CN107452845A - 一种大尺寸发光二极管外延片及其生长方法 - Google Patents
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Classifications
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- H01L33/12—
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Landscapes
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Abstract
一种大尺寸发光二极管外延片及其生长方法，属于半导体技术领域，在衬底上依次外延生长缓冲层非故意掺杂GaN层、N型掺杂GaN层、多量子阱层、电子阻挡层和P型掺杂GaN层，其中，缓冲层生长包括在衬底上依次进行第一、第二和第三缓冲层的生长。本发明采用三层缓冲层能有效释放衬底与GaN因热膨胀系数不同而产生的应力，降低衬底与GaN晶格常数不同导致的应力，减少大尺寸外延在高温生长过程中衬底破碎、裂片的几率，为氮化物薄膜结构层中非故意掺杂GaN层及有源层结构的生长打好基础，可提高大尺寸外延材料质量，改善外延片波长均匀性，调整外延片的翘曲。
Description
技术领域
本发明属于半导体技术领域，具体涉及发光二极管外延结构的生产技术领域。
技术背景
近年来，氮化物基LED芯片广泛地应用于显示屏、背光、照明以及路灯等众多领域，随着LED的大规模应用，市场对于LED的生产效率、生产成本等提出更高的要求，需要外延持续降低LED制造成本，采用更大尺寸衬底成为必然趋势。
目前LED市场上外延片主要以4英寸和2英寸为主，6英寸乃至更大尺寸的外延技术尚不成熟，最主要原因之一就是大尺寸的外延片在生长过程中容易出现裂片、碎片现象，且外延片均匀性较差，产品良率低，这是大尺寸外延片在规模量产中棘手的问题。
发明内容
本发明针对大尺寸衬底上生长外延裂片及外延片均匀性差的问题，提出一种大尺寸发光二极管外延片及其生长方法。
本发明包括设置在衬底同一侧的缓冲层、非故意掺杂GaN层、N型掺杂GaN层、多量子阱层、电子阻挡层和P型掺杂GaN层，特点是：所述缓冲层由第一缓冲层、第二缓冲层和第三缓冲层组成，第一缓冲层设置在衬底上，第二缓冲层设置在第一缓冲层和第三缓冲层之间。
本发明采用三层缓冲层的设计主要作用是能有效释放衬底与GaN因热膨胀系数不同而产生的应力，也可以降低衬底与GaN晶格常数不同导致的应力，减少大尺寸外延在高温生长过程中衬底破碎、裂片的几率，为氮化物薄膜结构层中非故意掺杂GaN层及有源层结构的生长打好基础，可以极大地提高大尺寸外延材料质量，改善大尺寸外延片波长均匀性，调整外延片的翘曲，解决大尺寸外延片规模量产的工艺难点。
进一步地，本发明所述第一缓冲层的厚度为10～200nm，材料为InN；第二缓冲层的厚度为10～100nm，材料为AlxGayN，所述AlxGayN中0≤x≤1，0≤y≤1，且x+y=1；第三缓冲层的厚度为10～300nm，材料为AlmGanN，所述AlmGanN中0≤m≤1，0≤n≤1，且m+n=1。
本发明中第一缓冲层材质为InN，其好处是InN热膨胀系数小于衬底材料、GaN、AlN中，且InN的晶格常数大于AlN和GaN，低温时在衬底上生长一层InN，可以更好的释放掉衬底在升温过程中产生的应力，低温InN也可以为第二缓冲层生长提供成核位，有利于第二缓冲层工艺的生长。
第二缓冲层与第三缓冲层为AlN、GaN的一种或其合金，能更好的降低衬底与GaN间的晶格失配，第二缓冲层与第三缓冲层相配合，通过调整第二缓冲层和第三缓冲层的温度及厚度，可以改变外延片翘曲，便于非故意掺杂GaN层、N型掺杂GaN层、多量子阱层、电子阻挡层和P型掺杂GaN层的均匀沉积，提高外延片的均匀性。
