CN109473515A - 一种氮化镓基发光二极管外延片的生长方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种氮化镓基发光二极管外延片的生长方法，属于半导体技术领域。包括：提供一形成有缓冲层的衬底，并将所述衬底放入反应室内；以500转/分钟～800转/分钟的转速转动所述衬底，并控制所述反应室内的压力为100torr～150torr，在所述缓冲层上生长N型半导体层；在所述N型半导体层上依次生长有源层和P型半导体层。本发明通过将衬底的转速从1000转/分钟以上降低至800转/分钟以下，反应室内的压力从200torr以上降低至150torr以下，使得N型半导体层在低速低压下生长，有利于N型半导体层在生长过程中释放晶格失配产生的应力，改善N型半导体层的翘曲，最终提升LED的抗静电能力。

Description

一种氮化镓基发光二极管外延片的生长方法
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种氮化镓基发光二极管外延片的生长方法。
背景技术
发光二极管(英文：Light Emitting Diode，简称：LED)是一种能发光的半导体电子元件。LED，尤其是氮化镓(GaN)基LED，具有体积小、效率高、寿命长等优点，被广泛应用于交通信号灯、全色显示器件、液晶显示屏幕背光板、汽车仪表内装灯等领域。
外延片是LED制备过程中的初级成品。现有的氮化镓基LED外延片包括衬底、缓冲层、N型半导体层、有源层和P型半导体层，缓冲层、N型半导体层、有源层和P型半导体层依次层叠在衬底上。衬底用于为外延材料提供生长表面，缓冲层用于为外延材料的生长提供成核中心；N型半导体层用于提供进行复合发光的电子，P型半导体层用于提供进行复合发光的空穴，有源层用于进行电子和空穴的辐射复合发光。
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：
衬底材料和外延材料之间为异质材料，衬底和N型半导体层之间存在较大的晶格失配。晶格失配产生的应力导致N型半导体层出现较大的凹型翘曲，N型半导体层边缘与衬底之间的距离远大于N型半导体层中心与衬底之间的距离。由于外延生长的热能是从衬底向上传递的，与衬底之间的距离越远，温度越低，因此N型半导体层边缘的温度会远低于N型半导体层中心的温度。而温度的高低与生长质量的好坏正相关，所以N型半导体层边缘的晶体质量较差，影响LED的抗静电能力。
发明内容
本发明实施例提供了一种氮化镓基发光二极管外延片的生长方法，能够解决现有技术外延翘曲影响晶体质量、降低LED抗静电能力的问题。所述技术方案如下：
本发明实施例提供了一种氮化镓基发光二极管外延片的生长方法，所述生长方法包括：
提供一形成有缓冲层的衬底，并将所述衬底放入反应室内；
以500转/分钟～800转/分钟的转速转动所述衬底，并控制所述反应室内的压力为100torr～150torr，在所述缓冲层上生长N型半导体层；
在所述N型半导体层上依次生长有源层和P型半导体层。
可选地，生长所述N型半导体层时向所述反应室内通入氨气、氢气和氮气的混合气体，所述混合气体的总体积小于或等于150L。
优选地，所述混合气体中氨气和氢气的体积之和与所述混合气体的总体积之比大于或等于82％。
更优选地，所述氨气的体积大于或等于45L，且所述氨气的体积与所述混合气体的总体积之比大于或等于30％。
更优选地，所述氢气的体积大于或等于60L，且所述氢气的体积与所述混合气体的总体积之比大于或等于52％。
优选地，所述氮气的体积大于或等于10L，且所述氮气的体积与所述混合气体的总体积之比大于或等于8％。
可选地，生长所述N型半导体层时控制所述反应室内的温度为1120℃～1150℃。
