CN107768493A - 一种发光效率高的led外延结构的制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种发光效率高的LED外延结构的制作方法，采用MOCVD技术，在衬底上依次生长缓冲层、未掺杂Si的U型GaN层、掺杂Si的N型GaN层、有源层、电子阻挡层和P型GaN层，在N型GaN层和有源层之间生长V型开角层，V型开角层用于引导V型缺陷的延伸方向，V型开角层的生长压力不高于300torr,厚度不大于500nm，生长温度不小于800℃；因此，利用本发明的制作方法能够制作出发光效率高的LED外延结构，使V型缺陷在V型开角层所在的方向上延伸，进一步增大开角，从而在侧壁方向上生长更快，降低了局部电流，能够有效的拦截电子，抑制电子溢出，提高LED的发光效率。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，尤其是一种发光效率高的LED外延结构的制作方法。
背景技术
采用MOCVD技术在蓝宝石衬底上生长的GaN基LED外延结构，由于存在较大的晶格失配，因此在外延生长过程中容易产生较多的缺陷；参照图1，其中一种常见的缺陷为V型缺陷，该缺陷贯穿于整个LED外延结构，产生的原因是：传统的LED外延结构在生长完N型GaN层之后就开始生长有源层，由于从生长衬底到N型GaN层的这一过程会积累大量应力，于是在生长有源层时释放应力，产生了V型缺陷，而相邻的N型GaN层结构限制了V型缺陷在该层方向上的延伸，即限制了V型缺陷的延伸角度，导致其开角θ偏小。
实际上，引入V型缺陷的层在侧壁方向a和竖直方向c上都会生长，技术人员一般希望在侧壁方向a上的生长强于在竖直方向c上的生长，这是因为在侧壁方向a上的生长更加有效，而V型缺陷的特点是：开角θ较小，因此在侧壁方向a上生长慢，造成在侧壁方向a上的厚度小，串联电阻小，电子更容易通过侧壁方向a，从而使局部电流增大，电子大量溢出，这大大降低了LED的发光效率。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种发光效率高的LED外延结构的制作方法，利用该方法制作出发光效率高的LED外延结构，该外延结构在N型GaN层和有源层之间设置了一层V型开角层，使V型缺陷在V型开角层所在的方向上延伸，能够增大开角，从而在侧壁方向上生长更快，降低了局部电流，能够有效的拦截电子，抑制电子溢出，提高LED的发光效率。
本发明解决其问题所采用的技术方案是：
一种发光效率高的LED外延结构的制作方法，采用MOCVD技术，在衬底上依次生长缓冲层、未掺杂Si的U型GaN层、掺杂Si的N型GaN层、有源层、电子阻挡层和P型GaN层，在N型GaN层和有源层之间生长V型开角层，V型开角层用于引导V型缺陷的延伸方向，V型开角层的生长压力不高于300torr,厚度不大于500nm，生长温度不小于800℃。
进一步，V型开角层的生长温度比N型GaN层的生长温度低200-300℃，V型开角层的In含量比有源层的In含量低。
优选地，V型开角层的生长压力为50-300torr，厚度为150-500nm，生长温度为800-1000℃。
进一步，V型开角层为由掺In的InxGa1-xN层和掺Ga杂质层间隔交替形成的超晶格层，其中0<X<1，超晶格层的层数为3-8。
优选地，缓冲层的生长温度为500-600℃和900-1100℃，厚度为1-2μm。
优选地，U型GaN层的生长温度为1100-1200℃，厚度为1-2μm。
优选地，N型GaN层的生长温度为1100-1200℃，厚度为1-2μm，Si的掺杂浓度为1E18-9E18cm-3。
优选地，有源层的生长温度为700-800℃，厚度为100-200nm。
优选地，电子阻挡层的生长温度为900-1000℃，厚度为30-80nm。
优选地，P型GaN层的生长温度为950-1100℃，厚度为40-90nm。