本发明另一目的是提出一种大尺寸发光二极管外延片的生长方法。
生长方法包括采用有机金属化学气相沉积（MOCVD）法，在衬底上依次外延生长缓冲层非故意掺杂GaN层、N型掺杂GaN层、多量子阱层、电子阻挡层和P型掺杂GaN层，其特点是：缓冲层生长包括在衬底上依次进行第一缓冲层、第二缓冲层和第三缓冲层的生长。
以上缓冲层的具体生长方案是：
先向反应腔通入NH3，反应腔温度升高到150～400℃，反应腔压力设置为200～400mbar，生长第一缓冲层InN；
然后在反应腔中通入H2，将反应腔温度升高至1100～1300℃，恒温持续200～500秒后，再将反应腔温度降低至500～600℃，反应腔压力设置为500～600mbar生长第二缓冲层AlxGayN，所述AlxGayN中0≤x≤1，0≤y≤1，且x+y=1；
再将反应腔温度升高至900～1200℃，反应腔压力设置为600～800mbar生长第三缓冲层AlmGanN，所述AlmGanN中0≤m≤1，0≤n≤1，且m+n=1。
并且，生长的所述第一缓冲层厚度为10～200nm，生长的所述第二缓冲层的厚度为10～100nm，生长的所述第三缓冲层的厚度为10～300nm。
然后再按常规方式，在第三缓冲层上依次生长非故意掺杂GaN层、N型掺杂GaN层、多量子阱层、电子阻挡层和P型掺杂GaN层。
该三层缓冲层的生长方法相较于传统的单层缓冲层，能更好的释放掉蓝宝石与GaN间的应力，提高了大尺寸外延片在磊晶过程中的晶体质量，通过该三层缓冲层可以调整外延片生长时翘曲，改善外延片波长均匀性，解决了大尺寸外延片规模量产中的工艺难点。
附图说明
图1为本发明的外延结构示意图。
图2为传统工艺与本发明工艺制作的外延片中心直线上的波长分布对比图。
具体实施方式
一、生产工艺：
本发明外延结构采用MOCVD生长，H2、N2作为有机金属源的载气，SiH4提供N型掺杂，二茂镁（Cp2Mg）提供P型掺杂，NH3作为Ⅴ族源，三甲基镓（TMGa）、三乙基镓（TEGa）、三甲基铝（TMAl）、三甲基铟（TMIn）、作为Ⅲ族有机金属源。
如图1所示，生长步骤如下：
步骤1： 将MOCVD反应腔的温度升高到250℃，通入NH3和三甲基铟（TMIn），在衬底01上生长厚度为100nm的InN作为第一缓冲层021，生长压力为300mbar。
衬底01可以选用蓝宝石、Si、SiC、GaN等，本实例中优选6英寸蓝宝石衬底。
步骤2：在H2环境下，将MOCVD反应腔温度升高到1200℃对衬底01表面进行高温清洁处理，恒温持续300秒；之后降温到580℃，通入NH3进行表面氮化处理；然后通入三甲基镓（TMGa）生长厚度为30nm的GaN作为第二缓冲层022，生长压力为560mbar。
第二缓冲层022的材料可以AlxGayN，其中0≤x≤1，0≤y≤1，且x+y=1。
步骤3：将反应腔升温至1150℃，提高生长压力至700mbar，通入三甲基镓（TMGa）生长厚度为200nm的GaN作为第三缓冲层023。
第三缓冲层023的材料可以是AlmGanN，其中0≤m≤1，0≤n≤1，且m+n=1。
第三缓冲层023也可以采用变温的方式生长，例如：
在第二缓冲层生长结束后，先将系统温度升高至1100℃，并提高生长压力至700mbar，通入三甲基镓（TMGa），生长100nm的 GaN作为低温第三缓冲层，然后保持三甲基镓（TMGa）打开状态，升高系统温度至1200℃，生长70nm的 GaN作为变温第三缓冲层，最后保持1200℃生长30nm的 GaN作为高温第三缓冲层。以此形成的第三缓冲层的总厚度为200nm。
步骤4：升高温度至1220℃，降低生长压力至300mbar，通入三甲基镓（TMGa）生长形成非故意掺杂GaN层03，厚度为2.7μm。
