CN106848025B - 一种发光二极管外延片的生长方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种发光二极管外延片的生长方法,属于半导体技术领域。包括:在衬底上依次生长低温缓冲层、高温缓冲层、N型GaN层、有源层、电子阻挡层、P型GaN层、P型接触层;P型接触层的生长过程分成(2*n+1)个阶段,n为正整数,阶段的序号为奇数时采用MO源全开的生长模式,阶段的序号为偶数时采用MO源全关的生长模式;MO源全开的生长模式为,开启Ga源、In源、Mg源,并通入NH3、N2和H2,生长掺杂In和Mg的GaN层;MO源全关的生长模式为,关闭Ga源、In源、Mg源,并通入NH3、N2和H2,中断生长掺杂In和Mg的GaN层。本发明大大降低了工作电压和提升了发光效率。
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外延片的生长方法包括:依次在衬底上生长低温缓冲层、高温缓冲层、N型GaN层、有源层、P型GaN层、P型接触层。其中,生长P型接触层时,会将金属有机化合物化学气相沉淀(Metal-organic chemical vapor deposition)技术所使用的源(通常称为MO源,包括Ga源、In源、Mg源)全部打开,并通入NH3、N2和H2,形成掺杂In和Mg的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:
P型接触层掺杂有In,会吸收有源层发出的光,影响发光效率。如果去除P型接触层,则会由于缺少欧姆接触层(即P型接触层)而造成芯片的正向电压很高。
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、有源层、电子阻挡层、P型GaN层、P型接触层;
其中,所述P型接触层的生长过程分成(2*n+1)个阶段,n为正整数,所述阶段的序号为奇数时采用MO源全开的生长模式,所述阶段的序号为偶数时采用MO源全关的生长模式;所述MO源全开的生长模式为,开启Ga源、In源、Mg源,并通入NH3、N2和H2,生长掺杂In和Mg的GaN层;所述MO源全关的生长模式为,关闭Ga源、In源、Mg源,并通入NH3、N2和H2,中断生长掺杂In和Mg的GaN层。
可选地,2≤n≤6。
可选地,所述MO源全开的生长模式的生长温度大于所述MO源全关的生长模式的生长温度。
优选地,所述MO源全开的生长模式的生长温度与所述MO源全关的生长模式的生长温度之间的差异为10~50℃。
可选地,所述MO源全开的生长模式的生长时间小于所述MO源全关的生长模式的生长时间。
可选地,所述P型接触层的厚度不超过5nm。
优选地,所述P型接触层的厚度为2~4nm。
可选地,所述有源层包括InGaN量子阱层,所述InGaN量子阱层中In的掺杂浓度大于所述掺杂In和Mg的GaN层中In的掺杂浓度。
可选地,所述P型接触层的生长温度低于所述P型GaN层200℃以上。
优选地,所述P型接触层的生长温度为700~800℃。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是:
通过将P型接触层的生长过程分成(2*n+1)个阶段,n为正整数,阶段的序号为奇数时采用MO源全开的生长模式,阶段的序号为偶数时采用MO源全关的生长模式;MO源全开的生长模式为,开启Ga源、In源、Mg源,并通入NH3、N2和H2,生长掺杂In和Mg的GaN层,由于与芯片上氧化铟锡层均掺有In从而形成良好的欧姆接触,降低芯片的正向电压;同时MO源全关的生长模式为,关闭Ga源、In源、Mg源,并通入NH3、N2和H2,中断生长掺杂In和Mg的GaN层,可以削弱MO源全开的生长模式生长的P型接触层所带来的负影响,减少P型接触层由于掺有In而吸收有源层发出的光。而且整个生长阶段都会通入NH3、N2和H2,可以对生长的晶体进行保护,生长出完成的晶体。另外,最后一个阶段采用MO源全开的生长模式结束P型接触层的生长,可以更好地与芯片形成欧姆接触。综上所述,本发明生长的P型接触层在保留欧姆接触层的情况下,减弱了对有源层的吸光效应,大大降低了工作电压和提升了发光效率。
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206: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207: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208:在P型GaN层上生长P型接触层。
在本实施例中,P型接触层的生长过程分成(2*n+1)个阶段,n为正整数,阶段的序号为奇数时采用MO源全开的生长模式,阶段的序号为偶数时采用MO源全关的生长模式;MO源全开的生长模式为,开启Ga源、In源、Mg源,并通入NH3、N2和H2,生长掺杂In和Mg的GaN层;MO源全关的生长模式为,关闭Ga源、In源、Mg源,并通入NH3、N2和H2,中断生长掺杂In和Mg的GaN层。
可选地,2≤n≤6。若n小于2,则达不到既保留欧姆接触,又削弱吸光效应的效果;若n大于6,则会影响发光效率和增加生产成本。
可选地,MO源全开的生长模式的生长温度可以大于MO源全关的生长模式的生长温度。MO源全开的生长模式的生长温度高些,才能有效活化掺杂的Mg。
优选地,MO源全开的生长模式的生长温度与MO源全关的生长模式的生长温度之间的差异可以为10~50℃。若高于50℃,则会减少In的掺杂效率。In的掺杂效率若降低,一方面会减弱Mg的活化效率,另一方面也会减弱与芯片的欧姆接触。若低于10℃,同样会因为温度偏低而影响Mg的活化效率。
