CN109509816A - Led芯片、垂直结构的led外延片及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种LED芯片、垂直结构的LED外延片及其制备方法，其中，制备方法包括：在清洗后的金属衬底表面生长GaN成核层，并在GaN成核层表面生长P型GaN层；在P型GaN层表面生长GaN阻挡层，并在GaN阻挡层表面生长多量子阱层；在多量子阱层上生长N型GaN层，以得到垂直结构的LED外延片。本申请公开的上述技术方案，直接在金属衬底上依次生长GaN成核层、P型GaN层、GaN阻挡层、多量子阱层、及N型GaN层，以得到垂直结构的LED外延片，这样就不需要对LED外延片的衬底进行剥离和键合，因此，则可以提高LED外延片的制备效率，并且可以提高最终所制备出的LED外延片的良品率和内量子效率。

Description

LED芯片、垂直结构的LED外延片及其制备方法

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，更具体地说，涉及一种LED芯片、垂直结构的LED外延片及其制备方法。

背景技术

LED(Light Emiting Diode，发光二极管)芯片分为正装结构、倒装结构和垂直结构，其中，垂直结构的LED芯片因具有热阻性高、散热性好、及可以避免出现电流拥挤现象等特性而受到广泛关注。

目前，在做垂直结构时，需要将制备LED外延片时所用的原衬底(常为蓝宝石衬底)剥离掉，然后，再在LED外延片上键合上金属衬底。其中，常用的剥离方式为化学腐蚀或者激光剥离，而键合则需要在高压、或者高温高压的条件下进行。但是，由于剥离所花费的时间比较长，因此，则会降低LED外延片的制备效率；键合所需的高压环境可能会使LED外延片发生碎裂，因此，则会降低所制备出的LED外延片的良品率，而高温高压的环境则会使LED外延片有源区中的组分发生变化，而且会使N型层和P型层中物质的浓度、分布发生变化，从而会降低LED外延片的内量子效率。

综上所述，如何提高垂直结构的LED外延片的制备效率，并提高所制备出的LED外延片的良品率和内量子效率，是目前本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种LED芯片、垂直结构的LED外延片及其制备方法，以提高垂直结构的LED外延片的制备效率，并提高所制备出的LED外延片的良品率和内量子效率。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种垂直结构的LED外延片的制备方法，包括：

在清洗后的金属衬底表面生长GaN成核层，并在所述GaN成核层表面生长P型GaN层；

在所述P型GaN层表面生长GaN阻挡层，并在所述GaN阻挡层表面生长多量子阱层；

在所述多量子阱层上生长N型GaN层，以得到垂直结构的LED外延片。

优选的，在清洗后的金属衬底表面生长GaN成核层之前，还包括：

将清洗后的所述金属衬底放置在MOCVD反应室中，以利用MOCVD法得到所述垂直结构的LED外延片。

优选的，在将清洗后的所述金属衬底放置在MOCVD反应室中之前，还包括：

在清洗后的所述金属衬底的表面蒸镀金属层；

在清洗后的金属衬底表面生长GaN成核层之后，还包括：

将生长有所述GaN成核层的金属衬底从所述MOCVD反应室取出，并放置在HVPE反应室内，在所述GaN成核层表面生长P型纳米线层，并在所述P型纳米线层表面生长P型纳米线融合层；

将生长有所述P型纳米线融合层的金属衬底从所述HVPE反应室内取出，并放置在所述MOCVD反应室内。

优选的，在所述GaN阻挡层表面生长多量子阱层，包括：

在所述GaN阻挡层表面生长InGaN/GaN多量子阱层，其中，InGaN的组分比例为15％，GaN的组分比例为85％。

优选的，在所述GaN阻挡层表面生长InGaN/GaN多量子阱层，包括：

在所述GaN阻挡层表面生长多周期结构的InGaN/GaN多量子阱层。

一种垂直结构的LED外延片，包括金属衬底、及依次设置在所述金属衬底上的GaN成核层、P型GaN层、GaN阻挡层、多量子阱层、N型GaN层。

优选的，还包括：

设置在所述金属衬底与所述GaN成核层之间的金属层、设置在所述GaN成核层及所述P型GaN层之间的P型纳米线层、及设置在所述P型纳米线层及所述P型GaN层之间的P型纳米线融合层。

