CN109326691A - 一种发光二极管外延片的制造方法 - Google Patents

一种发光二极管外延片的制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种发光二极管外延片的制造方法，属于半导体技术领域。制造方法包括：提供一衬底；在衬底上依次生长缓冲层、N型层；在N型层上生长多量子阱层，多量子阱层包括多个周期交替生长的InGaN量子阱层GaN量子垒层，控制反应室压力为500～760torr，向反应室通入三乙基镓和三甲基铟生长InGaN量子阱层；在多量子阱层上生长P型层。本发明通过提高InGaN量子阱层的生长压力，可以减小通入的三乙基镓的流量，从而可以减少生长出的InGaN量子阱层中的C含量，改善了InGaN量子阱层的晶体质量。同时InGaN量子阱层的生长压力的提高，有利于三甲基铟中In的并入，更多的In可以有效进入多量子阱层中，提高了发光二极管的内量子效率。

Description

一种发光二极管外延片的制造方法
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制造方法。
背景技术
LED(Light Emitting Diode，发光二极管)是一种能发光的半导体电子元件。作为一种高效、环保、绿色新型固态照明光源，正在被迅速广泛地得到应用，如交通信号灯、汽车内外灯、城市景观照明、手机背光源等。
外延片是LED中的主要构成部分，现有的GaN基LED外延片包括衬底和依次层叠在衬底上的缓冲层、N型层、多量子阱层和P型层。其中，多量子阱层包括多个周期交替生长的InGaN量子阱层和GaN量子垒层，通常在压力为100～200torr的环境下，生长厚度为2～4nm的InGaN量子阱层。
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：
现有的InGaN量子阱层生长压力较低，而生长压力越低InGaN量子阱层的生长速率较慢，因此为了保证InGaN量子阱层的生长时间不会过长，需要通入大流量的三乙基镓，以保证InGaN量子阱层能够在合理的时间内生长出所需的厚度。而三乙基镓的流量越大，生长出的InGaN量子阱层中的C含量就会越高，从而导致InGaN量子阱层的晶体质量较差，影响发光二极管的发光效率。
发明内容
本发明实施例提供了一种发光二极管外延片的制造方法，可以减少InGaN量子阱层中的C含量，改善InGaN量子阱层的晶体质量。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制造方法，所述制造方法包括：
提供一衬底；
在所述衬底上依次生长缓冲层、N型层；
在所述N型层上生长多量子阱层，所述多量子阱层包括多个周期交替生长的InGaN量子阱层GaN量子垒层，在压力为500～760torr的环境下，向反应室通入三乙基镓和三甲基铟生长所述InGaN量子阱层；
在所述多量子阱层上生长P型层。
进一步地，所述InGaN量子阱层的生长温度为800℃～850℃。
进一步地，所述InGaN量子阱层的厚度为2～4nm。
进一步地，所述多量子阱层的周期数为8～18。
进一步地，在压力为550torr的环境下，通入130sccm的三乙基镓，生长所述InGaN量子阱层。
进一步地，所述制造方法还包括，在生长所述InGaN量子阱层时，通入2100sccm的三甲基铟。
进一步地，生长所述InGaN量子阱层时，生长时间为210s。
进一步地，在压力为600torr的环境下，通入110sccm的三乙基镓，生长所述InGaN量子阱层。
进一步地，所述制造方法还包括，在生长所述InGaN量子阱层时，通入2100sccm的三甲基铟。
进一步地，生长所述InGaN量子阱层时，生长时间为210s。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
通过在压力为500～760torr的环境下生长InGaN量子阱层，与现有的在压力为100～200torr的环境下生长InGaN量子阱层相比，提高了InGaN量子阱层的生长压力，从而提高了InGaN量子阱层的生长速率。在相同时间内，生长相同厚度的InGaN量子阱层，生长速率越高，通入的三乙基镓的流量就可以越小，因此，本发明通过提高InGaN量子阱层的生长压力，可以减小通入的三乙基镓的流量，从而可以减少生长出的InGaN量子阱层中的C含量，改善了InGaN量子阱层的晶体质量。同时InGaN量子阱层的生长压力的提高，有利于三甲基铟中In的并入，使得更多的In可以有效进入多量子阱层中(即In的饱和值增大)，有效提高了多量子阱层中的In/Ga比，在相同周期厚度的多量子阱中，多量子阱层中的In/Ga比越高，空穴与电子的复合概率变大，从而提高了发光二极管的内量子效率。
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制造方法的方法流程图。
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实施方式作进一步地详细描述。