步骤5：通入SiH4进行N型掺杂，降低温度至1210℃的条件下，形成N型掺杂GaN层04，厚度为3μm。
步骤6：降低生长温度到740℃，生长多量子阱层05，低温通入三甲基铟（TMIn）生长InGaN量子阱，升高温度到840℃生长GaN量子垒05。
步骤8：温度继续升高到950℃，通入三甲基铝（TMAl），生长形成AlGaN电子阻挡层06。
步骤9：继续升温到1050℃，通入二茂镁（Cp2Mg），生长P型掺杂GaN层07。
二、产品结构：
如图1所示，在6英寸衬底01同一侧依次外延设置有由第一缓冲层021、第二缓冲层022和第三缓冲层023组成的缓冲层02，在第三缓冲层023外依次外延有由非故意掺杂GaN层03、N型掺杂GaN层04、多量子阱层05、电子阻挡层06和P型掺杂GaN层07组成的氮化物薄膜结构层。
三、产品结果测试：
将传统工艺制作的6英寸外延片和本发明方法制作的6英寸外延片进行光致发光波长测试对比，方法如下：
以外延片圆心的直线上的点发光波长作为参考值，即：中心直线上的波长分布值。中心直线上点的发光波长越集中、差值越小，证明外延片均匀性越好。
图2中，外延片一为传统工艺制作的外延片中心直线上的波长分布图；外延片二为本发明方法制作的外延片中心直线上的波长分布图。
从图2中可以看出：用传统方法制作的外延片，波长均匀性较差，而采用本发明提出的方法，可以改善大尺寸外延片的翘曲，大幅提升外延片波长的均匀性。
Claims (5)
1.一种大尺寸发光二极管外延片，主要由设置在衬底同一侧的缓冲层、非故意掺杂GaN层、N型掺杂GaN层、多量子阱层、电子阻挡层和P型掺杂GaN层组成，其特征在于：所述缓冲层由第一缓冲层、第二缓冲层和第三缓冲层组成，第一缓冲层设置在衬底上，第二缓冲层设置在第一缓冲层和第三缓冲层之间。
2.根据权利要求1所述的大尺寸发光二极管外延片，其特征在于：所述第一缓冲层的厚度为10～200nm，材料为InN；第二缓冲层的厚度为10～100nm，材料为AlxGayN，所述AlxGayN中0≤x≤1，0≤y≤1，且x+y=1；第三缓冲层的厚度为10～300nm，材料为AlmGanN，所述AlmGanN中0≤m≤1，0≤n≤1，且m+n=1。
3.如权利要求1所述大尺寸发光二极管外延片的生长方法，包括采用有机金属化学气相沉积法，在衬底上依次外延生长缓冲层、非故意掺杂GaN层、N型掺杂GaN层、多量子阱层、电子阻挡层和P型掺杂GaN层，其特征在于：缓冲层的生长包括在衬底上依次进行第一缓冲层、第二缓冲层和第三缓冲层的生长。
4.根据权利要求3所述大尺寸发光二极管外延片的生长方法，其特征在于：向反应腔通入NH3，反应腔温度升高到150～400℃，反应腔压力设置为200～400mbar，生长第一缓冲层InN；
然后在反应腔中通入H2，将反应腔温度升高至1100～1300℃，恒温持续200～500秒后，再将反应腔温度降低至500～600℃，反应腔压力设置为500～600mbar生长第二缓冲层AlxGayN，所述AlxGayN中0≤x≤1，0≤y≤1，且x+y=1；
再将反应腔温度升高至900～1200℃，反应腔压力设置为600～800mbar生长第三缓冲层AlmGanN，所述AlmGanN中0≤m≤1，0≤n≤1，且m+n=1。
5.根据权利要求3或4所述大尺寸发光二极管外延片的生长方法，其特征在于：生长的所述第一缓冲层厚度为10～200nm，生长的所述第二缓冲层的厚度为10～100nm，生长的所述第三缓冲层的厚度为10～300nm。
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Application publication date: 20171208 |
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |