体积比，所述梯度升温包括n+1个温度恒定阶段和n个温度提升阶段，所述n+1个温度恒定阶段和所述n个温度提升阶段随时间的增长交替出现，每个所述温度提升阶段的开始温度等于前一个所述温度恒定阶段的温度，每个所述温度提升阶段的结束温度等于后一个所述温度恒定阶段的温度，n为正整数；
在所述氮化铝缓冲层上生长过渡层，所述过渡层为依次经过第一次二维生长、三维生长和第二次二维生长的铝镓氮层；
在所述过渡层上依次生长非掺杂氮化镓层、N型氮化镓层、多量子阱层、P型电子阻挡层、P型氮化镓层和P型接触层。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，最后一个所述温度提升阶段和最后一个所述温度恒定阶段的所述载气为纯氮气。
3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，在所述将反应腔内的温度进行梯度升温的过程中，若所述反应腔内的温度低于800℃，则所述载气中氮气和氢气的体积比小于1。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，在所述将反应腔内的温度进行梯度升温的过程中，若所述反应腔内的温度低于800℃，则所述载气为纯氢气。
5.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述增大所述载气中氮气和氢气的体积比，包括：
保持所述载气的体积不变，增加所述载气中氮气的体积，减少所述载气中氢气的体积。
6.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，各个所述温度提升阶段的温度升高速率保持不变、逐渐减小或者逐渐增大。
7.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，相邻两个所述温度恒定阶段的温度的差值各不相同。
8.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，各个所述温度恒定阶段占用的时间为定值。
9.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述过渡层的厚度小于或等于1.5μm。
10.根据权利要求1或2所述的制备方法，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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