可选地，所述N型半导体层包括依次层叠的电子提供层和电流扩展层，所述电子提供层的材料采用N型掺杂的氮化镓，所述电流扩展层的材料采用N型掺杂的氮化铝镓。
优选地，所述电子提供层的厚度为所述电流扩展层的厚度的50倍～100倍。
优选地，所述电子提供层中N型掺杂剂的掺杂浓度为所述电流扩展层中N型掺杂剂的掺杂浓度的10倍～30倍。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
通过将衬底的转速从1000转/分钟以上降低至800转/分钟以下，反应室内的压力从200torr以上降低至150torr以下，使得N型半导体层在低速低压下生长，有利于N型半导体层在生长过程中释放晶格失配产生的应力，改善N型半导体层的翘曲，使得N型半导体层边缘和中心的温度比较接近，提高N型半导体层整体的晶体质量，最终提升LED的抗静电能力。
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氮化镓基发光二极管外延片的生长方法的流程图。
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。
本发明实施例提供了一种氮化镓基发光二极管外延片的生长方法。图1为本发明实施例提供的一种氮化镓基发光二极管外延片的生长方法的流程图。参见图1，该生长方法包括：
步骤101：提供一形成有缓冲层的衬底，并将衬底放入反应室内。
在本实施例中，反应室可以为金属有机化合物化学气相沉淀(英文：MetalOrganic Chemical Vapor Deposition，简称：MOCVD)设备中的反应腔。
具体地，衬底的材料可以采用蓝宝石、单晶氮化镓、单晶硅、单晶碳化硅中的一种。缓冲层的材料可以采用氮化镓或者氮化铝。
进一步地，缓冲层的厚度可以为15nm～30nm，优选为20nm。
当缓冲层的材料采用氮化铝时，可以先采用物理气相沉积(英文：Physical VaporDeposition，简称：PVD)设备在衬底上形成缓冲层，再采用MOCVD设备完成后续的外延生长。
当缓冲层的材料采用氮化镓或者氮化铝时，可以直接采用MOCVD设备完成整个的外延生长。
可选地，在衬底上形成缓冲层之前，该生长方法可以包括：
控制温度为1040℃～1180℃(优选为1110℃)，在氢气气氛中对衬底进行退火处理；
对衬底进行氮化处理。
通过上述步骤清洁衬底的表面，避免杂质掺入外延片中，有利于提高外延片的生长质量。
可选地，在步骤101之后，该生长方法还可以包括：
在缓冲层上生长未掺杂氮化镓层。
进一步地，未掺杂氮化镓层的厚度可以为0.8μm～3μm，优选为1.2μm。
具体地，在缓冲层上生长未掺杂氮化镓层，可以包括：
控制温度为1000℃～1200℃(优选为1100℃)，压力可以为100torr～500torr(优选为300torr)，在缓冲层上生长未掺杂氮化镓层。
步骤102：以500转/分钟～800转/分钟的转速转动衬底，并控制反应室内的压力为100torr～150torr，在缓冲层上生长N型半导体层。
本发明实施例通过将衬底的转速从1000转/分钟以上降低至800转/分钟以下，反应室内的压力从200torr以上降低至150torr以下，使得N型半导体层在低速低压下生长，有利于N型半导体层在生长过程中释放晶格失配产生的应力，改善N型半导体层的翘曲，使得N型半导体层边缘和中心的温度比较接近，提高N型半导体层整体的晶体质量，最终提升LED的抗静电能力。
优选地，衬底的转速可以为600转/分钟，反应室内的压力可以为150torr。
可选地，生长N型半导体层时向反应室内通入氨气、氢气和氮气的混合气体，混合气体的总体积可以小于或等于150L。