本发明的有益效果是：本发明提供的一种发光效率高的LED外延结构的制作方法，在N型GaN层和有源层之间生长V型开角层，V型开角层用于引导V型缺陷的延伸方向，解除了N型GaN层对V型缺陷延伸的限制，能够增大开角，而V型开角层的生长压力不高于300torr,厚度不大于500nm，生长温度不小于800℃，是生长V型开角层的关键技术参数；因此，利用本发明的制作方法能够制作出发光效率高的LED外延结构，使V型缺陷在V型开角层所在的方向上延伸，进一步增大开角，从而在侧壁方向上生长更快，降低了局部电流，能够有效的拦截电子，抑制电子溢出，提高LED的发光效率。
附图说明
下面结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的实施方案。
图1是传统LED外延结构的示意图；
图2是利用本发明制作出的LED外延结构的示意图；
图3是本发明的制作方法的步骤流程图；
图4是图2中LED外延结构的V型开角层(204)的结构示意图。
具体实施方式
参照图1、图2和图3，一种发光效率高的LED外延结构的制作方法，采用MOCVD技术，在衬底200上依次生长缓冲层201、未掺杂Si的U型GaN层202、掺杂Si的N型GaN层203、有源层205、电子阻挡层206和P型GaN层207，在N型GaN层203和有源层205之间生长V型开角层204，V型开角层204用于引导V型缺陷的延伸方向，V型开角层204的生长压力不高于300torr,厚度不大于500nm，生长温度不小于800℃。因此，利用本发明的制作方法能够制作出发光效率高的LED外延结构，使V型缺陷在V型开角层204所在的方向上延伸，能够增大开角θ，从而弱化了在竖直方向c上的生长，相反的在侧壁方向a上生长更快，引入V型缺陷的层在侧壁方向a上的厚度大，形成高串联电阻，降低了局部电流，电子不容易通过侧壁方向a，能够有效的拦截电子，抑制电子溢出，提高LED的发光效率。
其中，V型开角层204的生长温度比N型GaN层203的生长温度低200-300℃，在本实施例中，V型开角层204的生长压力为50-300torr，厚度为150-500nm，生长温度为800-1000℃；N型GaN层203的生长温度为1100-1200℃，厚度为1-2μm，Si的掺杂浓度为1E18-9E18cm-3。
其中，参照图2、图3和图4，V型开角层204为由掺In的InxGa1-xN层2041和掺Ga杂质层2042间隔交替形成的超晶格层，其中0<X<1，V型开角层204的In含量比有源层205的In含量低；在本实施例中，掺Ga杂质层2042采用的是GaN层，可以是U型GaN层202、N型GaN层203和P型GaN层207中的一种，InxGa1-xN层2041和掺Ga杂质层2042相互间隔交替的超晶格结构设计能够提升外延晶体的亮度，超晶格层的层数一般不小于3，若超晶格层的层数低于3层，应力释放一般不够充分，会影响V型缺陷的延伸，在本实施例中，超晶格层的层数为3-8，则应力释放得较为充分，V型缺陷的延伸较为顺利，有利于增大开角θ，同时In含量更高的层不利于V型缺陷的延伸，因此为了将V型缺陷向有源层205延伸，V型开角层204的In含量应该低于有源层205的In含量。
其中，缓冲层201的生长温度为500-600℃和900-1100℃，厚度为1-2μm；U型GaN层202的生长温度为1100-1200℃，厚度为1-2μm；有源层205的生长温度为700-800℃，厚度为100-200nm；电子阻挡层206的生长温度为900-1000℃，厚度为30-80nm；P型GaN层207的生长温度为950-1100℃，厚度为40-90nm。
具体地，本实施例采用MOCVD技术来生长LED外延结构，MOCVD，即Metal OrganicChemicalVapor Deposition，也叫金属有机化合物化学气相沉淀法，是本领域的常规技术；本实施例中的衬底200为蓝宝石、AlN、SiC和GaN中的一种，衬底200的表面结构为平面或刻有图形的延伸面；本发明的制作方法的详细步骤为：
(1)、提供一种衬底200，将衬底200置入MOCVD高温炉中，经过1000-1200℃的高温处理，去除表面的N、H和O等元素杂质；
(2)、将温度降到500-600℃，生长第一缓冲层201，厚度大约为20-45nm，执行这一过程后，再升温到900-1100℃，生长第二缓冲层201，两者三维组合为成核层，即缓冲层201，厚度为1-2μm；
(3)、将温度升到1100-1200℃，生长不掺杂Si的U型GaN层202，厚度为1-2μm；
