CN107799632A - 一种提高led外延层结晶质量的方法 - Google Patents

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Abstract

一种提高LED外延层结晶质量的方法，所述方法包括：在衬底上依次外延生长缓冲层、未掺杂GaN层、N型GaN层、应力释放层、多量子阱层、P型电子阻挡层、P型GaN层，所述未掺杂GaN层为多层没有掺杂的U‑GaN层，生长相邻U‑GaN层时生长速率依次增加，生长温度逐渐升高。通过将未掺杂GaN层以速率渐增的方式生长，同时温度逐渐增高，一方面可以与前面的缓冲层相匹配，减少高温对缓冲层造成的破坏，同时为后面高温条件下生长的N型GaN层过渡，得到的底层结晶质量更好。

Description

一种提高LED外延层结晶质量的方法
技术领域
本发明涉及LED技术领域，尤其涉及一种提高LED外延层结晶质量的方法。
背景技术
发光二极管(英文：Light Emitting Diode，简称：LED)是信息光电子新兴产业中极具影响力的新产品，具有体积小、颜色丰富多彩、能耗低、使用寿命长等优点，广泛应用于照明、显示屏、信号灯、背光源、玩具等领域。其中，以 GaN为代表的发光二极管，成本低，外延和芯片工艺相对成熟，仍然引领着前沿和热点技术。
GaN基LED外延片通常生长在蓝宝石衬底上，通过在衬底上依次外延生长缓冲层、未掺杂GaN层、N型GaN层、应力释放层、多量子阱层、P型电子阻挡层、P型GaN层得到外延层，未掺杂GaN层介于缓冲层和N型GaN层之间，现有技术中未掺杂GaN层普遍采用同一条件生长，得到的外延层应力大、缺陷多。
发明内容
本发明目的就是为解决上述技术问题，提供一种提高LED外延层结晶质量的方法，旨在解决现有技术所得到的外延层应力大、缺陷多等不足。
本发明所要解决的技术问题采用以下的技术方案来实现：
一种提高LED外延层结晶质量的方法，所述方法包括：在衬底上依次外延生长缓冲层、未掺杂GaN层、N型GaN层、应力释放层、多量子阱层、P型电子阻挡层、P型GaN层，所述未掺杂GaN层为多层没有掺杂的U-GaN层，生长相邻U-GaN层时生长速率依次增加，生长温度逐渐升高。
可选的，所述未掺杂GaN层为2-5层没有掺杂的U-GaN层。
可选的，与缓冲层接触的U-GaN层为第一U-GaN层。
可选的，所述第一U-GaN层生长条件为，氨气流量60-80slm，三甲基镓流量240-320sccm，反应温度900-1100℃。
可选的，生长相邻U-GaN层时生长速率以0.2-0.6um/h速度增加，温度以 20-30℃梯度递增。
可选的，生长相邻U-GaN层时氨气流量不变，三甲基镓流量按照30-50sccm 增加，温度以20-30℃梯度递增。
可选的，生长相邻U-GaN层时三甲基镓流量不变，氨气流量按照10-20slm 增加，温度以20-30℃梯度递增。
可选的，相邻U-GaN层之间至少其中之一插入AlGaN层。
本发明的优点是：通过将未掺杂GaN层以速率渐增的方式生长，同时温度逐渐增高，一方面可以与前面的缓冲层相匹配，减少高温对缓冲层造成的破坏，同时为后面高温条件下生长的N型GaN层过渡，得到的底层结晶质量更好；速率渐增式生长更符合图形化衬底的工艺需求，能够以渐变的方式将图形逐步填平，减少外延层形成过程中产生的缺陷，直接使用同一生长速率生长，生长过程中极易产生大量的缺陷和位错，降低结晶质量。
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，下面将对本发明实施方式作进一步地详细描述。
本发明实施例提供了一种提高LED外延层结晶质量的方法，采用金属有机化合物化学气相沉淀(英文：Metal organic Chemical Vapor Deposition，简称： MOCVD)技术生长外延片，采用三甲基镓或者三乙基镓作为镓源，高纯氨气(NH3) 作为氮源，三甲基铟作为铟源，三甲基铝作为铝源，采用硅烷作为N型掺杂剂，采用二茂镁作为P型掺杂剂。该生长方法包括：
步骤(1)：在衬底上外延生长缓冲层。
在本实施例中，衬底可以为蓝宝石衬底。
可选地，衬底可以为尺寸大于2英寸的大尺寸衬底，如4英寸衬底。
具体地，缓冲层为不同生长温度梯度下的GaN叠层，且生长温度依次升高，相邻温度相差20-50℃，GaN叠层可以包括2-10个GaN缓冲层。
优选的，GaN叠层包括两个GaN缓冲层，分别为第一GaN缓冲层、第二GaN 缓冲层，第一GaN缓冲层与第二GaN缓冲层生长气氛相同，均为由N2、H2和NH3 构成的氛围，均采用三甲基镓作为镓源，第一GaN缓冲层三甲基镓流量为 40-100sccm，第二GaN缓冲层三甲基镓流量为100-200sccm，第一GaN缓冲层生长温度为500-600℃，第二GaN缓冲层生长温度为600-650℃。
现有技术中缓冲层主要采用单层的低温GaN层，厚度在20-50nm,生长完缓冲层后会进行退火的步骤，退火温度一般在900-1100℃，由于缓冲层厚度较薄，直接在高温下进行退火容易将生长在衬底上的缓冲层烤去，致使缓冲层表面不平、形貌差，进而导致生长在缓冲层上的未掺杂GaN层、N型GaN层等层等层以及最后得到的外延片表面凹凸不平，采用不同生长温度梯度下的GaN叠层作为缓冲层，可以有效的避免高温退火时产生的表面不平整，在异质外延结构中更好的起到减少衬底与GaN材料之间的晶格失配以及由此产生的应力，得到的外延片表面平整、均匀性好，缺陷少，同时光电参数均匀性也好于单层缓冲层。
优选的，GaN叠层中至少其中之一掺杂铝，在GaN叠层中掺杂铝可以进一步减少衬底与GaN材料之间的晶格失配以及由此产生的应力，同时可降低大尺寸外延片生长过程中产生的翘曲，提高外延片边缘均匀性。
步骤(2)：在缓冲层上外延生长未掺杂GaN层。
具体地，未掺杂GaN层为多层没有掺杂的U-GaN层，可以为2-5层没有掺杂的U-GaN层，生长相邻U-GaN层时生长速率依次增加，生长温度逐渐升高。
其中与缓冲层接触的U-GaN层为第一U-GaN层，生长在第一U-GaN层上的 U-GaN层为第二U-GaN层，生长在第二U-GaN层上的U-GaN层为第三U-GaN层，生长在第三U-GaN层上的U-GaN层为第四U-GaN层，生长在第四U-GaN层上的 U-GaN层为第五U-GaN层，生长第一U-GaN层、第二U-GaN层、第三U-GaN层、第四U-GaN层、第五U-GaN层、三甲基镓流量逐渐增大，生长速率依次增加，生长温度逐渐升高。
第一U-GaN层生长条件为，氨气流量60-80slm，三甲基镓流量240-320sccm，反应温度900-1100℃。
优选的，生长相邻U-GaN层时生长速率以0.2-0.6um/h速度增加，温度以 20-30℃梯度递增。
优选的，生长相邻U-GaN层时氨气流量不变，三甲基镓流量按照30-50sccm 增加，温度以20-30℃梯度递增，保持与生长速率以0.2-0.6um/h速度增加相匹配。
优选的，生长相邻U-GaN层时三甲基镓流量不变，氨气流量按照10-20slm 增加，温度以20-30℃梯度递增，保持与生长速率以0.2-0.6um/h速度增加相匹配。
通过将未掺杂GaN层以速率渐增的方式生长，同时温度逐渐增高，一方面可以与前面的缓冲层相匹配，减少高温对缓冲层造成的破坏，同时为后面高温条件下生长的N型GaN层过渡，得到的底层结晶质量更好；目前所使用的衬底大多是图形化衬底，与平片相比，图形化衬底在生长过程中需要通过未掺杂GaN层将凸起的图形填平，速率渐增式生长更符合图形化衬底的工艺需求，能够以渐变的方式将图形逐步填平，减少外延层形成过程中产生的缺陷，直接使用同一生长速率生长，生长过程中极易产生大量的缺陷和位错，降低结晶质量。
优选的，生长相邻U-GaN层之间至少其中之一插入AlGaN层，由于未掺杂 GaN层占整个外延层厚度较厚(约为3/5-4/5)，生长温度较高，生长过程中容易产生较大的翘曲，特别是大尺寸外延片生长过程中，插入AlGaN层可以改善底层翘度，提高外延片均匀性。
步骤(3)：在未掺杂GaN层上外延生长N型GaN层。
具体地，N型GaN层可以为单层掺杂Si的GaN层，也可以为多层掺杂Si的 GaN层，各层GaN层中Si的掺杂浓度不同。
步骤(4)：在N型GaN层上外延生长应力释放层。
在本实施例中，应力释放层包括依次生长的第一GaN垒层、由交替层叠的 InGaN层和GaN层组成的超晶格阱层、第二GaN垒层，第一GaN垒层生长采用的载气为纯净的N2或者H2和N2的混合气体，超晶格阱层生长采用的载气为纯净的N2，第二GaN垒层生长采用的载气为H2和N2的混合气体。
需要说明的是，无论采用何种载气，载体的总体积是保持不变的。
可选地，第一GaN垒层生长采用的H2和N2的混合气体中，H2和N2的流量比可以为1:4～1:10。
可选地，第二GaN垒层生长采用的H2和N2的混合气体中，H2和N2的流量比可以为1:4～1:7。
可选地，第二GaN垒层的厚度可以大于第一GaN垒层的厚度。
可选地，第二GaN垒层的厚度可以为800～1600nm。
可选地，第一GaN垒层、超晶格阱层、第二GaN垒层中可以均掺有Si。
优选地，超晶格阱层中Si的掺杂浓度可以为第一GaN垒层中Si的掺杂浓度的1/10。
优选地，第二GaN垒层中Si的掺杂浓度可以大于超晶格阱层中Si的掺杂浓度。
优选地，第二GaN垒层中Si的掺杂浓度与第一GaN垒层中Si的掺杂浓度可以不同。
可选地，应力释放层的生长温度可以为900～1050℃。
步骤(5)：在应力释放层上外延生长多量子阱层。
在本实施例中，多量子阱层可以由InGaN量子阱层和GaN量子垒层组成。
步骤(6)：在多量子阱层上外延生长P型电子阻挡层。
具体地，P型电子阻挡层可以为P型掺杂的AlGaN层，也可以由P型掺杂的 AlGaN层和P型掺杂的GaN层交替层叠而成。
步骤(7)：在P型电子阻挡层上生长P型GaN层。
具体地，P型GaN层可以为单层掺杂Mg的GaN层，也可以为多层掺杂Mg的 GaN层，各层GaN层中Mg的掺杂浓度不同。
本发明实施例通过在纯净的N2气氛下生长应力释放层中的超晶格阱层，有利于阱中In更好地渗入，为后面的应力释放打好基础；同时在纯净的N2或者 H2和N2的混合气体气氛下生长第一GaN垒层，在H2和N2的混合气体气氛下生长第二GaN垒层，一方面，适量引入的H2能与一些杂质元素反应并将其携带扩散出来，使得GaN垒层在生长的过程中可以适时地缓解应力；另一方面，H2会引起台阶效应，GaN在生长的过程中受到H2择优取向的影响，增加缺陷的填补效应，提高晶体质量，制成的芯片在4000v测试条件下测得抗静电能力提升30％左右。
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 (8)

1.一种提高LED外延层结晶质量的方法，所述方法包括：在衬底上依次外延生长缓冲层、未掺杂GaN层、N型GaN层、应力释放层、多量子阱层、P型电子阻挡层、P型GaN层，其特征在于，所述未掺杂GaN层为多层没有掺杂的U-GaN层，生长相邻U-GaN层时生长速率依次增加，生长温度逐渐升高。
2.根据权利要求1所述的一种提高LED外延层结晶质量的方法，其特征在于：所述未掺杂GaN层为2-5层没有掺杂的U-GaN层。
3.根据权利要求2所述的一种提高LED外延层结晶质量的方法，其特征在于：与缓冲层接触的U-GaN层为第一U-GaN层。
4.根据权利要求3所述的一种提高LED外延层结晶质量的方法，其特征在于：所述第一U-GaN层生长条件为，氨气流量60-80slm，三甲基镓流量240-320sccm，反应温度900-1100℃。
5.根据权利要求4所述的一种提高LED外延层结晶质量的方法，其特征在于：生长相邻U-GaN层时生长速率以0.2-0.6um/h速度增加，温度以20-30℃梯度递增。
6.根据权利要求5所述的一种提高LED外延层结晶质量的方法，其特征在于：生长相邻U-GaN层时氨气流量不变，三甲基镓流量按照30-50sccm增加，温度以20-30℃梯度递增。
7.根据权利要求5所述的一种提高LED外延层结晶质量的方法，其特征在于：生长相邻U-GaN层时三甲基镓流量不变，氨气流量按照10-20slm增加，温度以20-30℃梯度递增。
8.根据权利要求1至7任一所述的一种提高LED外延层结晶质量的方法，其特征在于：相邻U-GaN层之间至少其中之一插入AlGaN层。
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