通过将生长N型半导体层时向反应室内通入的氨气、氢气和氮气的总体积从200L以上减少至150L以下，有利于反应物均匀反应，进一步改善N型半导体层的翘曲，同时还可以弥补低速低压生长带来的效率和厚度损失，保证外延片的生产效率、以及N型半导体层的厚度。
具体地，混合气体的总体积可以大于或等于115L，以满足N型半导体层的生长需要。
优选地，混合气体中氨气和氢气的体积之和与混合气体的总体积之比可以大于或等于82％。
通过将混合气体中氨气和氢气所占的比例从70％以下提升至82％以上，一方面镓源可以被氨气充分反应掉，改善N型半导体层的翘曲，进而提高N型半导体层整体的晶体质量；另一方面氢气具有导热的作用，提升N型半导体层的生长温度，同时使得N型半导体层边缘和中心的温度比较接近，也可以提高N型半导体层整体的晶体质量。而且氢气还可以提高N型半导体层的生长速率，弥补低速低压生长带来的效率和厚度损失，保证外延片的生产效率、以及N型半导体层的厚度。
更优选地，氨气的体积可以大于或等于45L，且氨气的体积与混合气体的总体积之比可以大于或等于30％，以保证有足够的氨气与镓源反应，改善N型半导体层的翘曲，提高外延片的生产效率。
更优选地，氢气的体积可以大于或等于60L，且氢气的体积与混合气体的总体积之比可以大于或等于52％，以保证有氢气的体积足以有效提高外延片的晶体质量和生产效率。
优选地，氮气的体积可以大于或等于10L，且氮气的体积与混合气体的总体积之比可以大于或等于8％，以满足N型半导体层的生长需要。
在具体实现时，除了向反应室内通入氨气、氢气和氮气的混合气体之外，还会打开镓源，以使镓源与氨气反应形成N型半导体层。具体地，镓源的流量可以为900sccm～1100sccm。
可选地，生长N型半导体层时可以控制反应室内的温度为1120℃～1150℃。
通过将N型半导体层的生长温度从1100℃升高至1120℃～1150℃，进一步提高N型半导体层整体的晶体质量，提升LED的抗静电能力。
优选地，生长N型半导体层时可以控制反应室内的温度为1130℃。
在本实施例的一种具体实现方式中，生长N型半导体层时，氮气的体积为10L，氢气的体积为70L，氨气的体积为45L，镓源的流量为1000sccm；控制反应室内的温度为1140℃，反应室内的压力为150torr，衬底的转速为550转/分钟。
将上述实现方式形成的外延片进行清洗、沉积、光刻等半导体加工工艺，制成单颗尺寸为10mil*25mil的LED芯片，并对LED芯片进行测试。测试结果：测试电流为120mA，工作电压为3.09V，发光亮度为200mW；4KV的静电释放(英文：Electro-Static discharge，简称：ESD)良率为97％，与常规方式生长的外延片制成的芯片相比，发光亮度提高了0.2mW，ESD良率提高了4％。
在本实施例的另一种具体实现方式中，生长N型半导体层时，氮气的体积为10L，氢气的体积为60L，氨气的体积为45L，镓源的流量为1000sccm；控制反应室内的温度为1150℃，反应室内的压力为150torr，衬底的转速为500转/分钟。
将上述实现方式形成的外延片进行清洗、沉积、光刻等半导体加工工艺，制成单颗尺寸为10mil*25mil的LED芯片，并对LED芯片进行测试。测试结果：测试电流为120mA，工作电压为3.09V，发光亮度为200mW；4KV的静电释放(英文：Electro-Static discharge，简称：ESD)良率为98.5％，与常规方式生长的外延片制成的芯片相比，发光亮度提高了0.2mW，ESD良率提高了5.5％。
需要说明的是，常规方式中，生长N型半导体层时，氮气的体积为64L，氢气的体积为120L，氨气的体积为50L，镓源的流量为1000sccm；控制反应室内的温度为1100℃，反应室内的压力为200torr，衬底的转速为1000转/分钟。
