CN109103308A - 一种led晶圆及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种LED晶圆，包括蓝宝石衬底、设于蓝宝石衬底表面的缓冲层、设于缓冲层上的非掺杂GaN层、设于非掺杂GaN层上的N型GaN层、设于N型GaN层上的有源层、设于有源层上的电子阻挡层、设于电子阻挡层上的P型GaN层、以及设于蓝宝石衬底背面的导热层，所述导热层由AlN或SiC或Si或DLC或GaN或InN或石墨烯制成，所述导热层的耐受温度为2000℃。相应地，本发明还提供了一种LED晶圆的制作方法。本发明在蓝宝石衬底的背面形成导热层，使蓝宝石衬底受热均匀，提高外延的质量。
Description
技术领域
本发明涉及发光二极管技术领域，尤其涉及一种LED晶圆及其制作方法。
背景技术
LED(Light Emitting Diode，发光二极管)是一种利用载流子复合时释放能量形成发光的半导体器件，倒装LED芯片具有耗电低、色度纯、寿命长、体积小、响应时间快、节能环保等诸多优势。
近年来，LED的发展关键在于衬底材料和晶圆生长技术，目前，应用最广泛的衬底是蓝宝石衬底，商业用最受欢迎的磊晶法是利用MOCVD方法成长GaN磊晶，其原理是采用Ⅲ族元素的甲基或乙基化合物，利用承载气体携带包含上述化合物原料进入装有晶圆的腔体中，晶圆下方的SiC石墨盘以某种方式加热后以热传导方式使晶圆及接近晶圆的气体温度升高，上述反应物在腔体内部进行气体化学反应及表面反应，以高温气体解离反应生成三族Ga及五族N原子，进而在蓝宝石基板上生成固态GaN。但由于蓝宝石主要成分是Al2O3，存在绝缘、导热率差等缺点，所以在SiC石墨盘以某种方式加热后以热传导方式使其及其附近的气体温度升高时，蓝宝石受热不均匀，影响In分布不均匀，导致生长的外延片片内均匀性较差，如波长、STD、亮度等。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种LED晶圆，外延质量好，亮度均匀性高。
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种LED晶圆的制作方法，在蓝宝石衬底的背面形成导热层，使蓝宝石衬底受热均匀，提高外延的质量。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种LED晶圆，包括蓝宝石衬底、设于蓝宝石衬底表面的缓冲层、设于缓冲层上的非掺杂GaN层、设于非掺杂GaN层上的N型GaN层、设于N型GaN层上的有源层、设于有源层上的电子阻挡层、设于电子阻挡层上的P型GaN层、以及设于蓝宝石衬底背面的导热层，所述导热层由AlN或SiC或Si或DLC或GaN或InN或石墨烯制成，所述导热层的耐受温度为2000℃。
作为上述方案的改进，所述N型GaN层中Si的掺杂浓度为4E+18atoms/cm3-2E+19atoms/cm3。
作为上述方案的改进，所述有源层包括InxGa(1-x)N势阱层和GaN势垒层，其中，InxGa(1-x)N势阱层中In掺杂浓度为1E+20atoms/cm3-4E+20atoms/cm3，InxGa(1-x)N势阱层的厚度为2-3nm，GaN势垒层的厚度为8-12nm。
作为上述方案的改进，InxGa(1-x)N势阱层中x＝0.06-0.2。
作为上述方案的改进，所述电子阻挡层为P型AlyGa(1-y)N电子阻挡层，其中，y＝0.1-0.5，电子阻挡层中Al掺杂浓度为1E+20atoms/cm3-4E+20atoms/cm3，Mg掺杂浓度为4E+18atoms/cm3-1E+19atoms/cm3。
作为上述方案的改进，所述P型GaN层中Mg的掺杂浓度为1E+19atoms/cm3-1E+20atoms/cm3。
相应地，本发明还提供了一种LED晶圆的制作方法，包括：
在蓝宝石衬底背面形成导热层，所述导热层由AlN或SiC或Si或DLC或GaN或InN或石墨烯制成，所述导热层的耐受温度为2000℃；
在蓝宝石衬底的表面形成缓冲层；