实施例一
本发明实施例提供了一种发光二极管外延片的制造方法，用于制造实施例一提供的发光二极管外延片，图1是本发明实施例提供的一种发光二极管外延片的制造方法的方法流程图，如图1所示，该制造方法包括：
步骤101、提供一衬底。
在本实施例中，衬底为蓝宝石。
步骤101还包括：
控制反应室温度为1040～1180℃，压力为200～500Torr，在纯氢气氛围对蓝宝石衬底进行退火处理5～6min，然后将蓝宝石衬底进行氮化处理。
在本实施例中，可以采用Veeco K465i or C4 MOCVD(Metal Organic ChemicalVapor Deposition，金属有机化合物化学气相沉淀)设备实现LED的生长方法。采用高纯H2(氢气)或高纯N2(氮气)或高纯H2和高纯N2的混合气体作为载气，高纯NH3作为N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，硅烷(SiH4)作为N型掺杂剂，三甲基铝(TMAl)作为铝源，二茂镁(CP2Mg)作为P型掺杂剂。
步骤102、在衬底上生长缓冲层。
在本实施例中，缓冲层包括低温GaN缓冲层和高温GaN缓冲层。
具体地，步骤102可以包括：
将反应室温度控制在530～580℃，压力控制在100～200Torr，生长厚度为15nm～30nm的低温GaN缓冲层。
将反应室温度控制在1000～1080℃，压力控制在200Torr，生长厚度为0.8μm～3μm的高温GaN缓冲层。
步骤103、在缓冲层上生长N型层。
在本实施例中，N型层可以包括N型GaN层和N型电流扩展层，N型层的厚度为30nm～80nm。其中，N型GaN层中掺有Si，Si的掺杂浓度为5×1019cm-3。N型电流扩展层为掺Si的GaN层，Si的掺杂浓度为5×1017cm-3。
具体地，步骤103可以包括：
将反应室温度控制在1000℃～1200°℃，压力控制在200torr，生长厚度为2～3μm的N型GaN层。
将反应室温度控制在1000℃～1200°℃，压力控制在200torr，生长厚度为200～300nm的N型电流扩展层。
进一步地，在执行完步骤103后，该制造方法还可以包括：
步骤104、在N型层上生长应力释放层。
其中，应力释放层包括多个周期交替生长的InGaN层和GaN层，应力释放层的周期数可以为2～20。
在本实施例中，应力释放层的周期数为5。
具体地，步骤104可以包括：
将反应室温度控制在800～900℃，压力控制在200Torr，生长厚度为2nm的InGaN层。
将反应室温度控制在800～900℃，压力控制在200Torr，生长厚度为48nm的InGaN层。
步骤105、在应力释放层上生长多量子阱层。
多量子阱层包括多个周期交替生长的InGaN量子阱层和GaN量子垒层，多量子阱层的周期数为8～18。
在本实施例中，多量子阱层的周期数为16。
具体地，步骤105可以包括：
将反应室温度控制在800～850℃，压力控制在550Torr，向反应室通入130sccm的三乙基镓和2100sccm的三甲基铟，生长厚度为3nm的InGaN量子阱层。反应时间为210s。
将反应室温度控制在850-900℃，压力控制在200Torr，生长厚度为10.5nm的GaN量子垒层。
在本实施例中P型层可以包括电子阻挡层、高温P型层和P型接触层。因此，在执行完步骤105之后，该制造方法还可以包括：
步骤106、在多量子阱层上生长电子阻挡层。
在本实施例中，电子阻挡层为掺Mg的AlxGa1-xN层，0﹤x﹤1，电子阻挡层中Mg的掺杂浓度为5×1017cm-3。
具体地，步骤106可以包括：
将反应室温度控制在930～970℃，压力控制在100Torr，生长厚度为100nm的电子阻挡层。
步骤107、在电子阻挡层上生长高温P型层。
在本实施例中，高温P型层为掺Mg的GaN层，高温P型层中Mg的掺杂浓度不低于为5×1019cm-3。
具体地，步骤107可以包括：
将反应室温度控制在900～1000℃，压力控制在200Torr，生长厚度为60～100nm的高温P型层。
步骤108、在高温P型层上生长P型接触层。
在本实施例中，P型接触层为重掺Mg的GaN层，P型接触层中Mg的掺杂浓度不低于为5×1019cm-3。P型接触层可以降低P电极的工作电压，以防止P电极的工作电压过大，而产生过多的热量造成能量的浪费。
具体地，步骤108可以包括：
将反应室温度控制在900～970℃，压力控制在200Torr，生长厚度为2～4nm的P型接触层。
在上述步骤完成之后，将反应室的温度调至600℃～900℃，在纯氮气气氛进行退火处理10～20min，而后逐渐降至室温，结束发光二极管的外延生长。
在结束外延片的生长之后，继续对外延片进行清洗、沉积、光刻等半导体加工工艺制成单颗芯片尺寸为10×25mil的LED芯片，对该LED芯片进行测试后得到的结果为：测试电流为120mA、工作电压为3.10V、亮度为200mw。对采用现有的方法制造出的同等大小的LED芯片进行测试，测试结果为：测试电流为120mA、工作电压为3.10V、亮度为198mw。由此可知，采用实施例一提供的制造方法制造出的LED外延片，其形成的LED芯片发光效率提高了1％。
本发明实施例通过在压力为500～760torr的环境下生长InGaN量子阱层，与现有的在压力为100～200torr的环境下生长InGaN量子阱层相比，提高了InGaN量子阱层的生长压力，从而提高了InGaN量子阱层的生长速率。在相同时间内，生长相同厚度的InGaN量子阱层，生长速率越高，通入的三乙基镓的流量就可以越小，因此，本发明通过提高InGaN量子阱层的生长压力，可以减小通入的三乙基镓的流量，从而可以减少生长出的InGaN量子阱层中的C含量，改善了InGaN量子阱层的晶体质量。同时InGaN量子阱层的生长压力的提高，有利于三甲基铟中In的并入，使得更多的In可以有效进入多量子阱层中(即In的饱和值增大)，提高了多量子阱层中的In/Ga比，在相同周期厚度的多量子阱中，多量子阱层中的In/Ga比越高，空穴与电子的复合概率变大，从而提高了发光二极管的内量子效率。
实施例二
本发明实施例提供了另一种发光二极管外延片的制造方法，该制造方法与实施例一中的制造方法基本相同，不同之处仅在于：
在本实施例中，将反应室温度控制在800～850℃，压力控制在600Torr，向反应室通入110sccm的三乙基镓和2100sccm的三甲基铟，生长厚度为3nm的InGaN量子阱层。反应时间为210s。
在结束外延片的生长之后，继续对外延片进行清洗、沉积、光刻等半导体加工工艺制成单颗芯片尺寸为10×25mil的LED芯片，对该LED芯片进行测试后得到的结果为：测试电流为120mA、工作电压为3.10V、亮度为201mw。对采用现有的方法制造出的同等大小的LED芯片进行测试，测试结果为：测试电流为120mA、工作电压为3.10V、亮度为198mw。由此可知，采用实施例二提供的制造方法制造出的LED外延片，其形成的LED芯片发光效率提高了1.5％。
本发明实施例通过在压力为500～760torr的环境下生长InGaN量子阱层，与现有的在压力为100～200torr的环境下生长InGaN量子阱层相比，提高了InGaN量子阱层的生长压力，从而提高了InGaN量子阱层的生长速率。在相同时间内，生长相同厚度的InGaN量子阱层，生长速率越高，通入的三乙基镓的流量就可以越小，因此，本发明通过提高InGaN量子阱层的生长压力，可以减小通入的三乙基镓的流量，从而可以减少生长出的InGaN量子阱层中的C含量，改善了InGaN量子阱层的晶体质量。同时InGaN量子阱层的生长压力的提高，有利于三甲基铟中In的并入，使得更多的In可以有效进入多量子阱层中(即In的饱和值增大)，提高了多量子阱层中的In/Ga比，在相同周期厚度的多量子阱中，多量子阱层中的In/Ga比越高，空穴与电子的复合概率变大，从而提高了发光二极管的内量子效率。
以上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制造方法，其特征在于，所述制造方法包括：
提供一衬底；
在所述衬底上依次生长缓冲层、N型层；
在所述N型层上生长多量子阱层，所述多量子阱层包括多个周期交替生长的InGaN量子阱层GaN量子垒层，控制反应室压力为500～760torr，向所述反应室通入三乙基镓和三甲基铟生长所述InGaN量子阱层；
在所述多量子阱层上生长P型层。
2.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述InGaN量子阱层的生长温度为800℃～850℃。
3.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述InGaN量子阱层的厚度为2～4nm。
4.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述多量子阱层的周期数为8～18。
5.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，控制反应室压力为550torr，向反应室通入130sccm的三乙基镓，生长所述InGaN量子阱层。
6.根据权利要求5所述的制造方法，其特征在于，向反应室通入2100sccm的三甲基铟，生长所述InGaN量子阱层。
7.根据权利要求6所述的制造方法，其特征在于，生长所述InGaN量子阱层时，生长时间为210s。
8.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，控制反应室压力为600torr，向反应室通入110sccm的三乙基镓，生长所述InGaN量子阱层。
9.根据权利要求8所述的制造方法，其特征在于，向反应室通入2100sccm的三甲基铟，生长所述InGaN量子阱层。
10.根据权利要求9所述的制造方法，其特征在于，生长所述InGaN量子阱层时，生长时间为210s。
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