可选地，N型半导体层可以包括依次层叠的电子提供层和电流扩展层，电子提供层的材料采用N型掺杂(如硅)的氮化镓，电流扩展层的材料采用N型掺杂(如硅)的氮化铝镓。电子提供层可以向有源层提供进行复合发光的电子，同时电流扩展层可以促进电子提供层提供的电子横向扩展，有利于电子均匀注入有源层中，提高有源层中电子和空穴的复合发光效率，最终提升LED的发光效率。
优选地，电子提供层的厚度可以为电流扩展层的厚度的50倍～100倍。如果电子提供层的厚度小于电流扩展层的厚度的50倍，则可能由于电子提供层的厚度较小或者电流扩展层的厚度较大而影响到电子注入有源层；如果电子提供层的厚度大于电流扩展层的厚度的100倍，则可能由于电流扩展层的厚度较小而无法有效实现电子的横向扩展。
具体地，电子提供层的厚度可以为3μm～5μm，电流扩展层的厚度可以为30nm～80nm。
优选地，电子提供层中N型掺杂剂的掺杂浓度可以为电流扩展层中N型掺杂剂的掺杂浓度的10倍～30倍。如果电子提供层中N型掺杂剂的掺杂浓度小于电流扩展层中N型掺杂剂的掺杂浓度的10倍，则可能由于电子提供层中N型掺杂剂的掺杂浓度较小而无法为有源层的复合发光提供足够的电子，也可能由于电流扩展层中N型掺杂剂的掺杂浓度较大而造成电子溢流；如果电子提供层中N型掺杂剂的掺杂浓度大于电流扩展层中N型掺杂剂的掺杂浓度的30倍，则可能由于电流扩展层中N型掺杂剂的掺杂浓度较小而影响电子注入有源层，降低LED的发光效率。
具体地，电子提供层中N型掺杂剂的掺杂浓度可以为1018/cm3～1019/cm3，如5*1018/cm3；电流扩展层中N型掺杂剂的掺杂浓度可以为1017/cm3～5*1017/cm3，如2*1017/cm3。
步骤103：在N型半导体层上依次生长有源层和P型半导体层。
具体地，有源层可以包括多个量子阱和多个量子垒，多个量子阱和多个量子垒交替层叠设置；量子阱的材料可以采用氮化铟镓(InGaN)，如InxGa1-xN，0＜x＜1，量子垒的材料可以采用氮化镓。P型半导体层可以采用P型掺杂(如镁)的氮化镓。
进一步地，量子阱的厚度可以为2.5nm～3.5nm，优选为3nm；量子垒的厚度可以为10nm～11nm，优选为10.5nm；量子阱的数量与量子垒的数量相同，量子垒的数量可以为8个～18个，优选为16个。P型半导体层的厚度可以为60nm～100nm，优选为80nm；P型半导体层中P型掺杂剂的掺杂浓度可以为1019/cm3～1020/cm3，优选为5*1019/cm3。
具体地，量子阱的生长温度可以为720℃～829℃(优选为760℃)，生长压力可以为100torr～500torr(优选为300torr)；量子垒的生长温度可以为850℃～959℃(优选为900℃)，生长压力可以为100torr～500torr(优选为300torr)。P型半导体层的生长温度可以为900℃～1000℃(优选为950℃)，生长压力可以为100torr～300torr(优选为200torr)。
可选地，在步骤103之前，该生长方法还可以包括：
在N型半导体层上形成应力释放层。
相应地，有源层生长在应力释放层上。
具体地，应力释放层可以包括多个第一子层和多个第二子层，多个第一子层和多个第二子层交替层叠设置；第一子层的材料可以采用氮化铟镓，第二子层的材料可以采用氮化镓。
进一步地，第一子层的厚度可以为1nm～3nm，优选为2nm；第二子层的厚度可以为45nm～50nm，优选为48nm；第二子层的数量与第一子层的数量相同，第一子层的数量可以为2个～20个，优选为5个。
具体地，在N型半导体层上形成应力释放层，可以包括：
控制温度为800℃～1100℃(优选为950℃)，压力为100torr～500torr(优选为300torr)，在N型半导体层上形成应力释放层。