在缓冲层上形成非掺杂GaN层；
在非掺杂GaN层上形成N型GaN层；
在N型GaN层上形成有源层；
在有源层上形成电子阻挡层；
在电子阻挡层上形成P型GaN层，得到LED晶圆；
对LED晶圆进行冷却降温。
作为上述方案的改进，采用直流磁控反应溅射法或者高温沉积法或者蒸镀方法在蓝宝石衬底背面形成导热层，导热层的厚度为1-10000nm。
作为上述方案的改进，所述缓冲层的厚度为10-100nm，缓冲层的形成方法包括：
采用MOCVD方法在500-600℃温度条件下，在蓝宝石衬底表面生长一层低温GaN缓冲层；或者，
通入Ar、N2和O2，温度升至400℃-800℃，用200V-300V的偏压冲击铝靶在蓝宝石衬底表面上溅射AlN薄膜。
作为上述方案的改进，采用MOCVD方法，将温度升高至1050-1100℃，反应腔压力为100-200Torr，在缓冲层表面形成非掺杂GaN层，所述非掺杂层GaN层的厚度为1-4μm；
将温度保持在1050℃-1100℃，压力为100-300Torr，在非掺杂GaN层上形成N型GaN层，所述N型GaN层的厚度为1-4μm，其中，Si掺杂浓度为4E+18atoms/cm3-2E+19atoms/cm3；
将温度降至650-750℃，压力为200-350Torr，在氮气环境下，在N型GaN层上生长厚度为2-3nm的InxGa(1-x)N势阱层，其中，x＝0.6-0.2，In掺杂浓度为1E+20atoms/cm3-4E+20atoms/cm3；将温度升至800-900℃，压力不变，在InxGa(1-x)N势阱层上生长厚度为8-12nm的GaN势垒层，交替生长势阱层和势垒层，生长周期为8-12，得到InxGa(1-x)N/GaN多量子阱有源层；
将温度升至800-900℃，压力为100-300Torr，在有源层上生长厚度为15-150nm的P型AlyGa(1-y)N电子阻挡层，其中，y＝0.1-0.5，Al掺杂浓度为1E+20atoms/cm3-4E+20atoms/cm3，Mg掺杂浓度为4E+18atoms/cm3-1E+19atoms/cm3；
将温度调至750℃-950℃，压力为400-600Torr，在电子阻挡层上生长厚度为25-200nm的P型GaN层，其中，Mg掺杂浓度为1E+19atoms/cm3-1E+20atoms/cm3。
作为上述方案的改进，N型GaN层中Si的掺杂浓度为8E+18atoms/cm3-1E+19atoms/cm3。
实施本发明，具有如下有益效果：
本发明通过在蓝宝石衬底的背面形成一层导热层，使蓝宝石衬底受热均匀，改善外延内波长、厚度和亮度的均匀性，提高外延的质量。由于AlN的导热系数约150W/m·K，SiC的导热系数约490W/m·K，蓝宝石衬底的主要成分为Al2O3，蓝宝石衬底的导热系数仅为45W/m·K。因此，本发明在蓝宝石衬底的背面设置一层导热层，使得蓝宝石衬底在MOCVD反应腔内受热均匀，In分布均匀，进而提高外延层的质量，LED晶圆的STD好，波长、厚度、亮度均匀，与传统的LED晶圆相比，设置导热层可让外延生长更加均匀。
附图说明
图1是本发明LED晶圆的结构示意图；
图2是本发明LED晶圆的制作流程图。
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作进一步地详细描述。
参见图1，本发明提供的一种LED晶圆，包括蓝宝石衬底10、设于蓝宝石衬底10表面的缓冲层20、设于缓冲层20上的非掺杂GaN层30、设于非掺杂GaN层30上的N型GaN层40、设于N型GaN层40上的有源层50、设于有源层50上的电子阻挡层60、设于电子阻挡层60上的P型GaN层70、以及设于蓝宝石衬底10背面的导热层80，所述导热层80由导热材料制成。
需要说明的是，所述导热层80的耐受温度为2000℃。具体的，所述导热层80由AlN或SiC或DLC制成。
AlN的导热系数约150W/m·K，SiC的导热系数490W/m·K，蓝宝石衬底的主要成分为Al2O3，蓝宝石衬底的导热系数仅为45W/m·K。因此，本发明在蓝宝石衬底的背面设置一层导热层，使得蓝宝石衬底在MOCVD反应腔内受热均匀，In分布均匀，进而提高外延层的质量，LED晶圆的STD好，波长、厚度、亮度均匀，与传统的LED晶圆相比，设置导热层可让外延生长更加均匀。
优选的，导热层80的厚度为1-1000nm。优选的，导热层80的厚度为50-1000nm。优选的，导热层80的厚度为100-1000nm。更优的，导热层80的厚度为500-800nm。由于一个原子的的厚度为3埃米，10埃米等于1纳米，本发明的导热层80为一层膜层，其厚度至少大于3个原子的厚度。
本发明的缓冲层20由GaN或AlN制成，缓冲层20的厚度为10-100nm。由于蓝宝石的晶格错位在13.6％，在蓝宝石衬底上形成缓冲层能更好地长晶种，便于后续形成有源层。当缓冲层的厚度小于20nm时，厚度太薄，导致后续的外延层长得不均匀，当缓冲层的厚度大于100nm时，缓冲层太厚，不易烘干。
为了能够生长优质的GaN，本发明在缓冲层上形成一层非掺杂GaN层，其像地基一样，为有源层的生长提供基础。优选的，非掺杂层GaN层30的厚度为1-4μm。其中，当非掺杂层GaN层的厚度小于1μm时，厚度太薄，镜面不平，不利于有源层的生长；当非掺杂层GaN层的厚度大于4μm时，厚度太厚，在后续的高温情况下，容易产生裂痕，影响有源层的生长。
本发明的N型GaN层40中Si的掺杂浓度为4E+18atoms/cm3-2E+19atoms/cm3，N型GaN层40的厚度为1-4μm。优选的，N型GaN层40中Si的掺杂浓度为8E+18atoms/cm3-1E+19atoms/cm3。当Si的掺杂浓度小于8E+18atoms/cm3时，掺杂浓度太低，导致Si掺杂不均匀，不足以提供足够的电子，影响外延层发光。
本发明的有源层50包括InxGa(1-x)N势阱层和GaN势垒层，其中，InxGa(1-x)N势阱层中In掺杂浓度为1E+20atoms/cm3-4E+20atoms/cm3，InxGa(1-x)N势阱层的厚度为2-3nm，GaN势垒层的厚度为8-12nm。
具体的，InxGa(1-x)N势阱层中x＝0.06-0.2。
本发明的电子阻挡层60为P型AlyGa(1-y)N电子阻挡层，其中，y＝0.1-0.5，电子阻挡层中Al掺杂浓度为1E+20atoms/cm3-4E+20atoms/cm3，Mg掺杂浓度为4E+18atoms/cm3-1E+19atoms/cm3。优选的，电子阻挡层60的厚度为15-150nm。
本发明电子阻挡层60的用于是为了让电子保留在有源层50中，防止电子迁移太快，增加质子电子复合能力。
P型GaN层70中Mg的掺杂浓度为1E+19atoms/cm3-1E+20atoms/cm3。优选的，P型GaN层70的厚度为25-200nm。
参见图2，图2是本发明一种LED晶圆的制作流程图，本发明提供的一种LED晶圆的制作方法，包括以下步骤：
S101、在蓝宝石衬底背面形成导热层。
本发明的导热层由导热材料制成。由于有源层的生长温度高达1500℃，为了防止导热层在后续发生融解或破坏。优选的，导热层的耐受温度为2000℃。
具体的，采用直流磁控反应溅射法或者高温沉积法或者蒸镀方法在蓝宝石衬底背面形成导热层，所述导热层由AlN或SiC或DLC制成。
其中，AlN的导热系数约150W/m·K，SiC的导热系数490W/m·K，蓝宝石衬底的主要成分为Al2O3，蓝宝石衬底的导热系数仅为45W/m·K。因此，本发明在蓝宝石衬底的背面设置一层导热层，使得蓝宝石衬底在MOCVD反应腔内受热均匀，In分布均匀，进而提高外延层的质量，LED晶圆的STD好，波长、厚度、亮度均匀，与传统的LED晶圆相比，设置导热层可让外延生长更加均匀。
为了进一步保证蓝宝石衬底受热均匀，导热层80的厚度为1-1000nm。优选的，导热层80的厚度为50-1000nm。优选的，导热层80的厚度为100-1000nm。更优的，导热层80的厚度为500-800nm。由于一个原子的的厚度为3埃米，10埃米等于1纳米，本发明的导热层80为一层膜层，其厚度至少大于3个原子的厚度，才能使蓝宝石衬底受热均匀。
S102、在蓝宝石衬底的表面形成缓冲层。
本发明缓冲层的厚度为10-100nm，缓冲层的形成方法包括：
采用MOCVD方法在500-600℃温度条件下，在蓝宝石衬底表面生长一层低温GaN缓冲层；或者，
通入Ar、N2和O2，温度升至400℃-800℃，用200V-300V的偏压冲击铝靶在蓝宝石衬底表面上溅射AlN薄膜。
由于蓝宝石的晶格错位在13.6％，在蓝宝石衬底上形成缓冲层能更好地长晶种，便于后续形成有源层。当缓冲层的厚度小于20nm时，厚度太薄，导致后续的外延层长得不均匀，当缓冲层的厚度大于100nm时，缓冲层太厚，不易烘干。
S103、在缓冲层上形成非掺杂GaN层。
采用MOCVD方法，将温度升高至1050-1100℃，反应腔压力为100-200Torr，在缓冲层表面形成非掺杂GaN层，所述非掺杂层GaN层的厚度为1-4μm。
为了能够生长优质的GaN，本发明在缓冲层上形成一层非掺杂GaN层，其像地基一样，为有源层的生长提供基础。其中，当非掺杂层GaN层的厚度小于1μm时，厚度太薄，镜面不平，不利于有源层的生长；当非掺杂层GaN层的厚度大于4μm时，厚度太厚，在后续的高温情况下，容易产生裂痕，影响有源层的生长。
S104、在非掺杂GaN层上形成N型GaN层。
将温度保持在1050℃-1100℃，压力为100-300Torr，在非掺杂GaN层上形成N型GaN层，所述N型GaN层的厚度为1-4μm，其中，Si掺杂浓度为4E+18atoms/cm3-2E+19atoms/cm3。
优选的，N型GaN层中Si的掺杂浓度为8E+18atoms/cm3-1E+19atoms/cm3。当Si的掺杂浓度小于8E+18atoms/cm3时，掺杂浓度太低，导致Si掺杂不均匀，不足以提供足够的电子，影响外延层发光。
S105、在N型GaN层上形成有源层。
将温度降至650-750℃，压力为200-350Torr，在氮气环境下，在N型GaN层上生长厚度为2-3nm的InxGa(1-x)N势阱层，其中，x＝0.6-0.2，In掺杂浓度为1E+20atoms/cm3-4E+20atoms/cm3；将温度升至800-900℃，压力不变，在InxGa(1-x)N势阱层上生长厚度为8-12nm的GaN势垒层，交替生长势阱层和势垒层，生长周期为8-12，得到InxGa(1-x)N/GaN多量子阱有源层。
S106、在有源层上形成电子阻挡层。
将温度升至800-900℃，压力为100-300Torr，在有源层上生长厚度为15-150nm的P型AlyGa(1-y)N电子阻挡层，其中，y＝0.1-0.5，Al掺杂浓度为1E+20atoms/cm3-4E+20atoms/cm3，Mg掺杂浓度为4E+18atoms/cm3-1E+19atoms/cm3。
本发明电子阻挡层的用于是为了让电子保留在有源层50中，防止电子迁移太快，增加质子电子复合能力。当Mg的掺杂浓度小于4E+18atoms/cm3时，有源层中的电子容易发生迁移，当Mg的浓度大于1E+19atoms/cm3时，影响有源层出光。
S107、在电子阻挡层上形成P型GaN层，得到LED晶圆。
将温度调至750℃-950℃，压力为400-600Torr，在电子阻挡层上生长厚度为25-200nm的P型GaN层，其中，Mg掺杂浓度为1E+19atoms/cm3-1E+20atoms/cm3。
S108、对LED晶圆进行冷却降温。
需要说明的是退火完成后，将LED晶圆冷却至室温。
以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。
Claims (10)
1.一种LED晶圆，其特征在于，包括蓝宝石衬底、设于蓝宝石衬底表面的缓冲层、设于缓冲层上的非掺杂GaN层、设于非掺杂GaN层上的N型GaN层、设于N型GaN层上的有源层、设于有源层上的电子阻挡层、设于电子阻挡层上的P型GaN层、以及设于蓝宝石衬底背面的导热层，所述导热层由AlN或SiC或Si或DLC或GaN或InN或石墨烯制成，所述导热层的耐受温度为2000℃。
2.如权利要求1所述的LED晶圆，其特征在于，所述N型GaN层中Si的掺杂浓度为4E+18atoms/cm3-2E+19atoms/cm3。
3.如权利要求1所述的LED晶圆，其特征在于，所述有源层包括InxGa(1-x)N势阱层和GaN势垒层，其中，InxGa(1-x)N势阱层中In掺杂浓度为1E+20atoms/cm3-4E+20atoms/cm3，InxGa(1-x)N势阱层的厚度为2-3nm，GaN势垒层的厚度为8-12nm。
4.如权利要求1所述的LED晶圆，其特征在于，所述电子阻挡层为P型AlyGa(1-y)N电子阻挡层，其中，y＝0.1-0.5，电子阻挡层中Al掺杂浓度为1E+20atoms/cm3-4E+20atoms/cm3，Mg掺杂浓度为4E+18atoms/cm3-1E+19atoms/cm3。
5.如权利要求1所述的LED晶圆，其特征在于，所述P型GaN层中Mg的掺杂浓度为1E+19atoms/cm3-1E+20atoms/cm3。
6.一种LED晶圆的制作方法，其特征在于，包括：
在蓝宝石衬底背面形成导热层，所述导热层由AlN或SiC或Si或DLC或GaN或InN或石墨烯制成，所述导热层的耐受温度为2000℃；
在蓝宝石衬底的表面形成缓冲层；
在缓冲层上形成非掺杂GaN层；
在非掺杂GaN层上形成N型GaN层；
在N型GaN层上形成有源层；
在有源层上形成电子阻挡层；
在电子阻挡层上形成P型GaN层，得到LED晶圆；
对LED晶圆进行冷却降温。
7.如权利要求6所述的LED晶圆的制作方法，其特征在于，采用直流磁控反应溅射法或者高温沉积法或者蒸镀方法在蓝宝石衬底背面形成导热层，导热层的厚度为1-10000nm。
8.如权利要求7所述的LED晶圆的制作方法，其特征在于，所述缓冲层的厚度为10-100nm，缓冲层的形成方法包括：
采用MOCVD方法在500-600℃温度条件下，在蓝宝石衬底表面生长一层低温GaN缓冲层；或者，
通入Ar、N2和O2，温度升至400℃-800℃，用200V-300V的偏压冲击铝靶在蓝宝石衬底表面上溅射AlN薄膜。
9.如权利要求8所述的LED晶圆的制作方法，其特征在于，采用MOCVD方法，将温度升高至1050-1100℃，反应腔压力为100-200Torr，在缓冲层表面形成非掺杂GaN层，所述非掺杂层GaN层的厚度为1-4μm；
将温度保持在1050℃-1100℃，压力为100-300Torr，在非掺杂GaN层上形成N型GaN层，所述N型GaN层的厚度为1-4μm，其中，Si掺杂浓度为4E+18atoms/cm3-2E+19atoms/cm3；
将温度降至650-750℃，压力为200-350Torr，在氮气环境下，在N型GaN层上生长厚度为2-3nm的InxGa(1-x)N势阱层，其中，x＝0.6-0.2，In掺杂浓度为1E+20atoms/cm3-4E+20atoms/cm3；将温度升至800-900℃，压力不变，在InxGa(1-x)N势阱层上生长厚度为8-12nm的GaN势垒层，交替生长势阱层和势垒层，生长周期为8-12，得到InxGa(1-x)N/GaN多量子阱有源层；
将温度升至800-900℃，压力为100-300Torr，在有源层上生长厚度为15-150nm的P型AlyGa(1-y)N电子阻挡层，其中，y＝0.1-0.5，Al掺杂浓度为1E+20atoms/cm3-4E+20atoms/cm3，Mg掺杂浓度为4E+18atoms/cm3-1E+19atoms/cm3；
将温度调至750℃-950℃，压力为400-600Torr，在电子阻挡层上生长厚度为25-200nm的P型GaN层，其中，Mg掺杂浓度为1E+19atoms/cm3-1E+20atoms/cm3。
10.如权利要求9所述的LED晶圆的制作方法，其特征在于，N型GaN层中Si的掺杂浓度为8E+18atoms/cm3-1E+19atoms/cm3。
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