更优选地,MO源全开的生长模式的生长温度与MO源全关的生长模式的生长温度之间的差异可以为20~40℃。
可选地,MO源全开的生长模式的生长时间可以小于MO源全关的生长模式的生长时间。
优选地,MO源全开的生长模式的生长时间与MO源全关的生长模式的生长时间之间的差异可以在1~2倍之间。若MO源全开的生长模式的生长时间太短,即MO源全开的生长模式的生长时间与MO源全关的生长模式的生长时间之间的差异大于2倍,则达不到与芯片形成良好的欧姆接触。若MO源全开的生长模式的生长时间太长,即MO源全开的生长模式的生长时间与MO源全关的生长模式的生长时间相同,甚至大于MO源全关的生长模式的生长时间,虽然会形成良好的欧姆接触,但会由于吸光而降低发光效率。差异在1~2倍之间,既保证合适的欧姆接触又保证不吸收较多的光而影响发光效率。
可选地,P型接触层的厚度可以不超过5nm。若厚度大于5nm,则一方面会由于有吸光效应而影响发光效率,另一方面也会因为生长时间、MO源的使用量等增多而提高生产成本。
优选地,P型接触层的厚度可以为2~4nm,既可以保证不会吸收较多的光也不会增加较多的生产成本。
可选地,有源层包括InGaN量子阱层,InGaN量子阱层中In的掺杂浓度可以大于掺杂In和Mg的GaN层中In的掺杂浓度。若掺杂In和Mg的GaN层中In掺杂量高于有源层的In掺杂量,会吸收有源层发出的光,大大降低发光效率。
可选地,P型接触层的生长温度可以低于P型GaN层200℃以上。
优选地,P型接触层的生长温度可以为700~800℃。若低于700℃会大大降低Mg的活化效率。若超过800℃会减弱In的掺杂效率。
更优选地,P型接触层的生长温度可以为700~780℃,可保证In和Mg的掺杂效率。
需要说明的是,本实施例中各层进行比较的数值(如温度)是变化的,则取平均值进行比较。
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为有源层,6为电子阻挡层,7为P型GaN层,8为P型接触层。
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,两种来自于第二样品的晶粒与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升,工作电压明显降低。
本发明实施例通过将P型接触层的生长过程分成(2*n+1)个阶段,n为正整数,阶段的序号为奇数时采用MO源全开的生长模式,阶段的序号为偶数时采用MO源全关的生长模式;MO源全开的生长模式为,开启Ga源、In源、Mg源,并通入NH3、N2和H2,生长掺杂In和Mg的GaN层,由于与芯片上氧化铟锡层均掺有In从而形成良好的欧姆接触,降低芯片的正向电压;同时MO源全关的生长模式为,关闭Ga源、In源、Mg源,并通入NH3、N2和H2,中断生长掺杂In和Mg的GaN层,可以削弱MO源全开的生长模式生长的P型接触层所带来的负影响,减少P型接触层由于掺有In而吸收有源层发出的光。而且整个生长阶段都会通入NH3、N2和H2,可以对生长的晶体进行保护,生长出完成的晶体。另外,最后一个阶段采用MO源全开的生长模式结束P型接触层的生长,可以更好地与芯片形成欧姆接触。综上所述,本发明生长的P型接触层在保留欧姆接触层的情况下,减弱了对有源层的吸光效应,大大降低了工作电压和提升了发光效率。
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,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、有源层、电子阻挡层、P型GaN层、P型接触层;
其特征在于,所述P型接触层的生长过程分成(2*n+1)个阶段,n为正整数,所述阶段的序号为奇数时采用MO源全开的生长模式,所述阶段的序号为偶数时采用MO源全关的生长模式;所述MO源全开的生长模式为,开启Ga源、In源、Mg源,并通入NH3、N2和H2,生长掺杂In和Mg的GaN层;所述MO源全关的生长模式为,关闭Ga源、In源、Mg源,并通入NH3、N2和H2,中断生长掺杂In和Mg的GaN层。
2.根据权利要求1所述的生长方法,其特征在于,2≤n≤6。
3.根据权利要求1或2所述的生长方法,其特征在于,所述MO源全开的生长模式的生长温度大于所述MO源全关的生长模式的生长温度。
4.根据权利要求3所述的生长方法,其特征在于,所述MO源全开的生长模式的生长温度与所述MO源全关的生长模式的生长温度之间的差异为10~50℃。
5.根据权利要求1或2所述的生长方法,其特征在于,所述MO源全开的生长模式的生长时间小于所述MO源全关的生长模式的生长时间。
6.根据权利要求1或2所述的生长方法,其特征在于,所述P型接触层的厚度不超过5nm。
7.根据权利要求6所述的生长方法,其特征在于,所述P型接触层的厚度为2~4nm。
8.根据权利要求1或2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的掺杂浓度大于所述掺杂In和Mg的GaN层中In的掺杂浓度。
9.根据权利要求1或2所述的生长方法,其特征在于,所述P型接触层的生长温度低于所述P型GaN层200℃以上。
10.根据权利要求9所述的生长方法,其特征在于,所述P型接触层的生长温度为700~800℃。
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