可选地，在有源层上生长P型半导体层之前，该生长方法还可以包括：
在有源层上形成电子阻挡层。
具体地，电子阻挡层的材料可以采用P型掺杂的氮化铝镓AlyGa1-yN，0＜y＜1，如Al0.16Ga0.84N；电子阻挡层中P型掺杂剂的掺杂浓度可以为1017/cm3～1018/cm3，优选为5*1017/cm3。
具体地，在有源层上形成电子阻挡层，可以包括：
控制温度为850℃～1000℃(优选为900℃)，压力为100torr～500torr(优选为350torr)，在有源层上形成电子阻挡层。
可选地，在步骤103之后，该生长方法还可以包括：
在P型半导体层上形成接触层。
具体地，接触层的材料可以采用P型掺杂的氮化镓、P型掺杂的氮化铟镓、N型掺杂的氮化镓、N型掺杂的氮化铟镓中的一种。
进一步地，接触层的厚度可以为5nm～100nm，优选为50nm；接触层中P型掺杂剂或者N型掺杂剂的掺杂浓度可以为1021/cm3～1022/cm3，优选为5*1021/cm3。
具体地，在P型半导体层上形成接触层，可以包括：
控制温度为850℃～1050℃(优选为950℃)，压力为100torr～300torr(优选为200torr)，在P型半导体层上形成接触层。
需要说明的是，在上述外延生长结束之后，会先将温度降低至600℃～900℃(优选为750℃)，在氮气气氛中对外延片进行10分钟～20分钟(优选为15分钟)的退火处理，然后再将外延片的温度降低至室温。
实现时以三甲基镓或三乙基镓作为镓源，高纯氨气作为氮源，三甲基铟作为铟源，三甲基铝作为铝源，N型掺杂剂选用硅烷，P型掺杂剂选用二茂镁。
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 (10)

1.一种氮化镓基发光二极管外延片的生长方法，其特征在于，所述生长方法包括：
提供一形成有缓冲层的衬底，并将所述衬底放入反应室内；
以500转/分钟～800转/分钟的转速转动所述衬底，并控制所述反应室内的压力为100torr～150torr，在所述缓冲层上生长N型半导体层；
在所述N型半导体层上依次生长有源层和P型半导体层。
2.根据权利要求1所述的生长方法，其特征在于，生长所述N型半导体层时向所述反应室内通入氨气、氢气和氮气的混合气体，所述混合气体的总体积小于或等于150L。
3.根据权利要求2所述的生长方法，其特征在于，所述混合气体中氨气和氢气的体积之和与所述混合气体的总体积之比大于或等于82％。
4.根据权利要求3所述的生长方法，其特征在于，所述氨气的体积大于或等于45L，且所述氨气的体积与所述混合气体的总体积之比大于或等于30％。
5.根据权利要求3所述的生长方法，其特征在于，所述氢气的体积大于或等于60L，且所述氢气的体积与所述混合气体的总体积之比大于或等于52％。
6.根据权利要求2～5任一项所述的生长方法，其特征在于，所述氮气的体积大于或等于10L，且所述氮气的体积与所述混合气体的总体积之比大于或等于8％。
7.根据权利要求1～5任一项所述的生长方法，其特征在于，生长所述N型半导体层时控制所述反应室内的温度为1120℃～1150℃。
8.根据权利要求1～5任一项所述的生长方法，其特征在于，所述N型半导体层包括依次层叠的电子提供层和电流扩展层，所述电子提供层的材料采用N型掺杂的氮化镓，所述电流扩展层的材料采用N型掺杂的氮化铝镓。
9.根据权利要求8所述的生长方法，其特征在于，所述电子提供层的厚度为所述电流扩展层的厚度的50倍～100倍。
10.根据权利要求8所述的生长方法，其特征在于，所述电子提供层中N型掺杂剂的掺杂浓度为所述电流扩展层中N型掺杂剂的掺杂浓度的10倍～30倍。
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