(4)、保持温度不变，生长掺杂Si的N型GaN层203，厚度为1-2μm，Si的掺杂浓度为1E18-9E18cm-3；
(5)、将温度降到800-1000℃，生长V型开角层204，生长压力为50-300torr,厚度为10-500nm；温度不应低于800℃，若低于800℃，生成的晶体质量会变差，容易引进更多的缺陷，也不应高于1000℃，若高于1000℃，大部分的In会被高温蒸发掉，V型开角层204的底层积累的应力得不到有效释放，开角θ会变小；生长压力不应低于50torr,若生长压力太低，生长速率会变慢，从而影响产量，增加了生产成本，也不应大于300torr,若生长压力太高，则在二维方向上的生长趋势更明显，不利于应力释放；厚度不应低于10nm,厚度过薄则应力释放不够充分，也不应超过500nm，厚度过厚则引进的缺陷增多，会产生漏电；
(6)、将温度降到700-800℃，生长有源层205，厚度为100-200nm；
(7)、将温度升到900-1000℃，生长电子阻挡层206,厚度为30-80nm；
(8)、将温度升到950-1100℃,生长P型GaN层207，厚度为40-90nm。
以上内容对本发明的较佳实施例和基本原理作了详细论述，但本发明并不局限于上述实施方式，熟悉本领域的技术人员应该了解在不违背本发明精神的前提下还会有各种等同变形和替换，这些等同变形和替换都落入要求保护的本发明范围内。
Claims (10)
1.一种发光效率高的LED外延结构的制作方法，采用MOCVD技术，在衬底(200)上依次生长缓冲层(201)、未掺杂Si的U型GaN层(202)、掺杂Si的N型GaN层(203)、有源层(205)、电子阻挡层(206)和P型GaN层(207)，其特征在于：在所述N型GaN层(203)和有源层(205)之间生长V型开角层(204)，所述V型开角层(204)用于引导V型缺陷的延伸方向，所述V型开角层(204)的生长压力不高于300torr,厚度不大于500nm，生长温度不小于800℃。
2.根据权利要求1所述的一种发光效率高的LED外延结构的制作方法，其特征在于：所述V型开角层(204)的生长温度比所述N型GaN层(203)的生长温度低200-300℃，所述V型开角层(204)的In含量比所述有源层(205)的In含量低。
3.根据权利要求1所述的一种发光效率高的LED外延结构的制作方法，其特征在于：所述V型开角层(204)的生长压力为50-300torr，厚度为150-500nm，生长温度为800-1000℃。
4.根据权利要求1所述的一种发光效率高的LED外延结构的制作方法，其特征在于：所述V型开角层(204)为由掺In的InxGa1-xN层(2041)和掺Ga杂质层(2042)间隔交替形成的超晶格层，其中0<X<1，所述超晶格层的层数为3-8。
5.根据权利要求1所述的一种发光效率高的LED外延结构的制作方法，其特征在于：所述缓冲层(201)的生长温度为500-600℃或900-1100℃，厚度为1-2μm。
6.根据权利要求1所述的一种发光效率高的LED外延结构的制作方法，其特征在于：所述U型GaN层(202)的生长温度为1100-1200℃，厚度为1-2μm。
7.根据权利要求1所述的一种发光效率高的LED外延结构的制作方法，其特征在于：所述N型GaN层(203)的生长温度为1100-1200℃，厚度为1-2μm，Si的掺杂浓度为1E18-9E18cm-3。
8.根据权利要求1所述的一种发光效率高的LED外延结构的制作方法，其特征在于：所述有源层(205)的生长温度为700-800℃，厚度为100-200nm。
9.根据权利要求1所述的一种发光效率高的LED外延结构的制作方法，其特征在于：所述电子阻挡层(206)的生长温度为900-1000℃，厚度为30-80nm。
10.根据权利要求1-9任一所述的一种发光效率高的LED外延结构的制作方法，其特征在于：所述P型GaN层(207)的生长温度为950-1100℃，厚度为40-90nm。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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