优选的，所述金属层为镍层。

优选的，所述金属衬底为钼衬底。

一种垂直结构的LED芯片，包括如上述任一项所述的垂直结构的LED外延片。

本发明提供了一种LED芯片、垂直结构的LED外延片及其制备方法，其中，垂直结构的LED外延片的制备方法包括：在清洗后的金属衬底表面生长GaN成核层，并在GaN成核层表面生长P型GaN层；在P型GaN层表面生长GaN阻挡层，并在GaN阻挡层表面生长多量子阱层；在多量子阱层上生长N型GaN层，以得到垂直结构的LED外延片。

本申请公开的上述技术方案，直接在金属衬底上依次生长GaN成核层、P型GaN层、GaN阻挡层、多量子阱层、及N型GaN层，以得到垂直结构的LED外延片，这样就不需要对垂直结构的LED外延片的衬底进行剥离和键合，因此，则可以提高LED外延片的制备效率，并且可以提高最终所制备出的LED外延片的良品率和内量子效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种垂直结构的LED外延片的制备方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的一种垂直结构的LED外延片的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的另一种垂直结构的LED外延片的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参见图1，其示出了本发明实施例提供的一种垂直结构的LED外延片的制备方法的流程图，可以包括：

S11：在清洗后的金属衬底表面生长GaN成核层，并在GaN成核层表面生长P型GaN层。

将金属衬底清洗干净，并在金属衬底的表面生长GaN成核层，然后，在GaN成核层的表面生长P型GaN层。GaN成核层用于缓冲金属衬底与P型GaN层之间的晶格失配，从而提高最终所制备出的垂直结构的LED外延片的质量。

由于直接选用金属衬底作为所要制备的垂直结构的LED外延片的衬底，因此，则不需要对最终所制备出的垂直结构的LED外延片的衬底进行剥离和键合，从而则可以减少剥离和键合对垂直结构的LED外延片所造成的影响，从而可以提高垂直结构的LED外延片的制备效率，并提高最终所制备出的LED外延片的良品率和内量子效率。

其中，所选用的金属衬底具体可以为钼衬底，其可以提高垂直结构的LED外延片的散热性能，提高最终所制备出的垂直结构的LED外延片的光输出功率，并可以延长垂直结构的LED外延片的使用寿命。

S12：在P型GaN层表面生长GaN阻挡层，并在GaN阻挡层表面生长多量子阱层。

在生长完P型GaN层之后，则在P型GaN层表面生长GaN阻挡层，并在GaN阻挡层表面生长多量子阱层。其中，GaN阻挡层用于防止多量子阱层中的电子溢出到P型GaN层中而对P型GaN层中的空穴造成影响，因此，可以提高最终所制备出的垂直结构的LED外延片的质量。

S13：在多量子阱层上生长N型GaN层，以得到垂直结构的LED外延片。

在生长完多量子阱层之后，则可以在多量子阱层上生长N型GaN层，以最终得到垂直结构的LED外延片。

本申请公开的上述技术方案，直接在金属衬底上依次生长GaN成核层、P型GaN层、GaN阻挡层、多量子阱层、及N型GaN层，以得到垂直结构的LED外延片，这样就不需要对垂直结构的LED外延片的衬底进行剥离和键合，因此，则可以提高LED外延片的制备效率，并且可以提高最终所制备出的LED外延片的良品率和内量子效率。

本发明实施例提供的一种垂直结构的LED外延片的制备方法，在清洗后的金属衬底表面生长GaN成核层之前，还可以包括：

将清洗后的金属衬底放置在MOCVD反应室中，以利用MOCVD法得到垂直结构的LED外延片。

在将金属衬底清洗干净之后，可以将清洗后的金属衬底放置在MOCVD(Metal-Organic Chemical Vapor Deposition，金属有机化学气相沉积)反应室中，以利用MOCVD法制备得到垂直结构的LED外延片。

具体地，将清洗后的金属衬底放置在MOCVD反应室内，在650℃左右的温度下通入Ga源、氮源，以在金属衬底上成核，从而在金属衬底上生长出GaN成核层，然后，在950℃左右的温度下通入Ga源、氮源、及P型掺杂源，并生长20min的P型GaN层。之后，则在1020℃左右的温度下生长一层GaN阻挡层。在生长完GaN阻挡层之后，则在GaN阻挡层上生长多量子阱层，并在1050℃左右的温度下通入Ga源、氮源、及N型掺杂源，生长60min的N型GaN层，以最终得到垂直结构的LED外延片。

其中，所用到的Ga源具体可以为三甲基镓，氮源具体可以为氨气，N型掺杂源具体可以为硅烷，P型掺杂源具体可以为二茂镁。

利用MOCVD法制备垂直结构的LED外延片具有生长易于控制、可大规模生长、可制备出面积比较大且均匀性比较好的垂直结构的LED外延片。

本发明实施例提供的一种垂直结构的LED外延片的制备方法，在将清洗后的金属衬底放置在MOCVD反应室中之前，还可以包括：

在清洗后的金属衬底的表面蒸镀金属层；

在清洗后的金属衬底表面生长GaN成核层之后，还可以包括：

将生长有GaN成核层的金属衬底从MOCVD反应室取出，并放置在HVPE反应室内，在GaN成核层表面生长P型纳米线层，并在P型纳米线层表面生长P型纳米线融合层；

将生长有P型纳米线融合层的金属衬底从HVPE反应室内取出，并放置在MOCVD反应室内。

考虑到金属衬底与GaN之间的晶格结构不匹配，因此，为了减少金属衬底与P型GaN层之间因晶格失配而导致的应力，并减少P型GaN层的位错和缺陷，则可以生长P型纳米线层，利用P型纳米线层中所包含的P型纳米线来释放由于晶格失配所产生的应力，并减少P型纳米线层之上的P型GaN层的位错和缺陷，以提高最终所制备出的垂直结构的LED外延片、及垂直结构的LED芯片的性能。

具体地，在将清洗干净的金属衬底放置在MOCVD反应室中之前，可以先在清洗后的金属衬底的表面蒸镀金属层，其厚度大约为30nm，然后，则可以将蒸镀有金属层的金属衬底放置在MOCVD反应室内，以在金属层的表面生长GaN成核层。在生长完GaN成核层之后，则可以将生长有GaN成核层的金属衬底从MOCVD反应室内取出，并将其放入到HVPE(HydrideVapor Phase Epitaxy，氢化物气相外延)反应室内，以利用HVPE法在GaN成核层表面生长P型纳米线层，其生长温度约为850℃，生长时间为15min。然后，将温度升高到约900℃，以促进P型纳米线层中所包含的P型纳米线由垂直生长变为横向生长，在此温度下继续生长30min，此时，在P型纳米线层的表面形成P型纳米线融合层。在HVPE反应室内生长完P型纳米线融合层之后，则可以将带有P型纳米线融合层的金属衬底从HVPE反应室内取出，并放置在MOCVD反应室内，以在MOCVD反应室内生长P型GaN层、GaN阻挡层、多量子阱层、及N型GaN层。

其中，金属衬底表面所蒸镀的金属层是为了后续生长P型纳米线层，其具体可以为镍层，P型纳米线融合层是为了便于后续生长P型GaN层。

本发明实施例提供的一种垂直结构的LED外延片的制备方法，在GaN阻挡层表面生长多量子阱层，可以包括：

在GaN阻挡层表面生长InGaN/GaN多量子阱层，其中，InGaN的组分比例为15％，GaN的组分比例为85％。

在GaN阻挡层表面所生长的多量子阱层具体可以为InGaN/GaN多量子阱层，其中，InGaN的组分比例可以为15％，GaN的组分比例可以为85％。

本发明实施例提供的一种垂直结构的LED外延片的制备方法，在GaN阻挡层表面生长InGaN/GaN多量子阱层，可以包括：

在GaN阻挡层表面生长多周期结构的InGaN/GaN多量子阱层。

在GaN阻挡层表面所生长的InGaN/GaN多量子阱层可以为多周期结构，每个周期结构均包括InGaN层和GaN层，其中，InGaN层的厚度可以为8nm，GaN层的厚度可以为3nm。

其中，InGaN/GaN多量子阱层具体可以为5周期结构，也即使InGaN层和GaN层交替生长5个周期。

本发明实施例还提供了一种垂直结构的LED外延片，参见图2，其示出了本发明实施例提供的一种垂直结构的LED外延片的结构示意图，可以包括金属衬底1、及依次设置在金属衬底1上的GaN成核层2、P型GaN层3、GaN阻挡层4、多量子阱层5、N型GaN层6。

参见图3，其示出了本发明实施例提供的另一种垂直结构的LED外延片的结构示意图。本发明实施例提供的一种垂直结构的LED外延片，还可以包括：

设置在金属衬底1与GaN成核层2之间的金属层7、设置在GaN成核层2及P型GaN层3之间的P型纳米线层8、及设置在P型纳米线层8及P型GaN层3之间的P型纳米线融合层9。

本发明实施例提供的一种垂直结构的LED外延片，金属层7可以为镍层。

本发明实施例提供的一种垂直结构的LED外延片，金属衬底1可以为钼衬底。

本发明实施例所提供的一种垂直结构的LED外延片中相关部分的具体说明请参见本发明实施例所提供的一种垂直结构的LED外延片的制备方法中相关部分的详细说明，在此不再赘述。

本发明实施例还提供了一种垂直结构的LED芯片，可以包括上述任一种垂直结构的LED外延片。

可以将上述任一种垂直结构的LED外延片应用在垂直结构的LED芯片中。由于上述任一种垂直结构的LED芯片均直接利用金属衬底1作为衬底，所以，在制备垂直结构的LED芯片时则不需要对垂直结构的LED外延片进行剥离和键合，因此，则可以提高垂直结构的LED外延片的制备效率，提高垂直结构的LED芯片的制备效率，并可以提高垂直结构的LED外延片及垂直结构的LED芯片的良品率和内量子效率。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。另外，本发明实施例提供的上述技术方案中与现有技术中对应技术方案实现原理一致的部分并未详细说明，以免过多赘述。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种垂直结构的LED外延片的制备方法，其特征在于，包括：

在清洗后的金属衬底表面生长GaN成核层，并在所述GaN成核层表面生长P型GaN层；

在所述P型GaN层表面生长GaN阻挡层，并在所述GaN阻挡层表面生长多量子阱层；

在所述多量子阱层上生长N型GaN层，以得到垂直结构的LED外延片。

2.根据权利要求1所述的垂直结构的LED外延片的制备方法，其特征在于，在清洗后的金属衬底表面生长GaN成核层之前，还包括：

将清洗后的所述金属衬底放置在MOCVD反应室中，以利用MOCVD法得到所述垂直结构的LED外延片。

3.根据权利要求2所述的垂直结构的LED外延片的制备方法，其特征在于，在将清洗后的所述金属衬底放置在MOCVD反应室中之前，还包括：

在清洗后的所述金属衬底的表面蒸镀金属层；

在清洗后的金属衬底表面生长GaN成核层之后，还包括：

将生长有所述GaN成核层的金属衬底从所述MOCVD反应室取出，并放置在HVPE反应室内，在所述GaN成核层表面生长P型纳米线层，并在所述P型纳米线层表面生长P型纳米线融合层；

将生长有所述P型纳米线融合层的金属衬底从所述HVPE反应室内取出，并放置在所述MOCVD反应室内。

4.根据权利要求3所述的垂直结构的LED外延片，其特征在于，在所述GaN阻挡层表面生长多量子阱层，包括：

在所述GaN阻挡层表面生长InGaN/GaN多量子阱层，其中，InGaN的组分比例为15％，GaN的组分比例为85％。

5.根据权利要求4所述的垂直结构的LED外延片，其特征在于，在所述GaN阻挡层表面生长InGaN/GaN多量子阱层，包括：

在所述GaN阻挡层表面生长多周期结构的InGaN/GaN多量子阱层。

6.一种垂直结构的LED外延片，其特征在于，包括金属衬底、及依次设置在所述金属衬底上的GaN成核层、P型GaN层、GaN阻挡层、多量子阱层、N型GaN层。

7.根据权利要求6所述的垂直结构的LED外延片，其特征在于，还包括：

设置在所述金属衬底与所述GaN成核层之间的金属层、设置在所述GaN成核层及所述P型GaN层之间的P型纳米线层、及设置在所述P型纳米线层及所述P型GaN层之间的P型纳米线融合层。

8.根据权利要求7所述的垂直结构的LED外延片，其特征在于，所述金属层为镍层。

9.根据权利要求6所述的垂直结构的LED外延片，其特征在于，所述金属衬底为钼衬底。

10.一种垂直结构的LED芯片，其特征在于，包括如权利要求6至9任一项所述的垂直结构的LED外延片。